Воздействия колебаний температуры
|
Напряжения от неравномерного распределения температуры в сталежелезобетонных пролетных строениях, в которых совместно работают два материала, отличающихся примерно в 50 раз по своей теплопроводности, значительно больше, чем в конструкциях из одного материала. В сталежелезобетонных пролетных строениях разности температур возникают оттого, что температура стальной части конструкции, обладающей высокой теплопроводностью, значительно ближе следует за суточными колебаниями температуры воздуха, чем температура малотеплопроводной железобетонной части. Кроме того, тонкие элементы стальной конструкции (стенки) при непродолжительном прямом освещении солнцем прогреваются значительно сильнее, чем железобетонная плита, а также более толстые элементы стальной конструкции (поясные листы или пакеты). Для сталежелезобетонных пролетных строений различают два случая неравномерного распределения температуры. 1. Температура стали выше температуры железобетона; такая разность температур достигает максимума обычно в послеполуденные часы солнечных весенних и летних дней, при наиболее интенсивном прямом нагревании балок солнцем в сочетании с суточным повышением температуры воздуха. В этом случае плита получает растягивающие температурные напряжения, а весь сталежелезобетонный элемент при этом изгибается примерно так же, как и от усадки бетона, т. е. выпуклостью вниз, если плита расположена сверху и элемент обладает внешней статической определимостью. 2. Температура стали ниже температуры железобетона; такая разность температур достигает максимума обычно во второй половине ночи в результате суточного понижения температуры воздуха, а также при летних ливневых осадках, когда сталь успевает быстро охладиться, а железобетон сохраняет тепло. В этом случае плита получает сжимающие температурные напряжения, а весь сталежелезобетонный элемент изгибается в направлении, обратном изгибу от усадки бетона.  Известно большое количество инструментальных наблюдений за распределением температуры в объединенных пролетных строениях. Следует отметить, в частности, наблюдения, проведенные на двух железнодорожных объединенных пролетных строениях в Карпатах, на городском мосту и железнодорожном путепроводе в Новосибирске и на трех автодорожных объединенных пролетных строениях в Марокко. Наиболее обширные наблюдения были проведены В.А. Долговым (БИИГЖТ) на десяти объединенных пролетных строениях, расположенных в разнообразных географических условиях. Во всех наблюдениях основное внимание уделялось наиболее практически важному случаю, когда температура стали выше, чем железобетона. Наибольшая разность температур стали и железобетона зарегистрирована около 25°. Распределение температуры по высоте стальной части сечения неравномерно, причем для крайних балок, освещаемых солнцем, эпюра температур имеет характерную форму, приведенную на рис. 97. Резкого перепада температур между железобетоном и сталью не существует, наибольшую температуру имеет стенка (несколько ниже середины, если верхняя часть находится в тени тротуарной консоли). Температура нижнего пояса намного меньше температуры стенки. Примерно такой же характер по форме при меньших значениях ординат имеют эпюры разности температур для балок, не освещаемых солнцем, а также эпюры разности температур для случая, когда температура стали ниже температуры железобетона и разность температур отрицательна. Распределение температуры по ширине пролетных строений с ездой поверху, естественно, весьма неравномерно, поскольку непосредственно нагревается солнцем только одна крайняя ферма. Распределение температуры по длине пролетного строения, напротив, достаточно равномерно. Эпюры температур стали имеют лишь небольшие снижения непосредственно у устоев, а также незначительные местные возмущения у ребер жесткости. Наибольшая разность температур стали и железобетона возникает в горных районах при отклонении оси моста на 20—25° от линии восток — запад. Остальные географические факторы и цвет окраски стали не оказывают существенного влияния на величину разности температур. Первые автодорожные и городские сталежелезобетонные пролетные строения не рассчитывались на колебания температуры, и вопрос о таком расчете был практически поставлен только в 1947—1950 гг., с началом применения объединенных балок в железнодорожных мостах, для которых температурный расчет имеет относительно большее значение. До последнего времени наиболее распространенной была расчетная эпюра разности температур согласно рис. 98,а, рекомендованная наряду с другими эпюрами в работах проф. Е.Е. Гибшмана и предусматривающая равномерное распределение температуры по высоте как железобетона, так и стали, с перепадом величиной 15° на границе железобетона и стали. Для случая, когда температура стали ниже температуры железобетона, перепад принимали иногда равным 10°.  В немецких нормах 1953 г. принималась расчетная эпюра разности температур согласно рис. 98,б, не имеющая перепада. В 1952—1953 гг. предложена прямоугольная эпюра по рис. 98,в с перепадом на уровне низа горизонтальных элементов верхнего пояса. Примерно в это же время предложена эпюра согласно рис. 98, г. Эта эпюра не вполне согласовывалась с экспериментальными данными, а расчетный аппарат для вычисления напряжений отличался большой сложностью. В 1955 г. в работе с использованием данных работы предложена расчетная эпюра согласно рис. 98,д и одновременно для практических целей рекомендована эпюра по рис. 98,в как более простая для расчета. В 1959—1960 гг. на основе вышеупомянутых обширных исследований в работе предложена нормативная эпюра разности температур, имеющая эллиптическое очертание на высоте стенки согласно рис. 99,а, и получены соответствующие ей удобные расчетные формулы. Все перечисленные исследования и предложения относились главным образом к объединенным пролетным строениям со сплошными стенками. Распределение температур в решетчатых объединенных пролетных строениях было исследовано на двух объектах (в равнинных условиях Белоруссии), причем наибольшая разность температур стали и железобетона получена равной 11,5°.  В Технических условиях CH 200-62 и Технических указаниях BCH 92-63 воздействия колебаний температуры нормированы в значительной степени на основе исследований. Для объединенных главных балок со сплошной стенкой, а также для одностенчатых объединенных жестких поясов сквозных ферм (при железобетонной плите, расположенной над стальным элементом) рекомендована эпюра разности температур согласно рис. 99, а — эллиптическая на высоте стенки при tmax = 30° С (или tmax = -15° С) и прямоугольная на толщине горизонтальных элементов поясов при tн = 0,3 tmax для нижнего пояса и tв = 0 для верхнего пояса. Для объединенных балок проезжей части, не освещаемых непосредственно солнцем, принято согласно рис. 99, б tmax =15° С (или tmax = -15° С). Для двухплитных сплошно-стенчатых главных балок, как это показано на рис. 99, в, принята также эллиптическая эпюра на высоте стенки при tmах = 30° С или tmax = -15°С, однако tн и tв полагают равными нулю, поскольку температура нижней плиты и прилегающих к ней стальных частей должна быть одинакова. Для сквозных ферм рекомендована разность температур стали и железобетона, одинаковая для всех элементов и всех точек по высоте (кроме вышеуказанных одностенчатых жестких поясов). Если плита расположена над главными фермами, то tmax = 15° С (рис. 99, г), а если она расположена между главными фермами и соответственно не защищает их от солнечных лучей, то tmax = 25° С. Отрицательные величины tmax для сквозных ферм во всех случаях принимают — 10° С (кроме вышеуказанных одностенчатых жестких поясов). Все указанные выше величины tmax являются нормативными. Необходимые в соответствующих случаях расчетные значения получают умножением нормативных величин на коэффициент перегрузки, равный 1,1. Коэффициент линейного расширения стали и бетона принимают α = 1*10-5. Распределение температуры по длине и ширине пролетного строения в расчетах обычно полагают равномерным. Напряжения от рассмотренной разности температур стали и железобетона и напряжения от обычных равномерных (главным образом сезонных) изменений температуры во всей конструкции (в распорных системах) не суммируют. |
