Проектування металевого мосту

КУРСОВА РОБОТА

На тему: "Проектування металевого мосту"

Зміст

Вступ

. Визначення зусиль в елементах металевої ферми

.1 Визначення постійного навантаження від металевої ферми та елементів прогонової будови

.2 Визначення зусиль в елементах металевої ферми від постійного та тимчасового навантаження

2. Підбір перерізів елементів металевої ферми та їх перевірка

2.1 Підбір перерізів елементів металевої ферми

.2 Перевірка перерізів елементів металевої ферми

.3 Розрахунок прикріплення стержнів до вузла головної ферми за допомогою болтів

Висновок

Література

Вступ

Проектування штучних споруд - складний процес, керівництво яким повинне проводитися висококваліфікованими інженерами.

Проектування штучних споруд в сучасних умовах розвивається за рахунок розробки нових ефективних конструктивних форм, вдосконалення методів розрахунку, застосування нових матеріалів, використовування ЕОМ для розрахунків, конструювання елементів мостів і видачі їх робочих креслень.

Приступаючи до роботи над курсовою роботою, студент повинен оволодіти методикою виконання просторових розрахунків стосовно типових прогонних будов мостів. Уміти правильно застосовувати сучасні ЕОМ для проектування нових споруд і використовування резервів несучої здатності експлуатованих конструкцій.

1. Визначення зусиль в елементах металевої ферми

.1 Визначення постійного навантаження від металевої ферми та елементів прогонової будови

Для розрахунку ваги погонного метру двох головних ферм мостів з їздою понизу за формулою проф. Н.С. Стрелецького необхідно визначити коефіцієнти поперечного розподілу для навантаження А15 (, ), для навантаження НК-100 () та для натовпу (). Для ферм з їздою понизу коефіцієнти поперечного розподілу визначають за законом важеля [1, 2].

Розрахунок коефіцієнтів поперечного розподілу для різних навантажень виконуємо за допомогою програми "КПУ", яка розроблена в "Mathcad". Для розрахунку необхідно підготувати вихідні дані (рисунок 1.1).

Хід розрахунку ваги погонного метру головних ферм мостів з їздою понизу за формулою проф. Н.С. Стрелецького [2].

Визначимо власну вагу проїзної частини та тротуарів

(1.1)

де  - вага полотна проїзної частини;

 - вага плити проїзної частини;

 - вага балочної клітки проїзної частини;

 - вага покриття тротуару;

 - вага плити тротуару;

 - вага балочної конструкції тротуару;

 - кількість ферм в поперечному перерізі;

Т - ширина тротуару;

Г - мостовий габарит.

Визначаємо еквівалентне навантаження на головну ферму від смуги тимчасового рухомого навантаження А15 (V == 14,7 кН/м), максимальне еквівалентне навантаження на головну ферму від тандема тимчасового рухомого навантаження А15, розташованого в чверті прогону ферми (), максимальне еквівалентне навантаження на головну ферму від тимчасового рухомого навантаження HK-100, розташованого в чверті прольоту ферми () та еквівалентне навантаження на головну ферму від дії тротуарного навантаження ().

Максимальне еквівалентне навантаження на головну ферму від тандема тимчасового рухомого навантаження А15 та HK-100, розташованого в чверті прогону ферми можна визначити за допомогою програми "Еквівалентне навантаження", яка розроблена в "Mathcad".

Еквівалентне навантаження на головну ферму від дії тротуарного навантаження

(1.2)

де l - довжина лінії впливу зусилля.

Еквівалентне навантаження на головну ферму від дії тимчасового рухомого навантаження

А15

,(1.3)

- тандем

,(1.4)

- смуга

,(1.5)

- пішоходи

,(1.6)

HK-100

,(1.7)

де , , ,  - коефіцієнти поперечного розподілу для навантаження від тандема, смуги, пішоходів та НК-100;

, , ,  - коефіцієнт надійності для навантажень від тандема, смуги, пішоходів та НК-100;

, , ,  - динамічний коефіцієнт для навантажень від тандема, смуги, пішоходів та НК-100.

