close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Обоснование применения в мостостроении комбинированных систем в виде арки с затяжкой и пересекающимися гибкими подвесками

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
СУРОВЦЕВ БОРИС АЛЕКСЕЕВИЧ
ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ В МОСТОСТРОЕНИИ
КОМБИНИРОВАННЫХ СИСТЕМ В ВИДЕ АРКИ С ЗАТЯЖКОЙ И
ПЕРЕСЕКАЮЩИМИСЯ ГИБКИМИ ПОДВЕСКАМИ
(05.23.11 – Проектирование и строительство дорог, метрополитенов,
аэродромов, мостов и транспортных тоннелей)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва
2018
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном учреждении высшего образования «Московский государственный автомобильно-дорожный технический университет (МАДИ)» на кафедре «Мосты,
тоннели и строительные конструкции».
Научный руководитель:
Попов Виктор Иванович - кандидат технических наук, доцент
Официальные оппоненты:
Смирнов Владимир Николаевич - доктор технических наук, профессора, заведующий кафедрой «Мосты» ФГБОУ ВО
ПГУПС;
Сергеев Алексей Анатольевич - кандидат технических наук, генеральный директор ЗАО НИЦ «Мосты»;
Ведущее предприятие:
АО «НИИ мостов» (Санкт-Петербург);
Защита диссертации состоится «15» ноября 2018 года в _____ часов
на заседании диссертационного совета Д 212.126.02 на базе ФГБОУ ВО
«Московский государственный автомобильно-дорожный технический
университет (МАДИ)» по адресу: 125319, Москва, А-319, Ленинградский
проспект, 64, ауд. 42.
Телефон для справок 8(499)155-93-24
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте
ФГБОУ ВО «Московский государственный автомобильно-дорожный технический университет (МАДИ)» - http://www.madi.ru/
Автореферат разослан «____» ___сентября____2018 г.
Ученый секретарь диссертационного совета:
Кандидат технических
наук, доцент
Борисюк Н.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. В последние годы в Российской
Федерации наблюдается рост объемов строительства объектов транспортной инфраструктуры, строится значительное количество дорог, в том числе скоростных трасс, автомагистралей, в составе которых, как правило, необходимо предусматривать различные искусственные сооружения (мосты,
тоннели, путепроводы, эстакады).
В случаях проектирования и строительства трассы с пересечением
судоходных рек необходимо выдерживать требования навигационных
водных инстанций, связанные с обеспечением необходимых габаритов судоходства по реке. Параметры навигационных габаритов зачастую определяют тип мостового перехода, обуславливают применение мостовых систем больших пролетов, требующих особого внимания и подхода при проектировании и строительстве.
Применяемые схемы мостов больших пролетов достаточно разнообразны, среди них довольно часто превалируют вантовые, висячие мосты,
но находится применение и иным конструктивным решениям, таким как
различные пролетные строения со сквозными главными фермами, арочные
мосты различных схем и комбинированные системы типа «арка с затяжкой». В настоящее время в мировой практике в качестве элементов связей
таких конструкций в некоторых случаях успешно находят применение
гибкие элементы - ванты. Пример конструкции пролетного строения комбинированной системы типа «жесткая арка – жесткая затяжка» представлен на рисунке 1.
Рис.1. Пролетное строение комбинированной системы с криволинейным верхним поясом и гибкими наклонными пересекающимися подвесками
В мировой практике мостовых сооружений данного типа к настоящему времени накоплен значительный опыт по проектированию, расчетам
и строительству указанных конструкций.
В практике отечественного проектирования комбинированных пролетных строений на данный момент стоит отметить отсутствие информации о проектировании комбинированных схем пролетных строений с наклонными пересекающимися гибкими подвесками. При этом данный тип
пролетных строений получил сравнительно широкое распространение за
рубежом. В исследованиях зарубежных авторов приведены некоторые рекомендации к проектированию пролетных строений данного типа под автомобильные и железнодорожные нагрузки. Тем не менее, правила и нор1
мы зарубежного проектирования не всегда подходят для прямого применения их в отечественном мостостроении, в связи с определенными различиями в нормативной базе, применяемых материалов, условий ценообразования, нагрузками, требованиями к проектированию и строительству и
т.д.
Необходимо сказать, что пролетные строения комбинированных систем типа «Жесткая арка - жесткая затяжка» не получили в целом распространения в практике строительства мостов СССР и РФ. На данный момент в России отсутствует системно-методические правила и требования к
проектированию пролетных строений указанного типа.
