опорный узел пролетного строения моста

Формула изобретения

1. Опорный узел пролетного строения моста, включающий опорный элемент, установленный между плитой пролетного строения и верхним поясом полетной балки, а также предварительно напряженную тягу, пропущенную через соосные отверстия в плите, опорном элементе и верхнем поясе продольной балки и расположенную в поперечном сечении пролетного строения моста на внешних относительно вертикальной оси продольной балки участках сопрягаемых элементов, причем опорный элемент выполнен с уменьшающейся жесткостью от одного его края к противоположному краю и установлен в поперечном сечении пролетного строения моста так, что его жесткость уменьшается в направлении от внешнего края к внутреннему краю относительно вертикальной оси продольной балки, отличающийся тем, что опорный элемент выполнен в виде монолитного блока из армированного упругого материала с уменьшающейся плотностью заполнения арматурой от одного его края к противоположному краю.

2. Узел по п. 1, отличающийся тем, что в качестве арматуры в опорном элементе использованы металлические листы разной длины, расположенные один под другим.

3. Узел по п. 2, отличающийся тем, что в качестве арматуры дополнительно использованы частицы твердого наполнителя, плотность распределения которых уменьшается от одного края опорного элемента к противоположному краю.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к мостостроению и может быть использовано преимущественно в пролетных строениях железнодорожных мостов с плитой безбалластного мостового полотна.

Известны конструкции опорных узлов с использованием опорного элемента с переменной по длине жесткостью.

Например, известна конструкция опорной части моста, включающая размещенный между опорой и пролетным строением упруго деформируемый опорный элемент из полиуретанового эластомера с поперечными гребнями и пазами переменной высоты и/или ширины [а.с. СССР N 1513072, E 01 D 19/04, п. 1989 г.]

Жесткость указанного элемента постепенно возрастает от крайних гребней к средним.

Такая конструкция опорной части способствует повышению несущей способности за счет облегчения постоянного равномерного распределения давления по всей поверхности контакта опорного элемента с сопряженными конструкциями.

Известна конструкция опорного узла пролетного строения моста с плитой безбалластного мостового полотна, наиболее близкая по технической сущности к предлагаемому изобретению и выбранная авторами за прототип [патент РФ N 2054078, E 01 D 1/00, п. 1996 г.].

Опорный узел, включает опорный элемент, расположенный между плитой пролетного строения и верхним поясом продольной балки, а также предварительно напряженную тягу, пропущенную через соосные отверстия в плите, опорном элементе и верхнем поясе балки и расположенную в поперечном сечении пролетного строения на внешних относительно вертикальной оси продольной балки участках сопрягаемых элементов.

Опорный элемент выполнен в виде пары сопряженных по наклонной плоскости клиньев из материалов, имеющих разную жесткость (например, один клин из металла или бетона, а другой из резины или дерева). Опорный элемент установлен в поперечном сечении пролетного строения таким образом, что его внешняя по отношению к вертикальной оси балки грань обладает большей жесткостью, чем внутренняя грань. При этом опорный элемент установлен в поперечном сечении пролетного строения моста с эксцентриситетом центра тяжести относительно вертикальной оси продольной балки.

Использование опорного элемента с уменьшающейся жесткостью позволяет снизить растягивающие напряжения в верхних слоях плиты мостового полотна.

Обращающаяся подвижная нагрузка вызывает в плите мостового полотна положительный изгибающий момент.

После прохода обращающейся нагрузки в плите мостового полотна возникают отрицательные изгибающие моменты, приводящие к растяжению верхних слоев плиты и, как следствие, к появлению трещин и снижению долговечности пролетного строения.

Усилие натяжения тяги также вызывает появление в плите отрицательных изгибающих моментов, что приводит к увеличению растягивающих напряжений в верхних слоях и снижает надежность работы пролетного строения.

В рассматриваемом опорном узле опорный элемент имеет максимальную жесткость на внешнем краевом участке в месте размещения тяги. При натяжении тяги через указанный опорный элемент точкой опоры плиты становится обладающая большей жесткостью внешняя грань опорного элемента, что вызывает появление в плите положительного изгибающего момента в пределах рабочего пролета плиты, снижающего растягивающие напряжения в верхних слоях плиты, которые возникают после прохода обращающейся нагрузки от натяжения шпильки.

Установка опорного элемента в поперечном сечении пролетного строения с эксцентриситетом центра тяжести относительно вертикальной оси продольной балки способствует уменьшению кручения поперечного сечения пролетной балки под действием обращающейся нагрузки.

Недостатком данной конструкции опорного узла является сложность монтажа его элементов, а также недостаточная надежность конструкции из-за возможного скольжения клиньев опорного элемента по наклонной поверхности их сопряжения в процессе эксплуатации.

Задачей изобретения является упрощение конструкции и обеспечение надежности работы пролетного строения моста.