Вага металу головних ферм за формулою проф. Н.С. Стрелецького від дії тимчасового рухомого навантаження [2]

А15 (1-й розрахунковий випадок)

,(1.8)

HK-100

,(1.9)

де а, b - характеристики ваги, різні для різних типів прогонових будов (таблиця 1.1 [2]);

 - коефіцієнт надійності від постійного навантаження;

 - розрахунковий опір металу ферми;

 - щільність металу ферми;

 - розрахунковий прогін металевої ферми.

Повне навантаження на головну ферму визначається вибором максимального значення серед отриманих раніше навантажень від А15 та НК-100.

 (1.10)

де  - вага проїзної частини та тротуарів на один погонний метр;

 - максимального значення серед отриманих раніше ваг ферми від навантажень А15 та НК-100 ();

 - власна вага перил на один погонний метр;

 - власна вага зв'язків на один погонний метр.

Розрахунок постійного навантаження на один погонний метр однієї головної ферми можливо виконувати за допомогою програми "Навантаження на головну ферму", яка розроблена в "Mathcad".

1.2 Визначення зусиль в елементах металевої ферми від постійного та тимчасового навантаження

навантаження ферма металевий прогоновий

Розрахунок на тимчасове навантаження варто робити з використанням еквівалентних рівномірно розподілених навантажень від А15 та НК-100.

2. Підбір перерізів елементів металевої ферми та їх перевірка

.1 Підбір перерізів елементів металевої ферми

Дуже відповідальним елементом ферми є панель верхнього (стиснутого) пояса, яка найбільш працює. Підбір перерізів звичайно починається з цього елемента використовуючи сортамент листової сталі [3]. Його основні розміри визначають ширину всіх елементів b, яка повинна бути по можливості постійною для зручного примикання елементів у вузлах, і висоту h елементів поясів, що також роблять постійною з метою спрощення конструкції.

Для призначення h і b можна скористатися формулами:

- висота перерізу поясу, см

  , (2.1)

де  - прольот головної ферми в метрах;

 - теоретична довжина стержня.

- ширина перерізу поясу, см

(2.2)

Формули 2.1 та 2.2 є чисто емпіричними і дозволяють одержати основні розміри з точністю до ±10 см.

Необхідну площу перерізів елементів ферми орієнтовно визначають:

- для елементів верхнього (стиснутого) поясу

,(2.3)

- для елементів нижнього (розтягнутого) поясу

 чи

де перше вираження відноситься до елементів, у яких враховують ослаблення заклепувальними отворами, а друге вираження - до елементів, у яких ослаблення не враховують (наприклад, при влаштуванні в зварених елементах компенсаторів у вузлах).

- для стиснутих розкосів ;

- для розтягнутих розкосів ,

де - зусилля в елементах ферм від розрахункових навантажень;

 - розрахунковий опір, узятий із запасом у 10 МПа через роботу елементів на вигин від власної ваги;

,82, 0,85, 0,6 та 0,7 - орієнтовані значення коефіцієнтів поздовжнього вигину φ.

Необхідно дотримуватися конструктивним вимогам при підборі перерізу [7]. Знаючи необхідну площу кожного перерізу брутто , висоту і ширину перерізу, підбирають розміри його елементів.

Найменша товщина деталей елементів ферми приймається за розрахунком на міцність, стійкість, витривалість, жорсткість, коливання, але не менш ніж указано в таблиці 2.1.

Таблиця 2.1 - Найменша товщина елементів для автодорожніх мостів

При підборі повинні бути дотримані наступні конструктивні умови [4]:

найбільша товщина листів у зварених перерізах для елементів з вуглецевої та низьколегованої сталі - 60 мм;

найбільша товщина листів в стикових накладках та вузлових фасонних листах при застосуванні фрикційних з’єднань - 16 мм.

У головних фермах матеріал елементів коробчастого та Н-подібного перерізу повинен бути концентрований в листах, що розташовані у площині ферми.

У складених елементах ферм відношення розрахункової ширини до товщини листів не повинно перевищувати наступних величин:

у горизонтальних листах Н-подібних елементів - 45;

у листах з вільними звисами - 20.