Большая заслуга в создании теории и практики проектирования пролетных строений комбинированных систем принадлежит таким видным
ученым, как Е.Е. и М.Е. Гибшман, В.И. Попов, С.А. Ильясевич, К.Г. Протасов, А.В. Теплицкий, А.А. Петропавловский, А.А. Герцог, Н.И. Поливанов, А.В. Перельмутер, и др.
Из зарубежных авторов, внесших значительный вклад в идеи разработки и исследования пролетных строений комбинированных систем с наклонными подвесками и рекомендуемых к изучению, следует отметить работы О. Нильсена (Швеция), профессора П. Твейта (Норвегия), профессора
М. Наруока (Япония).
Данная тема диссертационного исследования является актуальной,
поскольку к настоящему моменту в отечественной практике отсутствует
опыт проектирования и строительства конструкций подобного типа. Одновременно с этим отсутствуют требования и рекомендации к проектированию указанных систем.
Исследование данного вопроса обеспечит возможность внедрения
пролетных строений комбинированных систем с наклонными подвесками,
успешно зарекомендовавших себя за рубежом, как высокоэффективные,
технологичные и экономичные решения, в практику современного отечественного мостостроения. Это, в свою очередь, позволит расширить спектр
применяемых в Российской Федерации систем мостов больших пролетов,
увеличит количество предлагаемых вариантов мостовых сооружений и в
будущем даст стимул к дополнительным исследованиям в области пролетных строений комбинированных систем с гибкими подвесками.
Целью исследования является совершенствование методологии
проектирования, формулировка и определение основных критериев и параметров комбинированных внешне безраспорных систем пролетных
строений с криволинейным верхним поясом с гибкими наклонными пересекающимися подвесками применительно к действующим в РФ нормам и
требованиям по проектированию мостов, нагрузкам, применяемым материалам основных конструкций.
Для достижения этой цели в диссертации автором поставлены и
решены следующие задачи:
2
 Автором осуществлен подробный сбор информации и детальный
анализ зарубежного опыта проектирования, строительства и эксплуатации
конструкций данного типа;
 Выявлены основные теории, предлагаемые зарубежными авторами, к построению оптимальных схем пролетных строений комбинированных систем с наклонными подвесками. Автором впервые проведены практические расчеты с целью адаптации существующих гипотез к правилам и
нормам отечественного проектирования;
 На основании исследований автора, впервые разработаны и предложены рекомендации к проектированию пролетных строений комбинированных систем с наклонными подвесками с учетом специфики мостостроения РФ;
 Автором проведено практическое апробирование предлагаемых
правил проектирования в виде разработки реальных проектов и научного
сопровождения процесса текущего строительства руслового пролетного
строения в составе мостового перехода через р. Обь в г. Новосибирске.
Методология исследования базируется на анализе и обобщении
отечественного и зарубежного опыта строительства и проектирования
пролетных строений указанного типа, а также на проведении широкого
спектра статических расчетов, анализе и обобщении полученных результатов.
С целью исследования выполнено математическое моделирование
конструкций пролетных строений, разработаны конечно-элементные модели конструкций с выбором рекомендуемых параметров рассматриваемых систем. Одновременно с этим в расчетах учитываются требования
действующих на территории Российской Федерации нормативных документов.
Объектом исследования является технология и основные положения проектирования пролетных строений комбинированных систем «жесткая арка – жесткая затяжка» с криволинейным верхним поясом и связями
в виде гибких наклонных пересекающихся подвесок.
Предметом исследования является конструкция руслового пролетного строения комбинированной системы типа «жесткая арка – жесткая затяжка» с наклонными пересекающимися подвесками в составе мостового
перехода через р. Обь в г. Новосибирске.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
 Автором впервые разработаны и сформулированы критерии и основные положения проектирования пролетных строений мостов комбинированных систем по схеме «жесткая арка - жесткая затяжка» с наклонными
подвесками;
 Впервые в практике отечественного мостостроения получены результаты оптимальных диапазонов значений основных назначаемых при
проектировании параметров конструкций, таких как – высота стрелы верх3
него пояса, форма очертания кривой верхнего пояса, оптимальные углы
падения подвесок, количество подвесок;
 В работе представлены предложения автора по эффективному
проведению процесса расчетов пролетного строения, основные положения
проводимых расчетов, теоретические постановки задач, критерии оценки
результатов;
 Автором выявлены и обозначены оптимальные сферы возможности практического применения пролетных строений данных комбинированных систем;
Достоверность результатов исследования подтверждается использованием результатов работы автора в проектировании и строительстве руслового пролетного строения в составе мостового перехода через р. Обь в
г. Новосибирске, а также анализом предшествующих трудов отечественных и зарубежных авторов применительно к данным конструкциям пролетных строений.
