Как рассчитать мост

Перво-наперво получаем само задание на проектирование, в самом задании есть уже все изыскания (геологические, геодезические и т.д., не всегда имеются, конечно, но в данном примере уже были все данные на проектирование) . Нам нужен электронный (формата AUTOCad) вариант чертежа плана-развязки в координатах и в масштабе. Это будет самой главной основой проектирования нашего моста. Красным овалом обведен непосредственно наш участок дорожной развязки

Вот поближе требуемый участок развязки. По заданию надо запроектировать 5-пролётный неразрезной сталежелезобетонный мост. Производится примерная разбивка (желтые линии – это основные конструктивные размеры) мостового перехода на пролеты (в несколько десятков этап согласований и прочей бумажной волокиты). В данном примере видим, что длины пролетов будут примерно равны (не придирайтесь по поводу размеров по дуге и т.д. – это просто наглядный пример и общий обзор как примерно это все происходит): 52,83 м + 53,34 м + 62,22 м + 77,02 м + 62,24 м. Итого будущая длина нашего мостового перехода будет равна примерно 307.65 м, что относится к внеклассным мостам.

Далее происходит окончательная детальная разбивка мостового перехода на пролетные строения, а пролетные строения – на блоки. В данном случае видно, что основой пролетного строения моста идут 3 «направляющих» или 3 главные балки. Вид сверху на пролетное строение:

Давайте посмотрим пару разрезов (6-6 и 7-7, например) и что собственно из себя представляет конструкция пролетного строения моста. Как уже выше сказано: три главных (несущих) элемента – главные балки. Они соединяются между собой перемычками или поперечными балками для совместной работы, поперечные балки по краям – это консоли для развития габарита проезжей части. Указываются все размеры конструкции вдоль/поперек/на плане. «Почему завален горизонт у пролета?», - скажете вы. «Во-первых чтоб водичка стекала», - скажу я. А во-вторых мост находится на вираже, на небольшом, но все же вираже, уклон поперек тут необходим по всем нормам и правилам. Опоры, на которые опирается (ну масло-масляное, никак без него) пролетное строение тут не показаны. Суть поста – расчет пролетного строения моста, а не опор (если будет интересно-сооружу тему о расчете опоры)

Разрабатываем основную расчетную схему моста, она будет основана на применении плитно-стержневой системы. Интерфейс программы скрыл – смысловой нагрузки не вижу.
Начинаем с проектирования «каркаса» балок пролетного строения в расчетной программе (кто в курсе – основываемся на расчетах конструкций из конечных элементов). Каждый отрезок между красными точками – это элемент главной балки пролетного строения. Черно-зеленые точки – это места опирания пролетного строения на опоры (в программе это выглядит как запрет перемещения конструкции в этой точке в том или ином напралении).

Добавляем поперечные балки и консоли

Жестко связываем их между собой специальными «крепежами» для совместной работы (иначе называется – жесткая вставка). Для наглядности я вырезал кусок пролетного строения чтобы имели общее представление.

Общий вид всей стержневой конструкции. Визуализацию точек, ограничивающих отрезки элементов убрал, итак мясо. Но разобрать главные балки, поперечные балки и консоли, жесткие вставки можно. Для наглядности общих масштабов строения:

Расчетная схема, состоящая из стержней, или конечных элементов готова. Теперь нужно описать каждый стержень (элемент), дать ему форму и материал.
- Для описания главной балки мы используем коробчатое сечение, назначаем толщины стенок и поясов. Пока все 3 балки главных по всей длине будут иметь именно это поперечное сечение (забегая вперед скажу, что это не окончательный вариант, а всего лишь первая итерация, далее пойдет подбор поперечных сечений в зависимости от результатов расчета, их может быть любое количество, пока подбор не удовлетворит всем нормам и правилам). Как правило, в первой итерации (другими словами – в первом приближении) толщины листов стенок и поясов придаются исходя из опыта.
-Для описания поперечной балки и консоли мы возьмем двутавр и снова зададим сечение, придав толщины стенке и поясам (так же опытным путем назначаются).
-Ну и назначим материал нашим конструкциям, описав в окошке его характеристики, в данном примере описаны характеристики мостовой стали марки 15ХСНД.

Самый интересный этап. Нужно «одеть» поперечные сечения на наши стержни. По-другому говоря – назначить конечным элементам характеристики поперечного сечения и материала. Одеваем, визуализируем:

Металлическая часть пролетного строения готова. Приступаем к проектированию железобетонной плиты. Назначаем ей толщину, материал (в данном случае – это бетон марки В35 и кусок за куском укладываем ее на наш металл. Обратите внимание, что те жесткие связи, которые соединяют главные балки и поперечные имеют также и общие узлы с плитой, это все для того чтобы модел работала совместно.