У стиснутих елементах Н-подібного перерізу товщина горизонтального листу повинна складати від товщини з’єднаних листів δ не менш:

у зварених та прокатних елементах - 0,5×δ при δ > 24 мм;

у зварених та прокатних елементах - 0,6×δ при δ ≤ 24 мм.

Поздовжні з’єднувальні кутові шви Н- подібних елементів повинні мати розрахункову висоту перерізу не менш 4 мм.

Довжина кутового лобового та флангового шва повинна бути не менш 60 мм та не менш шестикратного розміру катету шва.

2.2 Перевірка перерізів елементів металевої ферми

Після орієнтованого підбора перерізів елементів виконується докладна їхня перевірка.

Стиснуті елементи повинні бути перевірені на міцність і стійкість при випинанні в площині і з площини ферми; крім того, їхня максимальна гнучкість не повинна перевищувати нормативних величин [4].

Розтягнуті елементи повинні бути перевірені на міцність, їхня найбільша гнучкість також не повинна перевищувати нормативних величин [4].

Стиснуто-розтягнуті елементи повинні бути перевірені і як стиснуті, і як розтягнуті; їхня гранична гнучкість не повинна перевищувати норм для стиснутих елементів.

Крім перевірки на міцність і стійкість, а також гнучкості елементів, у даний час потрібна перевірка їх на витривалість. Однак в автодорожніх мостах ця перевірка може мати вирішальне значення тільки в елементах, що працюють на знакоперемінні зусилля.

При перевірці напруг (при розрахунках на міцність і стійкість) варто враховувати роботу елементів, крім поздовжніх сил, на місцеві моменти від власної ваги і від ваги зв'язків, якщо вони прикріплені до елементів у проміжних перерізах.

Момент від власної ваги елемента (для середини елемента і його кінців)

,(2.4)

де g_вв - вага одного погонного метру елемента ферми;

 - довжина елемента ферми;

,8 - коефіцієнт, що враховує пружне закладання елемента у вузлах;

α - кут нахилу елемента до горизонту.

При перевірках визначають найбільші напруги, що не повинні перевищувати розрахункового опору R_y, чи при розрахунку на витривалість γ_w×R_y, де γ_w - коефіцієнт зниження розрахункового опору [4].

Перевірка на міцність виконується за формулою

, (2.5)

де - повздовжнє зусилля в елементі, що розраховується;

 - коефіцієнт, згідно [4];

 - коефіцієнт, який ураховує обмежений розвиток пластичних деформацій [4];_max - найбільша відстань від нейтральної осі до крайнього волокна елементу;  - коефіцієнт умов праці, приймається рівним 1,0 [4].

Якщо при цьому розрахунковий переріз не ослаблений, то можна вводити в розрахунок  і .

Приведений згинальний момент при гнучкості λ більш 60 для перерізів у межах середньої половини довжини стержня

 ,  (2.6)

де - найбільше повздовжнє зусилля від нормативних навантажень з його знаком (+ розтягання, - стиск);

 - ейлерова критична сила у площині дії моменту при гнучкості λ більш 60;

,(2.7)

де  - модуль пружності стали ферми;

 - момент інерції брутто елемента ферми;

 - довжина елемента ферми;

При гнучкості λ £ 60 допустимо приймати .

Формула 9.6 враховує чи збільшення чи зменшення згинального моменту внаслідок ексцентричної дії подовжніх сил N при вигині елемента під дією М_вв.

Перевірка на стійкість стиснутих елементів ферм

, (2.8)

де - площа брутто елемента ферми;

φ - коефіцієнт зниження несучої здатності при стиску з вигином (чи при центральному стиску), прийнятий за таблицями [5] у залежності від гнучкості та відносного ексцентриситету.

Гнучкість елементу ферми у площині вигину

, (2.9)

де  - розрахункова довжина елементу;

і - радіус інерції перерізу відносно вісі, перпендикулярної площині найбільшої гнучкості (площині вигину), ,

Відносний ексцентриситет в площині вигину

,(2.10)

де  - розрахунковий ексцентриситет;

 - ядровий радіус за напрямом ексцентриситету e.