Практическая ценность работы состоит в возможности использования результатов исследования автора проектными и строительными организациями, на стадиях Проектной документации и текущего строительства, для разработки и сравнения оптимальных конкурентоспособных вариантов пролетных строений автодорожных мостов с большими пролетами
и формулировки критериев оценки эффективности проектных решений.
Методика апробирована в реальных объектах строительства по проекту
ЗАО «Институт «Стройпроект», на кафедре «Мосты» ПГУПС.
Апробация работы. Результаты исследований и основные научные
положения доложены на кафедре мостов, тоннелей и строительных конструкций МАДИ в 2017 и 2018 годах, научно- практической конференции
ПТУПС в 2016 году и научно-методической и научно-исследовательской
конференции МАДИ в 2018 году.
Публикации. По результатам исследования опубликовано три печатные работы в журналах, находящихся в списке рекомендованных ВАК
Российской Федерации.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем составляет 140 страниц машинописного текста, в том числе 129 страниц основного текста, 90 рисунков, 4 таблицы, список литературы на 10 страницах, содержащий 118 источников.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы исследования, определяются цель, основные задачи и методы исследования.
Первая глава посвящена анализу теории и практики проектирования пролетных строений мостов комбинированных систем СССР, РФ и за
рубежом. Рассматривается историческая эволюция конструктивных реше4
ний данных пролетных строений. Особое внимание уделено развитию конструктивных решений по пролетным строениям классификации типа «жесткая арка – жесткая затяжка» на основе зарубежного опыта проектирования данных пролетов. Озвучиваются проблемы и особенности, возникающие при проектировании мостов данных систем.
Основная проблема изучения конструкций пролетных строений комбинированных систем с наклонными подвесками по схеме «жесткая арка –
жесткая затяжка» заключается в чрезвычайно малой степени распространенности их применительно к практике мостостроения СССР и РФ. Одновременно с этим следует отметить значительную сложность и комплексность расчетной части проектирования пролета. Данные схемы представляют собой многократно статически-неопределимые системы, в общем
случае обладающие определенной геометрической нелинейностью (гибкие
элементы подвесок, работающие только на растяжение) с криволинейным
очертанием верхнего пояса. С учетом действия временной подвижной нагрузки и необходимости построения действующих линий и поверхностей
влияния для каждой из подвесок одновременно по нескольким критериям,
задача статического расчета систем подобного типа без использования
специальных методик в значительной степени осложняется.
Одновременно с этим, анализируя зарубежный опыт проектирования
и строительства пролетных строений подобного типа, следует выделять
определенные различия в отечественных и зарубежных подходах к проектированию и строительству мостов.
Данные комбинированные системы, получившие за рубежом название «Сетчатые арки», в первую очередь изначально были разработаны под
железнодорожные нагрузки. В конструкциях подобного типа доминирующим усилием, возникающим в верхнем поясе пролетного строения, является усилие осевого сжатия, при этом значения действующих изгибающих
моментов в сечениях сведены к минимуму. Отсюда в практике зарубежного строительства мостов данного типа в основной массе рекомендуется
применение открытого профиля несущих сечений верхнего пояса.
Одновременно с этим, с целью повышения общей вертикальной жесткости пролетного строения, зарубежные решения предлагают в основной
массе применение конструкции затяжки из монолитного преднапряженного железобетона (пример конструкции железоюетонной затяжки представлен на рисунке 2). При этом стоит отметить, что проектирование и строительство мостов данного типа в мировой практике в значительной степени
осуществляется либо под однопутную железную дорогу, либо под двухполосное автомобильное движение. При этом при дальнейшей увеличении
ширины пролетного строения, авторы рекомендуют устраивать напрягае-
5
мую
арматуру
поперек
продольной
оси
конструкции
затяжки.
Рис.2. Рекомендуемая конструкция поперечного сечения железобетонной плиты затяжки пролетного строения
Предлагаемое решение имеет очевидные плюсы, связанные с экономией расхода основных металлоконструкций пролетного строения. Однако, данный критерий оценки эффективности пролетов мало объективен с
учетом всех условий строительства в Российской Федерации. На рисунке 3
представлен график расходов металлоконструкций на железнодорожные
мосты в Германии.