Сущность изобретения заключается в том, что в опорном узле пролетного строения моста, включающем опорный элемент, установленный между плитой пролетного строения и верхним поясом продольной балки, а также предварительно напряженную тягу, пропущенную через соосные отверстия в плите, опорном элементе и верхнем поясе продольной балки и расположенную в поперечном сечении пролетного строения моста на внешних относительно вертикальной оси продольной балки участках сопрягаемых элементов, причем опорный элемент выполнен с уменьшающейся жесткостью от одного его края к противоположному краю и установлен в поперечном сечении пролетного строения моста так, что его жесткость уменьшается в направлении от внешнего края к внутреннему краю относительно вертикальной оси продольной балки, опорный элемент выполнен в виде монолитного блока из армированного упругого материала с уменьшающейся плотностью заполнения арматурой от одного края к противоположному.

Кроме того, в качестве арматуры в опорном элементе использованы металлические листы разной длины, расположенные один под другим.

Кроме того, в качестве арматуры дополнительно использованы частицы твердого наполнителя, плотность распределения которых уменьшается от одного края опорного элемента к противоположному краю.

Новым по строению с прототипом в заявляемом изобретении является то, что опорный элемент выполнен в виде монолитного блока из армированного упругого материала с уменьшающейся плотностью заполнения арматурой от одного его края к противоположному краю.

Новым также является то, что в качестве арматуры в опорном элементе использованы металлические листы разной длины, расположенные один под другим.

Новым также является то, что в качестве арматуры дополнительно использованы частицы твердого наполнителя, плотность распределения которых уменьшается от одного края опорного элемента к противоположному краю.

Выполнение опорного элемента с уменьшающейся жесткостью и установка его в поперечном сечении пролетного строения так, что жесткость уменьшается в направлении от внешнего края к внутреннему относительно вертикальной оси балки, позволяют минимизировать отрицательные изгибающиеся моменты в плите мостового полотна, возникающие от натяжения шпильки после прохода обращающейся нагрузки. Это происходит вследствие того, что максимальная жесткость опорного элемента в зоне расположения напряжений тяги препятствует изгибу плиты вверх. При этом участок опорного элемента с уменьшающейся жесткостью позволяет исключить отрыв краевого внешнего участка плиты в районе тяги при проходе обращающейся нагрузки за счет плавного прилегания по поверхности опорного элемента. Таким образом обеспечивается повышение надежности работы и долговечности конструкции пролетного строения.

Выполнение опорного элемента в виде единого монолитного блока упрощает конструкцию, повышает эксплуатационную надежность опорного элемента и снижает трудоемкость монтажных работ.

Выполнение опорного элемента из материалов с разной жесткостью, один из которых является упругой основой, а другой используется как арматура, позволяет за счет более плотного заполнения арматурой объема блока с одного края получить опорный элемент с уменьшающейся жесткостью от одного края элемента к противоположному краю.

Армируя монолитный упругий блок жесткими элементами, можно добиться такой закономерности уменьшения плотности заполнения арматурой объема блока, которая обеспечивает эпюру эффективного модуля упругости опорного элемента, соответствующую требуемой вертикальной эпюре давлений от опорного элемента на верхний пояс балки, позволяющей минимизировать отрицательные изгибающие моменты в плите пролетного строения.

Кроме того, путем армирования упругого блока жесткими элементами можно добиться не только минимизации отрицательных изгибающих моментов в плите, но и свести к минимуму кручение поперечного сечения продольной балки за счет создания эпюры эффективного модуля упругости опорного элемента, при которой равнодействующая вертикальной эпюры давления от основной обращающейся нагрузки на верхний пояс балки совпадает с вертикальной осью пролетной балки.

Уменьшение плотности заполнения арматурой упругого блока достигается, в частности, путем армирования упругого монолитного блока металлическими листами разной длины, расположенными один под другим с некоторым шагом армирования по вертикали и установленными с одного края блока.

Выбирая шаг армирования и длину листов, получают требуемую жесткость по длине опорного элемента.

Кроме того, опорный элемент, выполненный в виде блока из упругого материала, армированного металлическими листами, может быть дополнительно армирован частицами твердого наполнителя (например, дробью, металлическими опилками) с уменьшающейся плотностью распределения от одного края блока к противоположному краю, что позволяет достигнуть более точного соответствия между полученной эпюрой и требуемой эпюрой эффективного модуля упругости.

На фиг. 1 изображено поперечное сечение пролетного строения с предлагаемым опорным узлом; на фиг. 2а представлены эпюры эффективного модуля упругости опорного элемента и вертикальная эпюра давления от опорного элемента на верхний пояс балки для предлагаемого опорного узла, на фиг. 2б представлены те же эпюры для опорного узла с опорным элементом, имеющим постоянную жесткость; на фиг. 3а и фиг. 3б представлены те же эпюры при действии обращающейся нагрузки соответственно для предлагаемого опорного узла и опорного узла с опорным элементом, имеющим постоянную жесткость.