При перевірці стійкості за формулою 2.8 необхідно визначати гнучкість для випадків утрати стійкості в площині λ_x і з площини λ_у ферми.

Розрахункову довжину l_ef для елементів поясів і крайніх розкосів приймають між вузлами зв'язків. У фермах із простими решітками вона дорівнює: у площині ферми - теоретичній довжині елемента, а з площини ферми - теоретичній довжині, якщо вузли зв'язків збігаються з вузлами ферми, чи частини цієї довжини, якщо вузли зв'язків розташовані частіше вузлів ферм.

Розрахункова довжина для розкосів і стояків при простих решітках звичайно дорівнює: у площині ферми - 0,8 теоретичної (через закладення кінців у вузлових фасонках), а з площини ферми - відстані між вузлами зв'язків, якщо ці вузли збігаються з вузлами ферм - повній теоретичній довжині.

Якщо переріз елемента складається з двох віток, з'єднаних між собою тільки планками, перфорованими листами або решітками, то гнучкість при випинанні в площині сполучних елементів визначають як приведену.

Гнучкості розтягнутих елементів визначаються так само, як гнучкості стиснутих елементів.

Перевірка перерізу елемента металевої ферми на гнучкість має такий вигляд

l_x < l_пред, l_y < l_пред (2.11)

Для стиснутих та стиснуто-розтягнутих елементів головних ферм; розтягнутих елементів поясів головних ферм - l_пред = 120 [4], а для розтягнутих елементів головних ферм, крім поясів; елементів, які служать для зменшення розрахункової довжини  - l_пред = 150.

Підбір Н-подібного перерізу елементів металевої ферми можливо виконувати за допомогою програми "Підбір перерізу елементу головної ферми", яка розроблена в "Mathcad".

.3 Розрахунок прикріплення стержнів до вузла головної ферми за допомогою болтів

Кількість високоміцних болтів в з’єднанні при дії повздовжньої сили, що проходить через центр ваги перерізу

,(2.12)

де  - коефіцієнт умов роботи, приймаємо згідно табл. 60 [2];

 - розрахункове зусилля на один болтоконтакт;

 - кількість контактів в з’єднанні.

Розрахункове зусилля, що може бути сприйнято кожною поверхнею тертя з’єднання елементів, що стиснуті одним високоміцним болтом (один болтоконтакт)

,(2.13)

де Р - зусилля натягання високоміцного болту;

m - коефіцієнт тертя залежить від способу обробки контактних поверхонь, приймаємо згідно таблиці 4.10 [4];

g_bh - коефіцієнт надійності, приймаємо згідно таблиця 4.35 [4].

При способі обробки контактної поверхні у фрикційних з’єднаннях - піскоструменева або дробоструменева обробка двох поверхонь кварцовим піском або дробом без наступної консервації - m = 0,58.

Зусилля натягання високоміцного болту

,(2.14)

де  - істинна площа перерізу болта (таблиця 2.2);

 - коефіцієнт умов роботи високоміцних болтів при натяганні їх крутним моментом, дорівнює 0,95;

 - розрахунковий опір високоміцного болту розтягненню.

= 0,7 × ,(2.15)

де  - найменший тимчасовий опір високоміцних болтів розриву [5], для сталі 40Х = 1100 МПа.

Високоміцні болти, що застосовуються для з’єднання елементів у вузлі головної ферми, повинні бути однакового діаметру. Діаметр високоміцних болтів, що застосовуються в мостобудуванні, приведено в таблиці 2.2.

Таблиця 2.2 - Геометричні розміри високоміцних болтів

Для стали 40Х .

Приймаємо для розрахунку діаметр болта 22 мм, згідно площа перерізу болта 3,03 см².

Зусилля натягання високоміцного болту

.

Розрахункове зусилля, на один болтоконтакт при кількості болтів ³ 20

.

Розрахункове зусилля, на один болтоконтакт при кількості болтів 5-19

.

Визначення кількості болтів для вузлового з’єднання лівого пояса

.