Рис.3. График сравнения расходов металлоконструкций мостов в Германии
Экономия металлоконструкций 40-70%, озвученная зарубежными
авторами, достигается именно за счет устройства затяжки из предварительно напряженного железобетона. Однако в условиях РФ, с учетом всех
технологических аспектов, традиций подходов к строительству, стоимо-
6
стей материалов решение с железобетонной затяжкой к настоящему времени видится малоперспективным.
Важным аспектом проектирования является форма очертания кривой
верхнего пояса пролетного строения. В «сетчатых арках» верхний пояс
должен быть очерчен по круговой кривой, в отличие от традиционных параболических очертаний комбинированных пролетов отечественных примеров.
Современные решения по проектам пролетов данного типа позволяют говорить о сооружении комбинированных пролетных строений больших пролетов – известны примеры пролетных строений с длиной до 500
метров. При рациональных условиях применения данные пролетные
строения могут составить конкуренцию более традиционным системам
мостов больших пролетов – вантовым и висячим мостам, а также иным более традиционным комбинированным системам.
В диссертационном исследовании предлагается к рассмотрению
предложения по совершенствованию методологии проектирования и расчета комбинированных схем с гибкими наклонными пересекающимися
подвесками на основе проведенных автором исследований и отечественного и зарубежного опыта проектирования конструкций данного типа применительно к нагрузкам, материалам и требованиям нормативных документов Российской Федерации.
Во второй главе рассматриваются основные особенности проектирования пролетных строений комбинированных систем с вертикальными
подвесками, озвучиваются их особенности, недостатки и возможные пути
следования к решению указанных проблем путем применения систем с наклонными пересекающимися связями. Формулируются основные постановки и положения к исследованию, разъясняются подходы к проведению
исследовательской работы методом математического моделирования, обозначаются критерии оценки полученных результатов.
С точки зрения комбинированных арочных мостов с гибкими подвесками наиболее распространенная схема пролетного строения – комбинированная с полигональным верхним поясом с системой вертикальных
подвесок. Ключевой особенностью данного типа пролетов является его
чрезвычайно высокая чувствительность к различным неравномерным загружениям временной нагрузкой, особенно при малой изгибной жесткости
несущих элементов. На рисунке 4 представлены диаграммы распределения
действующих изгибающих моментов от временной нагрузки.
7
Рис.4. Диаграмма распределения изгибающих моментов по элементам пролетного
строения от действия временной нагрузки
Как видно из приведенных эпюр, элементы верхнего пояса и затяжки
в достаточной степени подвержены воздействиям изгибающего момента,
значение которого увеличивается с увеличением длины пролетного строения, что приводит к необходимости увеличения размеров сечений элементов.
Чувствительность системы к неравномерным загружениям временной нагрузкой, появление несимметричных деформаций пролета получило
название S-образного прогиба пролетного строения.
Основные негативные последствия этого явления следующие:
 Наблюдается смена знака действующих изгибающих моментов в
сечениях элементов, что приводит к необходимости усиления как верхней,
так и нижней части сечения;
 Происходит смена знака относительных деформаций элемента
пролетного строения;
 Усилия в подвесках комбинированных пролетов существенно изменяются относительно действующих от постоянных нагрузок, что приводит к дополнительным усилениям, связанным с расчетами усталости элементов. При этом в некоторых случаях усилие в элементе может становиться знакопеременным, что недопустимо для подвесок гибкого типа, а
для условно жесткого требует проведение расчетов по общей устойчивости элемента.
Все вышеперечисленные факторы в той или иной степени приводят к
необходимости увеличения геометрических размеров несущих элементов,
что в свою очередь негативно сказывается на весе монтируемых элементов
и общем расходе материалов, увеличивая, в конечном счете, общую стоимость сооружения.
Наиболее эффективным путем решения проблемы кососимметричных загружений в пролетных строениях данного типа является устройство
наклонных пересекающихся подвесок. На рисунке 5 представлены диаграммы распределения действующих изгибающих моментов от временной
нагрузки.
8
Рис.5. Диаграмма распределения изгибающих моментов по элементам пролетного
строения от действия временной нагрузки в пролетных строениях с наклонными подвесками
На приведенной схеме наблюдается значительный эффект «сглаживания» эпюр моментов в элементах пролетного строения. Фактически все
доминирующие усилия в элементах пролетного строения – осевые усилия
сжатия и растяжения. Следовательно, при проектировании допускается руководствоваться необходимыми площадями поперечных сечений несущих
элементов, без наращивания сечений с целью увеличения момента инерции для восприятия изгибающих моментов.
Изучение изменений и оптимизации основных параметров пролетных строений предлагается проводить путем многократных пересчетов конечно-элементных моделей различных пролетов с одновременным подбором оптимальных рассматриваемых критериев.
