Применение инвентарных конструкций вспомогательных опор при строительстве мостов резко снижает расход лесоматериалов, уменьшает затраты труда и значительно сокращает сроки строительства. С учетом большого объема работ по изготовлению и монтажу вспомогательных сооружений создан и постоянно увеличивается и совершенствуется парк мостостроительных инвентарных конструкций, основное условие рационального использования которого – комплектация экономичных временных конструкций при многократной оборачиваемости элементов.
К инвентарным конструкциям относятся также понтоны типа КС, используемые в качестве элементов плавучих средств различного назначения, в частности плавучих опор для перевозки и монтажа пролетных строений.
Условия применения и принципы проектирования вспомогательных сооружений из инвентарных конструкций определяют ряд особенностей работы этих сооружений. К этим особенностям относятся податливость фундаментов стационарных опор, взаимодействие надстроек и плашкоутов плавучих опор, влияние на напряженное состояние надстроек усилий от жесткости узлов, а также перераспределение усилий в системах от податливости узлов и соединений, выполняемых с целью облегчения монтажа, на высокопрочных болтах и болтах нормальной точности. Смещения Δi в болтовых соединениях решетчатых надстроек стационарных опор учитываются посредством замены модулей упругости Е на модули линейной деформации Еэ элементов, определяемых через модули деформации болтовых соединений в начале Ес,1i и в конце Ес,2i i-го элемента.
Модуль деформации болтового соединения Есi при усилии Ni в i-м элементе запишется как [2, с. 78]:
(1)
где Ti – сила трения в соединении i-го элемента, определяемая по формуле:
(2)
где Nн – нормативное усилие натяжения болта; f – коэффициент трения; b0, b1 – эмпирические параметры.
Si(Δ) – эмпирическая зависимость при работе соединения на смятие [1, с. 37];
S(Δ) = (C1δ + C2δ2) Δ + (C3δ + C4δ2) Δ2, (3)
u – сдвиг соединения на разность номинальных диаметров болта и отверстия;
v – допускаемые отклонения от номинальных диаметров болта и отверстия;
Δcm – неупругая деформация смятия.
Для соединения на высокопрочных болтах, в случае использования последних как несущих при сборке надстроек из МИК-С, сила трения Ti определяется по формуле (2).
Изменение Δlili расстояний между центрами узлов i-го элемента определяется как сумма упругой деформации Δlyiи смещений в прикреплениях Δ1i и Δ2i
Δli = Δlyi + Δ1i + Δ2i
или
(4)
Отсюда находим модель линейной деформации i-го элемента
(5)
Модуль линейной деформации соединения, характеризующийся углом Li, является величиной переменной.
Из диаграммы видно, что сдвиги в болтовых соединениях начинаются после преодоления сил трения.
Силы натяжения болтов нормальной точности и силы трения между соединяемыми элементами невелики и не контролируются при сборке надстроек. Поэтому нельзя предусмотреть при каком усилии в соединениях элементов начнутся и в какой последовательности они будут происходить. Исходя из этого и в целях упрощения задачи с учетом смещений в болтовых соединениях можно использовать диаграмму нагружения соединения [2, с. 78], учитывающую сдвиг на разность диаметров болта и отверстия в начале загружения элемента. Данная предпосылка исходит из того, что в реальных конструкциях усилия в элементах, как правило, превышает силу трения в соединении. Усилие, передающееся через смятие, определяют по [1, с. 37].
Допуская, что величины смещений в соединениях в начале Δ1i и конце Δ2i i-го элемента одинаковы, модуль деформации элемента будет определять по формуле:
(6)
Расчет ведется методом итераций с поэтапным уточнением усилий в элементах. Итерационный процесс можно выполнять также уточняя напряжения σi в i-том элементе. В этом случае формула для определения модуля деформации будет иметь вид:
(7)
В первом приближении значения Eэi определяются по напряжениям в конструкции с несмещающимися узлами.
Сдвиги в болтовых соединениях понтонов учитываются посредством введения упругих шарниров вместо болтовых соединений с коэффициентами жесткости Ki. Значения коэффициентов жесткости определяются по формуле:
(8)
где Mi – момент в i-м шарнире; αi – угол раскрытия i-го шарнира.
Угол раскрытия α, образовавшийся в результате неупругих взаимных поворотов двух понтонов в каждом стыке определяется как:
(9)
где h – высота плашкоута.
С учетом (9) и (3) формула (8) для определения коэффициента жесткости принимает вид:
(10)
Задача решается итерационным методом с поэтапным уточнением значений Ki. В качестве первого приближения значения коэффициента жесткости Ki определяется в зависимости от момента Mi в i-м стыке, определенном без учета смещений в соединениях понтонов. В результате исследований выявлено, что учёт смешений в соединениях понтонов приводит к существенному изменению усилий в плашкоуте, а именно, к уменьшению изгибающего момента и увеличению поперечной силы. Смещения в стыках плашкоута значительно увеличивают усилия в крайних стойках надстройки и уменьшают с изменением знака в средних.