Приймаємо n = 28 шт.

Визначення кількості болтів для вузлового з’єднання правого пояса

.

Приймаємо n = 16 шт.

Визначення кількості болтів для вузлового з’єднання лівого розкоса

.

Приймаємо n = 6 шт.

Визначення кількості болтів для вузлового з’єднання правого розкоса

.

Приймаємо n = 10 шт.

Визначення кількості болтів для вузлового з’єднання підвіски

.

Приймаємо n = 0 шт.

Висновок

Розташування монтажних стиків повинне бути погоджене з пропонованою послідовністю зборки прогонової будови.

Після підбору перерізів усіх елементів заданого вузла і розрахунку високоміцних болтів необхідно сконструювати цей вузол. При підборі перерізів стержнів бажано їхні генеральні розміри прийняти так, щоб усі стержні могли бути зв'язані з двох сторін фасонками-накладками. Розміщення високоміцних болтів повинне підкорятися правилам [4], але мінімальна відстань між осями болтів повинна бути не менш  з умови зручності закручування гайок.

Типи вузлів наскрізних ферм зі сполученими з ними монтажними стиками. Вузли наскрізних ферм поділяються на три типи:

- вузли з безпосереднім з'єднанням елементів, що сходяться, (наприклад, у примиканнях підвісок і стояків у додаткових вузлах ферм);

- вузли на фасонних вставках;

- вузли на фасонних накладках.

У вузлах на фасонних накладках переріз пояса проходить через вузол, не перериваючись. У вузлах на фасонних вставках останні вводять у пояс на місце вертикальних листів, що переривають і перекривають стики накладками. Якщо довжина фасонок виходить невеликою (у малих і середніх фермах), більш економічно застосовувати фасонні накладки. У важких і потужних фермах при великій довжині фасонок вигідніші фасонні вставки. В даний час частіше застосовують вузли на фасонних накладках, більш зручні в монтажі.

Вузли зварених ферм із клепаними монтажними з'єднаннями. У фермах із гнучкими поясами Н-подібного перерізу стики розташовують найчастіше по осях вузлів, використовуючи фасонки як зовнішні накладки. З внутрішньої сторони стики вертикальних листів перекривають вузькими накладками, розділеними горизонтальним листом пояса.

У стиснутих поясах вертикальні листи доводять безпосередньо до стиків, оскільки їхнє ослаблення заклепувальними отворами не впливає на розміри перерізу, які призначені з умови розрахунку на стійкість за А_br [2].

У розтягнутих поясах доцільно обривати вертикальні листи поза вузлами і приварювати до їхніх кінців компенсатори, стик яких і перекривається вузловими накладками (фасонкою і вузькими накладками). Товщину компенсатора δ_к призначають при цьому такою, щоб його переріз нетто був приблизно рівним перерізу листа брутто, тобто з рівняння

,(2.16)

де h і δ - висота вертикального листа та його товщина;

δ_к - товщина компенсатору;- число отворів заклепок у поперечному перерізі компенсатора;

- діаметр отвору.

Стики горизонтальних листів Н-подібних зварених перерізів розташовують також у вузлах і перекривають накладками.

Литература

Бугаєвський С.О., Краснов С.М. Методичні вказівки до курсової роботи з дисциплін "Проектування мостів" та „Мости на автомобільних дорогах" (розділ „Розрахунок металевої ферми") для студентів спеціальності 7.092106 та 7.092105. - Харків: ХНАДУ, 2010. - 40 с.

Поливанов Н.И. Проектирование и расчет железобетонных и металлических автодорожных мостов. Учебное пособие. - М.: Транспорт, 1970. - 516 с.

Корнеев М.М. Стальные мосты: Теоретическое и практическое пособие по проектированию. - К., 2009. - 547 с.

ДБН В.2.3-14:2006. Мости та труби. Правила проектування. - К.: Держбуд України, 2009. - 360 с.

5 СНиП II-23-81^*. Стальные конструкции. Нормы проектирования / Госстрой СССР. - М.: Стройиздат, 2008. - 96 с.