Основные параметры конструкций, подлежащие исследованию и детальному изучению, следующие:
 Основные параметры проектирования верхнего пояса арки. Форма
очертания, высота стрелы, конструкция;
 Критерии проектирования нижнего пояса арки;
 Рациональные гипотезы построения сетки подвесок;
 Выбор рекомендуемого угла падения подвесок;
 Определение рационального количества подвесок;
 Проведение сравнения с пролетными строениями с вертикальными
подвесками;
В качестве инструмента для исследования задействован конечноэлементный пакет Midas Civil 2011 Ver.2.1. Процесс генерации моделей
включает в себя одновременный расчет на действие временной подвижной
нагрузки, построение линий влияния и расчет соответствующих максимальных и минимальных значений внутренних усилий, возникающих в
элементах пролетного строения.
Формулировка системы разрешающих уравнений метода конечных
элементов в перемещениях выглядит следующим образом:
  LU
При этом:
9
u 
 
U   
 
 
0
0 
 x
 0



y
0


 0
0
 z 
L

0


z


y


 z
0
 x 


0 
 y  x
В общей постановке, вариационный принцип Метода Конечных
Элементов базируется на принципе минимума потенциальной энергии упругих деформаций, описываемый как:
 PE   W(Su)dΩ   u T bdΩ   u T tdГ
Ω
Ω
Гt
W
dΩ   δuT bdΩ   δuT tdГ  0
Ω
Гt
Su
δuT (S T σ  b)dΩ   δuT (GT  t )dГ  0
δ  PE   δ(Su)T
Ω
δ  PE  
Ω
Гt
При этом
σ
W
Su
В конечно-элементных моделях с целью оценки действующих факторов НДС элементов пролетных строений в плоской (2D) постановке
предлагается использовать следующие типы конечных элементов:
 Элемент типа TRUSS - Стержень. Линейный элемент, обладающий одной степенью свободы – линейное продольное перемещение ∂x.
При помощи элемента данного типа моделируются подвески пролетных
строений.
 Элемент типа BEAM – Балка. Линейный элемент, обладающий в
общем случае 6-ю степенями свободы - Ux, Uy, Uz, ϴx, ϴy, ϴz, в плоской постановке - Ux, Uz, ϴy. При помощи элементов данного типа моделируются
элементы балок нижнего и верхнего поясов пролетных строений.
 Элемент типа PLATE – плита. Плоский элемент, обладающий 5-ю
степенями свободы в каждом узле (Ux, Uy, Uz, ϴx, ϴy). При помощи данных
элементов моделируются элементы ортотропной плиты в 3D моделях пролетных строений.
В качестве нагрузки предлагается рассматривать временную подвижную вертикальную нагрузку, принятую в соответствии с ГОСТ Р
52748-2007 - «Дороги автомобильные общего пользования. Нормативные
10
нагрузки, расчетные схемы нагружения и габариты приближения» и
СП35.13330.2011 - «Мосты и трубы». Актуализированная редакция СНиП
2.05.03-84*.
Все расчеты проводятся в линейной постановке.
В качестве материалов элементов конструкций используем сталь со
следующими характеристиками – E=2,06*105 МПа, ν=0,3 – для стали несущих конструкций элементов, E=1,9*105 МПа, ν=0,3 – для высокопрочной вантовой стали. Все применяемые материалы сформированы как линейно-упругие математические модели. Пример сформированной плоской
конечно-элементной модели пролетного строения приведен на рисунке 6.
Рис.6. Общий вид конечно-элементной модели пролетного строения
В качестве критериев оценки НДС пролетного строения рассматриваются следующие параметры:
 Изменение действующих нормальных напряжений в верхнем и
нижнем поясах пролетов;
 Изменение действующих максимальных и минимальных напряжений в элементах подвесок. Определение тенденции подвесок к релаксации;
 Определение величины амплитуды цикла действующих напряжений в подвесках, расчет на выносливость;
Закон изменения искомых критериев отслеживается также в зависимости от длины пролета, рассматриваются разные диапазоны пролетных
строений.
В третьей главе приведены результаты проведенных практических
расчетов моделей пролетных строений, показаны зависимости и законы
изменения искомых параметров НСД пролетных строений от изменения
рассматриваемых критериев в заданных диапазонах.
В начале рассматриваются границы оптимального диапазона назначения высоты стрелы верхнего пояса, формы очертания. На рисунке 7 приведена схема пролетного строения с переменной высотой верхнего пояса.