Полностью покрываем плитой наше металлическое пролетное строение. Общий вид:

Далее нам нужно смоделировать все постоянные внешние нагрузки, которые испытывает наше строение, а это: вес от асфальта (как смоделирована нагрузка от асфальта – на вырезке в картинке), вес от барьерного ограждения, перильного ограждения, вес от опалубки, которая формирует железобетонную плиту, ну и др. Все нагрузки задаются в виде сил, приложенных к стержням или плитным элементам

Итак, приступаем к следующему интересному моменту проектирования, нужно задать временную нагрузку, т.е. поток автомобилей, движущихся по мосту. В нормах и правилах есть стандартный (эталонный) автомобиль, именно на эталонные нагрузки и будем рассчитывать пролетное строение. Перво-наперво, нужно определиться, сколько полос движения имеет данный участок трассы, по заданию – это 6 полос движения. Рассмотрим все возможные варианты движения автомобилей для поиска самого невыгодного решения (все расчеты ведутся на самые критические и невыгодные положения нагрузок, которые в принципе случиться не могут - это так называемый запас расчетов)

Итак, «рельсы» (или полосы движения) заданы, теперь, чтобы по ним двигался автомобиль, нужно его математическое описание:
1 Количество осей у автомобиля (2 оси у легкового, на каждой по 2 колеса, окей?)
2 Нагрузка на 1 ось (14,276 тонн – только на 1 ось). Т.е. масса эталонного автомобиля будет равна 28,552 тонны («Много», - скажете вы. «Таковы правила», -скажем мы .
3 Расстояние между осями – 1.5 метра.
4 Равномерная нагрузка от потока транспортного (на 1 метр полосы приходится аж 1,4276 тонн), дело в том, что в каждой из шести полос, указанных выше будет находится всего лишь 1 такая «машинка» (тележка по правильному) и нагрузка от транспортного потока (это эквивалентно тому, если бы вы поставили эталонные тележки друг за другом по всему мосту). Тут тоже ничего не поделать, таковы правила.

Congratulations!!! Наступает момент истины и мы нажимаем кнопку «РАСЧЕТ» Программа сама расставляет автомобиль в самое невыгодное положение, ищет всевозможные варианты размещения транспорта на мосту как вдоль, так и поперек….. считает…. еще считает…снова считает… выйдем покурим… ОП… ГОТОВО!
Начинаем вспоминать цель нашего расчета – ага, нужно подобрать все сечения металлических коробок или главных несущих элементов моста – пролетного строения. Визуализируем итоговые напряжения, полученные при расчете, опять напоминаю, программа (да и все подобные программные комплексы) сама рассчитывает наиневыгоднейшее положение всех нагрузок.
Давайте посмотрим как же распределились напряжения в главных балках:
А пока Вы смотрите, я поясню, что напряжения – это мера внутренних сил, возникающих в деформируемом теле, под влиянием различных факторов. Грубо говоря, под действием внешних сил (машин, нагрузки от асфальта, снега и т.д.) материал деформируется, но у каждого материала есть участок деформаций, который не оказывает пагубного влияния на материал. У каждого материала этот предел свой. Так вот смысл постоянных итераций (см. п. 11) – это прослеживание критических напряжений в конструкции, чтобы возникающие напряжения не превышали предельно-допустимых напряжений, которые готова выдержать наша мостовая сталь. Путем мониторинга этих напряжений мы и будем увеличивать или уменьшать толщины стенок и поясов (верхних и нижних листов) в конструкции. Так же можно отследить абсолютно любой элемент в конструкции, можно узнать в какой момент времени, и при каком положении нагрузок этот элемент будет максимально страдать 

Итог-основы расчета я Вам изложил, немного познакомив Вас с проектированием и расчетом мостов, теми объектами, которые Вы видите каждый день, по которым Вы проезжаете, которые постоянно ремонтируют. В качестве бонуса выложу еще развесёлую расчетную картинку, гифку ну и пару фотографий результата кропотливого проектирования и расчетов.
Давайте рассмотрим элемент в главной средней балке посередине второго пролёта, при каких же обстоятельствах он будет максимально нагружен. Ага, если поставить над ним 6 тележек (1) (каждая желтая линия обозначает нагрузку от колеса тележки), и поток транспорта (2) из шести полос расположим во втором и в четвертом пролетах. При этом в точке (4) возникнет максимальное усилие.

А это итоги кропотливых расчетов, чертежей, согласований на всех уровнях:

Еще

Вид снизу еще

Ну ипоследняя картинка как это видят водители со своих теплых и нагретых мест. На этом сворачиваемся, краткий обзор закончен.