Опорный узел пролетного строения моста (фиг. 1) содержит опорный элемент 1, расположенный между плитой 2 пролетного строения и верхним поясом 3 продольной балки 4, а также предварительно напряженную тягу 5, пропущенную через соосные отверстия 6, 7 и 8 соответственно в плите 2, опорном элементе 1 и верхнем поясе 3 балки 4. Тяга 5 расположена на внешних участках плиты 2, опорного элемента 1 и верхнего пояса 3 балки 4 относительно вертикальной оси балки O"-O". На плите 2 расположен рельсовый путь 9, являющийся мостом приложения обращающейся нагрузки Q.

Опорный элемент 1 (фиг. 1, фиг. 2а) выполнен в виде монолитного блока из упругого материала 10 (например, резины), армированного металлическими листами 11 (например, из стали) и частицами 12 твердого наполнителя (например, свинцовой дробью).

Листы 11 выполнены разной длины и расположены в упругом материале 10 один под другим с некоторым шагом h армирования, при этом длина листов 11 увеличивается от верхних к нижним. Плотность распределения частиц 12 уменьшается по длине l опорного элемента. На краевом участке e по длине l опорного элемента 1, имеющем максимальную плотность заполнения арматурой и, следовательно, максимальную жесткость, выполнено отверстие 7 под тягу 5. Таким образом, опорный элемент 1 установлен в опорном узле так, что его жесткость уменьшается в направлении от внешней грани c к внутренней грани d относительно оси O"-O".

Путем армирования достигают требуемого изменения эффективного модуля упругости опорного элемента 1 по его длине l.

На фиг. 2а представлен пример выполнения опорного элемента 1, эффективный модуль упругости E₁ которого имеет максимальное постоянное значение на краевом участке e, а далее линейно уменьшается до некоторого значения.

Давление P₁, возникающее при натяжении тяги 5, передаваемое от опорного элемента 1 на верхний пояс 3 балки 4, имеет наибольшее значение на участке e максимальной жесткости. При этом вертикальная эпюра давления P₁ имеет ярко выраженный максимум в месте расположения напряженной тяги 5. Опорная нагрузка от плиты 2 оказывается в основном сосредоточенной на участке e опорного элемента 1, при этом отрицательный момент в плите 2 резко снижается.

Деформационные смещения, возникающие в опорном элементе 1 при натяжении тяги 5, оказываются локализованы в зоне расположения тяги 5, при этом деформационные смещения в указанной зоне не велики. Деформационные смещения U выражаются зависивостью U= P₁/E₁. На рассматриваемом участке опорного элемента 1 значение давления P₁ максимально, но и значения эффективного модуля упругости E₁ также имеют максимальное постоянное значение. Таким образом, натяжение тяги 5 не приводит к сильной деформации опорного элемента 1.

Для сравнения на фиг. 2б приведены те же эпюры для опорного узла с использованием опорного элемента, имеющего постоянную жесткость по длине l. Такой опорный элемент имеет постоянный по длине l эффективный модель упругости E₂ (E₂= cоnst). Вертикальная эпюра давления P₂ от опорного элемента на верхний пояс продольной балки не имеет локализованного участка с ярко выраженным максимумом. Давление P₂ распределено по всей поверхности опорного элемента. При натяжении тяги плита мостового полотна приобретает отрицательный изгибающий момент M в пределах рабочего пролета, что снижает надежность работы пролетного строения.

В опорном элементе возникают деформационные смещения по всей его длине, что снижает долговечность опорного узла.

При действии обращающейся нагрузки Q плита мостового полотна приобретает положительный изгибающий момент M. Давление от опорного элемента на верхний пояс балки может привести к значительному кручению поперечного сечения продольной балки относительно оси кручения (O"-O").

На фиг. 3а показан пример выполнения опорного элемента 1, у которого путем армирования получена эпюра эффективного модуля упругости E₃, обеспечивающая вертикальную эпюру давления P₃ от опорного элемента 1 на верхний пояс 3 балки 4, равнодействующая N₁ которой совмещена с вертикальной осью O"-O" балки 4. При этом минимизируется кручение поперечного сечения балки 4.

Для сравнения на фиг. 3б приведены те же эпюры для опорного узла с использованием опорного элемента, имеющего постоянную жесткость.

Такой опорный элемент имеет постоянное значение эффективного модуля упругости E₄ (E₄=const) по длине l. Равнодействующая N₂ вертикальной эпюры давления P₄ поперечного элемента на верхний пояс балки смещена относительно оси O"-O", что приводит к кручению поперечного сечения продольной балки.

Таким образом, предлагаемый опорный узел прост по конструкции, удобен в монтаже и при этом обеспечивает эксплуатационную надежность работы за счет оптимизации распределения напряжений от действующих нагрузок между элементами пролетного строения моста.