11
Рис.7. Схема к построению верхнего пояса пролетных строений. Диапазоны изменения
высоты стрелы
Результаты проведенных расчетов представлены на рисунке 8 в виде
графика.
Рис.8. Сводный график зависимости изменения значений параметров от высоты стрелы
верхнего пояса пролетного строения
Как видно из графика, закон зависимости изменения параметров конструкции от высоты стрелы верхнего пояса достаточно логично показывает незначительные снижения действующих напряжений в поясах пролетных строений, одновременно с этим уменьшая значение размаха амплитуды цикла напряжений в подвесках. При этом наблюдается рост значений
максимальных действующих напряжений в подвесках.
Следующим важным аспектом, подлежащим изучению, является гипотеза построения сетки подвесок. Следует сказать, что оптимальным решением для пролетных строений такого типа является подбор персонального угла падения индивидуально для каждой из подвесок. Однако такое
12
решение приводит к негативному эстетическому внешнему восприятию
конструкции. Кроме того формулировка данного решения возможна исключительно итерационными методами, что существенно осложняет расчеты. Соответственно, в системе подвесок следует формулировать определенные гипотезы построения. Различать следует основные две:
 Гипотеза П. Твейта о переменном угле падения подвески на затяжку. В качестве исходного параметра задается угол падения первой подвески, определяется величина приращения угла каждой последующей подвески и осуществляется построение сетки. Схема к построению сетки
Твейта приведена на рисунке 9.
Рис.9. Схема к построению сеток в комбинированных схемах согласно гипотезе Твейта
При этом на приведенной схеме:
α1 - начальный угол падения подвески;
∆α – значение приращения угла, при этом
∆α= αi+1- αi=const;
Соответственно, угол падения i-й подвески равен
αi= α1+(i-1)* ∆α, где i - порядковый номер подвески;
Построение обратных подвесок осуществляется зеркально. При этом
изменение угла наклона подвесок влево считается положительным, угол
падения подвесок на приведенной схеме становится круче слева направо.
 Гипотеза Б. Брунна и Ф. Шеннака. Идея основана на линии давления арки и предполагает постоянное значение угла падения подвесок.
Схема к построению сетки Брунна-Шеннака приведена на рисунке 10.
13
Рис.10. Схема к построению сеток в комбинированных схемах согласно гипотезе Брунна-Шеннака
При этом на приведенной схеме:
α - угол падения подвески;
αi=γ-β;
β – угол между подвеской и линией радиуса арки;
γ – угол между линией радиуса арки и линией оси нижнего пояса;
При этом значение угла γ следующее:
 i  (180   / 2  ( j  0.5)   /( n  1) ;
φ – начальный угол арки (угол между осью нижнего пояса и касательной к верхнему поясу в точке опирания);
i – Порядковый номер подвески в составе положительного направления (наклон влево на рисунке);
j – Порядковый номер подвески применительно ко всем подвескам
системы;
n – Количество подвесок в системе;
В рамках исследования проведено сравнение предлагаемых гипотез с
целью установления оптимальной схемы построения системы подвесок. На
рисунках 11-15 приведены результаты сравнения гипотез построения сеток
подвесок.
Рис.11. График значений действующих напряжений в верхнем поясе пролетных строений (Твейт, Брунн-Шеннак)
14
Рис.12. График значений действующих напряжений в нижнем поясе пролетных строений (Твейт, Брунн-Шеннак)
Рис.13. График значений действующих максимальных напряжений в подвесках пролетных строений (Твейт, Брунн-Шеннак)
Рис.14. График значений действующих минимальных напряжений в подвесках пролетных строений (Твейт, Брунн-Шеннак)
Рис.15. График значений размаха амплитуды цикла напряжений в подвесках пролетных
строений (Твейт, Брунн-Шеннак)
Результаты проведенных расчетов показывают, что обе гипотезы построения сеток комбинированных пролетов могут быть рекомендованы к
практическому проектированию. Отличия полученных средних величин
критериев составляют менее 5% друг от друга. В целом, геометрии сеток,
как было показано выше, достаточно близки друг к другу по правилам построения. Можно сказать, что сетка Брунна-Шеннака позволяет получить
15
несколько заниженное значение напряжений по верхнему поясу, тогда как
сетка Твейта позволяет снизить максимальные напряжения, действующие
в подвесках и нижнем поясе пролета.
