Общие сведения об автодорожных нагрузках

Автодорожные нагрузки также прошли длительную эволюцию, которая интенсивно продолжается на момент написания этой главы.

Исторически автодорожные нагрузки вышли из нагрузок от гужевого транспорта. На рисункеРисунок 20 в качестве примера дана «тяжёлая фура» из норм 1891г.

На мосту в продольном и поперечном направлении устанавливалось несколько таких фур. В связи с большой сложность расстановки и определения усилий для таких нагрузок, вскоре они были заменены равномерно распределённой нагрузкой 400кг/м², что соответствует современной нормативной нагрузке для пешеходных мостов.

Рисунок 20. Нагрузка из норм 1891г. Сверху расстояния между осями в метрах, снизу силы от каждой оси в тоннах.

Пропустив ряд нагрузок, остановимся на Н-30, которая была проектной до 1984г. Эта нагрузка ещё актуальна для некоторых областей эксплуатации мостов и именно по ней назначается ограничения по грузоподъёмности для эксплуатируемых мостов. Нагрузка представлена на рисункеРисунок 21.

Рисунок 21. Схема нагрузки Н-30. Сверху расстояния между осями в метрах, снизу подписаны силы от каждой оси в тоннах.

Эта схема состояла из колонны грузовиков по 30т каждый. Загружение могло производится как осями сосредоточенных нагрузок, так и с помощью аппарата эквивалентных нагрузок.

Рассмотрим действующую нагрузку для проектирования А14 и Н14.

Первая нагрузка представляет собой полосу автотранспорта, включающую в себя одну перегруженную тележку грузовика. Состоит из распределённой нагрузки, интенсивностью 14кН/м и двух сил по 140кН, каждая. Схема нагрузки представлена на рисунке Рисунок 22 и Рисунок 23.

Такая нагрузка принимается как часто обращающаяся, поэтому участвует во всех расчётах (в том числе и на выносливость).

Рисунок 22. Схемы автодорожных нагрузок А14 и Н14.Расстояния в метрах, усилия в кН, кН/м.

Пара сил в нагрузке А14 называют «тележкой», распределённая нагрузка иногда называют «полосовой» нагрузкой.

Тележка устанавливается над экстремальным значением линии влияния. По длине моста устанавливается только одна тележка в полосе. Полосовая нагрузка располагается над участками одного знака (только над положительными или только над отрицательными).

Ширина колеса (для расчёта на местную нагрузку) вдоль движения принимается равной 0,2м, поперёк – 0,6м.

Нормативное усилие от одной полосы А14 будет определяться по формуле –

Где – сума ординат под осями тележки,

P – сила от одной оси, равная 140кН (14,27тс)

v – распределённая нагрузка, равная 14кН/м (1,427тс/м).

Ω – площадь линии влияния под распределённой нагрузкой.

Рисунок 23. Пространственные схемы автодорожных нагрузок А14 и Н14.Расстояния в метрах.

Для треугольной линией влияния с характеристиками λ, α и максимальной ординатой a, эта формула преобразуется в –

По аналогии с железной дорожной нагрузкой можно определить для А14 эквивалентную нагрузку.

Эта зависимость отражена на рисунке Рисунок 24. Эквивалентная нагрузка для А14 для α = 0 и α = 0,5. Даны расчётные и нормативные значения нагрузки.Рисунок 24.

Рисунок 24. Эквивалентная нагрузка для А14 для α = 0 и α = 0,5. Даны расчётные и нормативные значения нагрузки.

Динамический коэффициент вводится только к тележке, так как считается, что колебания полосовой нагрузки уравновешивают друг друга. Он обозначается 1+μ и равен:

1,4 – для расчёта стальных и сталежелезобетонных мостов, а также для расчёта элементов проезжей части;

1,3 – для железобетонных пролетных строений, тонкостенных пустотелых (незаполненных) и стоечных опор мостов;

1,0 – для деревянных мостов;

1,0 для расчёта железобетонных труб и подземных переходов на автомобильных дорогах.

1,0 для железобетонных (бетонных) массивных опор, грунтовых оснований и всех фундаментов

Коэффициент надёжности по нагрузке А14 равен:

1,5 – для тележки;

1,25 – для равномерно распределённой нагрузки. (По СП 2011-го года γ был равен 1,15).

Нагрузка А14 учитывается совместно с «пешеходами». По СП 2.05.03-84* эти нагрузки учитывались совместно, только если временная нагрузка находилась на проезжей части вне полосы безопасности (об этом далее в главе «коэффициент поперечной установки»).

По ГОСТ-у 2015-го года количество полос А14 на мосту устанавливается с учётом расчётной ширины полосы движения в 3 метра, то есть ширина проезжей части (включая полосы безопасности) делится на 3 и округляется в меньшую сторону. По СНиП-у 2.05.03-84* и по СП количество полос назначалось исходя из категории дороги.

Коэффициент полосности для A14 равен –

1,00 для полосы, дающей максимальное усилие;

0,60 для второй по усилиям полосы;

0,30 для всех последующих полос.

По СП коэффициент полосности для первой полосы был равен 1, для всех последующих 0,6.

По СНиП-у 2.05.03-84* для первой полосы – 1.0, для последующих 0,6, при том 0,6 вводилось только к полосовой нагрузке. Для тележки при всех случаях коэффициент поперечной установки оставался равен единице.

Торможение учитывается только от нагрузки А14. Интенсивность равна 50% от веса полосовой нагрузки (вес тележек не учитывается), но не менее 7,8*K (кН) и не более 24,5*K (кН) с каждой полосы загружения (с умножением на коэффициент полосности s₂).

Продольную нагрузку от торможения для автодорог необходимо учитывать со всех полос одного направления, а если в перспективе предусматривается перевод движения на одностороннее – со всех полос движения.

С учётом того, что теперь количество полос назначается не по категории дороги, а исходя из того, сколько автомобилей поместится в габарит, следует предполагать и в схемах на торможение увеличенное количество полос в каждом направлении. Подробнее про расчёт на торможение будет в следующей части наших учебных пособий.

Нагрузка Н14 является редкой, особо тяжёлой и пропускается в специальном режиме. Вместе с тем, усилия от неё обычно меньше усилий от А14. Это связано с тем, что она учитывается только на одной полосе движения и без пешеходной нагрузки. Схема к ней представлена на рисункеРисунок 22 и Рисунок 23. Нагрузка так же устанавливается над экстремальным значением линии влияния. Ширина колеса вдоль движения 0,2м, поперёк – 0,8м. Динамический коэффициент для расчёта мостов не вводится.

1+μ = 1,0 (1+μ = 1,3 для Н14 при расчёте деформационных швов).

Коэффициент надёжности по нагрузке равен 1,10.

Нагрузку Н14 не учитывают совместно с временной нагрузкой на тротуарах, с сейсмическими нагрузками, а также при расчётах по выносливости. При расчётах по второму предельному состоянию (трещиностойкость, прогибы) эта нагрузка принимается с коэффициентом 0,8. Раньше она не учитывалась и в расчётах на трещиностойкость.

Для получения максимума при загружении треугольной линии влияния необходимо установить нагрузку на максимальную ординату либо крайней осью, либо промежуточной. Выбор этого положения зависит от очертания линии влияния и относительного положения её вершины (рисунок

Рисунок 25a.). Нагрузку надо ставить средней осью на максимальную ординату, если при этом положении ордината y₁ оказывается больше, чем y₅. Примем максимальную ординату линии влияния равной единице, тогда –

Во всех остальных случаях надо ставить крайнюю ось на максимум. Естественно, что при этом участок до края должен быть больше расстояния между осями, то есть крайняя ось должна поместить с линию влияния - .

В поперечном положении на проезжей части нагрузка Н14 представлена только одной тележкой и не может заезжать за полосу безопасности проезжей части. Так как ширина колеса у Н14 80см, то от оси колеса до полосы безопасности должно быть не меньше 40см.

Обычно проверяется схема с одной нагрузкой Н14. Но если позволяет длина моста, в продольном направлении может быть установлено две нагрузки по схеме Н14 на расстоянии в 12м в свету и с понижающим коэффициентом 0,75. Варианты расположения сдвоенной нагрузки показаны на рисунке

Эти варианты выбираются в зависимости от длины линии влияния и положения экстремума.

Все принципиальные схемы расположения разбиты на варианты А, Б, В, Г и помещены нами на рисунке Рисунок 26.

Линии, отделяющие зоны с соответствующим положением нагрузки определяются следующими зависимостями –

В зависимости от зоны, сумма ординат Н14 будет равна:

Эти формулы выведены для линий влияния с максимальной ординатой, равной единице. Для получения суммы ординат в других случаях необходимо умножить приведённые формулы на значение максимальной ординаты. Речь идёт только о треугольных линиях влияния.

Рисунок 25. Варианты установки Н14 на треугольной линии влияния.

Рисунок 26. Расположение нагрузки Н14 при разных соотношениях α (отложено по горизонтали) и λ (по вертикали).

График зависимости эквивалентной нагрузки для Н14 представлен на рисунке Рисунок 31.

Рассмотрим, в каких случаях нагрузка А14 даёт большее усилие, чем Н14. Из-за того, что нагрузка А14 значительно уже и может занимать несколько полос, доля нагрузки от неё на рассчитываемый элемент у неё обычно отличается от Н14. Введём параметр k, равный отношению доли нагрузки для А14 к Н14. Подробнее о том, как определить долю нагрузки в главе «Коэффициент поперечной установки, линии влияния давления»

Рисунок 27. Эквивалентная нагрузка от Н14 для α = 0 и α = 0,5.

Значения k < 1 рассматривать не имеет смысла, так как такой случай невозможен.

На рисунке Рисунок 28 изображено условие, при котором необходимо выбирать тот или иной тип нагрузки в расчётах по второй группе предельных состояний. Нагрузка Н14 взята с понижающим коэффициентом 0,8.

Такой же анализ для расчётных нагрузок приведён на рисунке Рисунок 29. Сравнение приведено для динамического коэффициента к тележке А14 – 1,4.

Следует учесть, что А14 учитывается совместно с пешеходами, что даёт от него ещё большее усилие, чем от Н14.

Рисунок 28. Нормативные нагрузки. Выбор типа нагрузки в зависимости от длины загружения, м, соотношения коэффициентов поперечной установки и параметра α линии влияния.

Рисунок 29. Расчётные нагрузки. Выбор типа нагрузки в зависимости от длины загружения, м, соотношения коэффициентов поперечной установки и параметра α линии влияния.

Стоит отметить, что на выносливость в автодороге считаются только элементы проезжей части. Это связано с тем, что они подвержены большей динамике и большему количеству циклов загружения. Поэтому для главной балки необходимо находить только усилия на прочность и трещиностойкость. Они находятся аналогично с железной дорогой.

По сравнению с Еврокодом наши нагрузки дают значительно меньшее усилие (в 1,3-1,5раза), что, скорее всего, повлечёт их увеличение в ближайшем времени.

В качестве примера найдём усилие от автодорожной нагрузки для схемы из предыдущих глав (рисунок Рисунок 30).