Следующим важнейшим параметром при проведении расчетов пролетных строений является значение угла падения подвесок на верхний пояс. В работе рассмотрены расчеты серии математических моделей с диапазоном изменения угла от 51 до 69 градусов. Результаты расчетов моделей с
изменением угла падения подвесок представлены на рисунке 16 в виде
графиков.
Рис.16. График зависимости значений изменения рассматриваемых параметров НДС
пролетного строения от величины угла падения подвесок
Из графика видно, что увеличение угла падения провоцирует возможное ослабление натяжения подвесок и возрастание амплитуды цикла напряжений. Эффект объясняется тем, что при больших углах система в работе стремится к комбинированным конструкциям с вертикальными подвесками. Одновременно с этим, в рекомендуемых диапазонах не в экстремальных значениях углов существенных изменений в НДС поясов пролетных строений не отмечается.
Следующим важным критерием оценки эффективности системы наклонных связей является определение количества подвесок, шага панели
по верхнему поясу. На рисунке 17 представлен график, иллюстрирующий
изменение величины прочностных показателей пролетных строений от количества подвесок.
16
Рис.17. График зависимости изменения прочностных критериев поясов пролетного
строения от количества подвесок
Зависимость между количеством подвесок и критериями НДС пролетного строения не является линейной, а носит скорее гиперболический
характер с выраженной асимптотой. При дальнейшем уменьшении количества подвесок скорость изменения критериев НДС пролетного строения
возрастает. Кривая функции зависимости выравнивается к количеству
подвесок, равному 50-54. При этом закон сохраняется для пролетных
строений различных диапазонов пролетов.
В рамках проведенной работы осуществлено сравнение эффективности пролетных строений комбинированных систем с наклонными и вертикальными подвесками с точки зрения расходов основных металлоконструкций. Для максимальной достоверности получаемых данных в данном
разделе проведено трехмерное моделирование пролетных строений.
Пролетные строения рассматриваются 150 и 300 м длиной, под 4 полосы движения. С целью упрощения расчетов, примем габарит проезда
как для 4-х полосного движения, с шириной полосы 3.75 м, ширина полос
безопасности 2 м, проезжая часть устраивается с разделительной полосой
1м.
При этом конструкцию поперечных балок, ортотропной плиты проезжей части, ветровых связей, предлагается оставить одинаковыми в моделях, подлежащим сравнению. Одновременно с этим с целью упрощения
оценки расходов, сечение подвесок принимается одинаковым в каждой
расчетной модели. Общий вид конечно-элементных моделей представлен
на рисунке 20.
17
Рис.20. Общий вид трехмерных конечно-элементных моделей пролетных строений
Результаты расчетов объемов металлоконструкций приведены на гистограммах рисунков 21 и 22.
Рис.21. Гистограмма сравнительных расходов металлоконструкций пролетных строений
18
Рис.22. Гистограмма значений действующих напряжений в подвесках пролетных
строений
Приведенные гистограммы наглядно демонстрируют преимущества
комбинированных пролетов с наклонными подвесками. Средние действующие максимальные напряжения в таких схемах ниже, как видно из
графика. При этом действующие средние минимальные напряжения выше,
что позволяет сократить величину цикла асимметрии напряжений. Одновременно с этим можно сделать вывод о возможности экономии металлоконструкций 10-25% по сравнению с системами с вертикальными подвесками. Причем процент экономии возрастает одновременно с увеличением
длины рассматриваемых пролетов.
В четвертой главе сформулированы основные выводы по проведенным исследованиям, обозначены общие рекомендации к проектированию
пролетных строений комбинированных систем с криволинейным верхним
поясом и гибкими наклонными пересекающимися подвесками. Определены оптимальные диапазоны основных параметров, назначаемых при проектировании. Обозначены сферы возможного эффективного применения
пролетных строений указанного типа. Даны практические рекомендации
по расчетам конструкций с учетом стадийности возведения пролетных
строений, с использованием параметризации расчетных моделей.
 Высота стрелы верхнего пояса назначается 16-18% от длины пролета;
 Гипотезу построения сетки допускается принимать любую их
двух, озвученных выше (Твейт, Брунн-Шеннак);
 Угол падения подвесок рекомендуется принимать 55-59 градусов;
19
 Количество подвесок следует принимать в диапазоне от 34 до 54 в
зависимости от длины пролета;
Таблица 1. Рекомендуемые значения количества подвесок в пролетных строениях в зависимости от диапазонов пролетов
Диапазон длин про- Рекомендуемое
количество
лета, м
подвесок на плоскость, шт
1
<150
34
2
150-250
34-46
3
250-400
46-54
4
>400
≥54
 Нижний пояс конструктивно рекомендуется принимать металлический, с ортотропной плитой проезжей части;
Расчеты пролетных строений с учетом стадий строительства рекомендуется производить с помощью параметризированных расчетных моделей. Расчеты с учетом монтажных стадий, изменения граничных условий, определение последовательности натяжения подвесок рекомендуется
производить методом последовательной «разборки» пролетного строения с
последней (эксплуатационной) стадии работы до первой.
№
Рис.23. Схема расчета пролетных строений с использованием параметрических расчетных моделей
Таким образом, на основании опыта проведенных расчетов рекомендуется при проектировании конструкций подобных типов руководствоваться параметризацией основных параметров конструкций, при этом рекомендуется задействовать современное программное обеспечение, как
графическое, так и расчетно-прикладное. Оптимальным решением будет
генерация собственных параметрических моделей на основе программирования в таких средах, как например Microsoft Excel. Одновременно с этим
при работе в МКЭ рекомендуется заранее программировать тексты баз
20
данных моделей, опираясь на результаты расчетов и графические данные
форматов типа Autodesk AutoCad.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Выполненный автором анализ конструктивных решений пролетных строений комбинированных систем указывает на необходимость совершенствования отдельных критериев и положений проектирования таких конструкций.
2. В диссертационном исследовании проведена работа по разработке
предложений по проектированию комбинированных пролетных строений с
криволинейным верхним поясом и системой наклонных пересекающихся
подвесок.
3. Автором произведено подробное обобщение и изучение зарубежного опыта проектирования и строительства конструкций подобных типов
и адаптация его к требованиям нормативных документов к конструкциям,
нагрузкам и применяемым материалам в Российской Федерации.
4. Впервые осуществлено исследование изменений основных критериев и параметров проектируемых конструкций и их влияние на НДС элементов пролетного строения, обозначены оптимальные диапазоны назначения искомых параметров в практическом проектировании. На основе
проведенных исследований автором сформулированы такие важнейшие
критерии, как: назначение рациональной высоты стрелы верхнего пояса,
формы очертания; определение гипотезы построения сетки, оптимальные
диапазоны углов падения подвесок; эффективное число подвесок пролетного строения.
5. Предлагаемые автором решения и рекомендации позволяют говорить о возможности успешного применения конструкций данных пролетных строений комбинированных систем в РФ. В рамках диссертационного
исследования автором вычислены теоретические параметры экономии основных материалов, сформулированы достоинства и недостатки указанных
схем по сравнению с другими системами пролетных строений.
6. В процессе работы автором выявлены и обозначены важные особенности проектирования указанных конструкций, проблемы расчетов и
предложения по решению комплексных расчетно-конструктивных задач,
возникающих в процессе проектирования, строительства и эксплуатации
искусственного сооружения. Одновременно с этим, в диссертационном исследовании разобраны факторы, влияющие на НДС элементов пролетного
строения в различных стадиях строительства с учетом возможных технологий. Автором сформулированы соответствующие инженерные рекомендации по оптимальным технологиям строительства указанных объектов на
основе зарубежного и отечественного практического опыта.
7. Разработанные автором предложения по совершенствованию проектирования и расчетов апробированы на реальном объекте строительства
– комбинированном пролетном строении в составе мостового перехода че21
рез реку Обь в г. Новосибирске, что в свою очередь подтверждает корректность приведенных рекомендаций и гипотез, их работоспособность и
возможность практического использования их в реальных проектах.
8. Обозначенные в диссертации технологические и конструктивные
решения, по мнению автора, являются достаточно перспективными в будущем развитии инновационных решений отечественного мостостроения,
в том числе с точки зрения применяемых высоких технологий современного проектирования искусственных сооружений.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ
ДИССЕРТАЦИИ
1. Суровцев Б.А. Особенности проектирования пролетных строений мостов комбинированных систем с гибкими наклонными подвесками – Peculiarities of designing superstructures in bridges of combined systems with
flexible inclined suspensions, Научно-технический журнал – «Транспорт
Урала», №4 (35), 2012 г. с. 59-63;
2. Суровцев Б.А. Пролетные строения мостов комбинированных систем с
гибкими наклонными подвесками, Наука и техника в дорожной отрасли. №4, 2017. с. 12-13;
3. Суровцев Б.А. Особенности проектирования пролетных строений мостов комбинированных систем с гибкими наклонными подвесками - Designing specialities of the combined bridge arch superstructures with inclined
hangers - “Network arches”, Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. №1 (53), 2017 г. Иркутск. с. 219-224.
22
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа