close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Моделирование и расчет конструкций перекрытий подземных переходов с учетом распорного взаимодействия элементов

код для вставкиСкачать
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В крупных городах особо острой является проблема
безопасности движения на дорогах. Проблема во многом определяется
несоответствием темпов увеличения личного автотранспорта населения и
модернизации дорожно-транспортной сети.
Только за последние два года, по данным ГИБДД, было зафиксировано 357
694 ДТП, из них 184 000 ДТП в 2015 г. и 173 694 ДТП в 2016 г. В них
пострадало порядка 50 000 человек. Из них пешеходов было в 2015 году 7138
и 2016 году 5931. Основное количество наездов на пешеходов происходит на
перекрестках, где находится пересечение транспортных и пешеходных
потоков.
Для обеспечения безопасности пешеходов транспортные и пешеходные
потоки целесообразно располагать в разных уровнях посредством устройства
подземных и надземных переходов. Главным недостатком надземных
переходов является их высота, что делает их неприемлемыми для
маломобильных групп населения, а также низкая архитектурная
выразительность. Недостатком подземных переходов является относительно
высокая стоимость. Снижение стоимости подземных переходов и повышение
безопасности движения на городских дорогах – актуальная задача.
Степень разработанности темы.
Вопросам совершенствования конструкций подземных переходов
посвящены работы Р.Ш. Абжалимова, К.Р. Кашаповой, В.П. Кожушко, А.Н.
Мамина, И.А. Назаретова, В.Г. Клейн и др. Они рассматривают следующие
пути совершенствования: взаимодействие грунтов с конструкциями
пешеходных переходов, учет совместной работы перекрытий подземных
переходов с конструкцией дорожной одежды, применение новых несущих
конструктивных элементов и т.д. Основной целью этих исследований
является снижение стоимости подземных переходов.
Вопросам распорного взаимодействия элементов посвящены работы А.А.
Гвоздева, С.П. Тимошенко, Я.Ф. Погребного, М.А. Янкелевича, В.А.
Быстрова и др. Ими были получены данные, свидетельствующие об
эффективности применения распорных конструктивных систем.
Цель работы.
Совершенствование методики расчѐта конструкций монолитных
сводчатых железобетонных перекрытий подземных переходов на основе
выявления и учета закономерностей распорного взаимодействия элементов.
Для реализации поставленной цели решаются следующие задачи:
– разработка эффективной конструкции перекрытий малозаглубленных
подземных переходов с анализом механизма и условий возникновения
распорного взаимодействия конструктивных элементов в перекрытиях с
нижней сводчатой поверхностью;
4
– определение границ эффективного использования арочного
профилированного настила в качестве несъѐмной опалубки в перекрытиях с
нижней сводчатой поверхностью;
– разработка расчѐтных моделей и алгоритмов для определения распорных
усилий в перекрытиях с нижней сводчатой поверхностью;
– исследование работы многопролетных перекрытий с нижней сводчатой
поверхностью на участках соединения с колоннами;
– экспериментальная проверка полученных данных.
Объект исследования. Однопролетные и многопролетные монолитные
перекрытия малозаглубленных подземных переходов с нижней сводчатой
поверхностью.
Предмет исследования. Работа элементов перекрытий с нижней
сводчатой поверхностью в стесненных условиях взаимодействия с
дорожными конструкциями.
Научную новизну работы составляют:
– конструкция сборно-монолитного и монолитного перекрытий
малозаглубленных подземных переходов с нижней сводчатой поверхностью,
изготовленных на несъемной опалубке из арочного профилированного
настила;
– расчетный алгоритм для определения распорных усилий в перекрытиях
с нижней сводчатой поверхностью при неподвижных и податливых опорах;
– данные о распорном взаимодействии отдельных пролетов перекрытий
при учете случайной горизонтальной податливости опор;
– способ расчета на продавливание при расчете монолитных перекрытий
многопролетных подземных переходов.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Применение разработанного конструктивного решения перекрытия
позволяет:
– производить выбор конструктивной системы подземного перехода с
варьированием объемно-планировочных решений;
– снизить расход бетона и стали на 10% по сравнению с традиционными
типами перекрытий;
– снизить трудовые затраты на 50% за счет упрощения опалубочных работ
по сравнению с монолитными безбалочными перекрытиями.
На базе проведенных исследований разработаны рекомендации по
проектированию перекрытий малозаглубленных подземных переходов с
нижней сводчатой поверхностью, принятые проектными организациями
г. Омска для использования в практических целях.
Методология и методы исследования.
В работе использованы основные положения теории упругости и
существующие методы строительной механики, а также методы численного
моделирования работы конструкций перекрытий подземных переходов,
реализованных в общедоступной математической среде MS Excel и
5
современного лицензированного конечно-элементного вычислительного
комплекса ”ПК Лира”.
Положения, выносимые на защиту:
– новое конструктивное решение монолитного и сборно-монолитного
перекрытий с нижней сводчатой поверхностью;
– методика расчета распорных усилий в перекрытиях малозаглубленных
подземных переходов с нижней сводчатой поверхностью;
– теоретические и экспериментальные данные исследований фрагментов
перекрытий с нижней сводчатой поверхностью;
– рекомендации по проектированию перекрытий малозаглубленных
подземных переходов с нижней сводчатой поверхностью.
Достоверность научных положений и результатов основывается на
использовании современных конечно-элементных методов расчета
сертифицированных программных средств. Достоверность численных
расчетов подтверждается результатами экспериментальных исследований
фрагментов перекрытий с нижней сводчатой поверхностью.
Апробация работ.
Основные положения диссертации доложены и обсуждены на научнотехнических конференциях различного уровня:
V Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов
и молодых ученых “Развитие дорожно-транспортного комплекса и
строительной
инфраструктуры
на
основе
рационального
природопользования” (Омск, СибАДИ, 2010 г.);
64-я научно-техническая конференция ГОУ «СибАДИ» “Креативные
подходы в образовательной, научной и производственной деятельности”
(Омск, СибАДИ, 2010 г.);
VI Всероссийская научно-практическая конференция студентов,
аспирантов и молодых ученых “Развитие дорожно-транспортного комплекса
и
строительной
инфраструктуры
на
основе
рационального
природопользования” (Омск, СибАДИ, 2011 г.);
Всероссийская 65-я научно-техническая конференция ФГБОУ ВПО
«СибАДИ»
(с
международным
участием)
“Ориентированные
фундаментальные и прикладные исследования – основа модернизации и
инновационного развития архитектурно-строительного и дорожнотранспортного комплексов России” (Омск, СибАДИ, 2011 г.);
VII Всероссийская научно-практическая конференция ФГБОУ ВПО
“СибАДИ” (с международным участием). “Развитие дорожно-транспортного
комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального
природопользования” (Омск, СибАДИ, 2012 г.);
Международная научно-методическая конференция, посвященная 100летию со дня рождения В.Н. Байкова (4–5 апреля 2012 г., Москва).
Публикации и изобретения. По материалам диссертации опубликовано
14 работ, в том числе шесть научных статей в рецензируемых изданиях,
6
рекомендованных ВАК РФ. Новизна технического решения подтверждена
патентом РФ на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав,
общих выводов, библиографического списка. Работа изложена на 181
страницах, содержит 104 рисунка и 39 таблиц. Библиографический список
включает 151 наименование. Содержит приложение.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность
темы, показана научная новизна и практическая значимость полученных
результатов, а также сформулированы основные положения, выносимые на
защиту. Кратко изложено содержание диссертационной работы.
В первой главе выполнен анализ работ, посвященных способам
совершенствования конструкций подземных пешеходных переходов.
Выполнен обзор конструктивных систем перекрытий надземных и
подземных транспортных сооружений. Рассмотрены основные типы
конструкций перекрытий, выявлены основные достоинства и недостатки.
В обзоре исследований совместной работы элементов перекрытий
отмечена важность учета совместной работы элементов железобетонных
конструкций, которая неоднократно подчеркивалась ведущими учеными и
специалистами в области железобетона: А.А. Гвоздевым, В.Н. Байковым*,
С.М. Крыловым, В.А. Клевцовым, К.В. Михайловым, А.С. Семченковым,
Ю.В. Краснощековым**. Их общее мнение – выявление и учет совместной
работы элементов дают экономический эффект и указания для более
правильного конструирования.
Выполнен обзор исследований распорного взаимодействия элементов
транспортных сооружений, в результате которого установлено, что механизм
и условия возникновения распоров изучены достаточно полно, а
многочисленные опытные данные свидетельствуют об эффективности учета
их влияния. Однако существующие методики по учету распорного
взаимодействия элементов громоздки и неудобны для инженерных расчетов.
В завершение первой главы выделены нерешенные проблемы,
сформулированы цель и задачи исследования.
Предложено новое конструктивное решение перекрытия с нижней
сводчатой поверхностью (Рисунок 1), которое представляет собой
монолитную плиту 1 с плоской верхней гранью и переменной высотой
сечения, увеличивающейся к опорам. Нижняя сводчатая поверхность описана
параболой, которая образуется путем укладки на ригели заводского
* Байков В.Н. Исследование совместной работы сборных железобетонных элементов в
системах плоских и пространственных конструкций : дис. ... д-ра техн. наук, 1967.
** Краснощеков Ю.В. Научные основы исследований взаимодействия элементов
железобетонных конструкций : дис. ... д-ра техн. наук, 2001.
7
изготовления или монолитные 2, несъемной опалубки из листов профнастила
в виде пологих арок 3. Профнастил крепят к ригелям, которые располагаются
поперек гофр профилированных листов в их торцевых стыках. Пологая арка
имеет вылет стрелы f = 1/20 – 1/30 длины пролета. Минимальная толщина
бетона в середине пролета составляет hб = 50 – 70 мм.
Рисунок 1 – Фрагмент монолитного перекрытия с нижней сводчатой поверхностью:
1 – монолитное перекрытие; 2 – сборные балки; 3 – несъемная опалубка из профнастила;
ПНСП – перекрытие с нижней сводчатой поверхностью
Для обеспечения неразрезности конструкции в плите предусматривается
надопорное
армирование.
Для
распорных
связей
применяются
железобетонные балки или арматура из высокопрочной стали с
предварительным напряжением.
В описанной конструкции в наибольшей степени реализовано влияние
распорного взаимодействия перекрытий, которое требует детального
исследования.
8
Данный тип перекрытий может эффективно использоваться в
конструкциях малозаглубленных подземных переходов.
Проведено сравнение основных затрат, которое показало, что расход
бетона, требуемого на возведение монолитных перекрытий с нижней
сводчатой поверхностью, меньше на 10%, стали – на 10%, трудовых затрат –
на 50% по сравнению с монолитными безбалочными перекрытиями.
Во второй главе изучен механизм и условия возникновения распорного
взаимодействия в перекрытиях с нижней сводчатой поверхностью, изложены
результаты численных исследований распорного взаимодействия, выполнен
анализ явления распорности с позиций теории надежности.
Перемещения торцов Δ (Рисунок 2) в стесненных условиях являются
основным критерием возникновения распора H.
Рисунок 2 – Перемещение торцов при изгибе:
а – конструктивная схема; б - расчетная схема; в - основная система
В общем случае продольные перемещения и распор связаны системой
уравнений
Δ = Δmax·α, где 0≤ α ≤1;
(1)
H = Hmax·β, где 0≤ β ≤1,
(2)
где Δmax – перемещения при свободном опирании элемента; Hmax – значение
распора при неподвижных опорах; α и β – коэффициенты, характеризующие
податливость опор.
На основании расчетов принята зависимость между продольными
перемещениями и распором в виде
Δ/Δmax =1- H /Hmax,
(3)
α=1- β.
(4)
9
На основе предпосылок о случайной природе распора получено для
предельных состояний 1й группы
(5)
 01   0 (1  3v  ) ,
где  0 – среднее значение перемещения; vΔ – коэффициент вариации.
Из условия Δ01 ≈ 0 получено vΔ = 1/3.
При  0   max / 2 для предельных состояний 2й группы:
 02   0 (1  1,64v )  0,77 max .
(6)
Изучены особенности пространственной работы перекрытий с нижней
сводчатой поверхностью в различных конструктивных системах
транспортных сооружений, которые обусловлены различием распорного
взаимодействия условных арочных элементов (фрагментов) с опорными
конструкциями.
На основании расчетов перекрытий с нижней сводчатой поверхностью с
различными
геометрическими
характеристиками,
проведенных
в
программном комплексе “Лира”, определена возможность возникновения
распоров и коэффициенты податливости α и β для различных
конструктивных схем подземных сооружений (Таблица 1). Проведены
расчеты о влиянии продольных и поперечных ригелей (ребер) на
напряженно-деформированное состояние перекрытия в каркасных
конструктивных схемах, которые показывают, что конструктивными
методами можно обеспечить условия, при которых пространственная работа
перекрытий с нижней сводчатой поверхностью практически не проявляется.
Таблица 1 – Значения коэффициентов α и β
Бескаркасные
Бескаркасные
№
транспортные сооружения транспортные сооружения
п/п
с продольными несущими с поперечными несущими
стенами
стенами
Средний пролет
α
0,03 – 0,10
0,24 – 0,30
β
0,97 – 0,90
0,76 – 0,70
Крайний пролет
α
0,46 – 0,54
0,24 – 0,30
β
0,54 – 0,46
0,76 – 0,70
Каркасные
транспортные
сооружения
0,20 – 0,25
0,80 – 0,75
1
0
Также проведены исследования напряженно-деформированного состояния
перекрытий с нижней сводчатой поверхностью в нелинейной постановке
(Рисунок 3).
Рисунок 3 – Расчетная схема фрагментов перекрытий подземных переходов
10
Для исследования напряженно-деформированного состояния и процесса
трещинообразования выполнено моделирование арочных фрагментов
перекрытий шириной 245 мм из объемных конечных элементов. Расчет
проведен на действие эквивалентных распределенных и сосредоточенных
нагрузок. Максимальное значение эквивалентной распределенной нагрузки
соответствует нагрузке АК по ГОСТ 32960-2014 с учетом собственного веса
дорожного полотна. При задании жесткости использован трехлинейный
закон деформирования с характеристиками тяжелого бетона класса В20
(Рисунок 4).
При загружении распределенной и
эквивалентной
сосредоточенной
нагрузкой трещины образовывались в
приопорной верхней части плиты.
В
результате
исследований
установлено,
что
при
низких
значениях
нагрузок расхождения
результатов расчетов в нелинейной и
линейной постановке составляют не
более
5%.
Расчет
монолитных
перекрытий с нижней сводчатой
поверхностью пролетом до 6 м можно
Рисунок 4 – Трехлинейный
проводить в линейной постановке
закон деформирования бетона
даже
при
высоком
значении
В20
распределенных нагрузок.
При пролетах более 6 м расчет следует проводить с учетом неупругих
деформаций бетона.
В третьей главе приведены результаты теоретических исследований,
основанных на существующих нормах проектирования, взаимодействия
несущих элементов подземных переходов и перекрытий с нижней сводчатой
поверхностью. Применены существующие методы строительной механики
для разработки расчетных алгоритмов по определению распора в
перекрытиях с нижней сводчатой поверхностью.
Определение
распора
в
арочных
фрагментах
из
профилированного
настила
возможно численным методом, в
основе
которого
лежит
математическая модель стержня,
описанного
параболой
постоянной
кривизны,
нагруженного внешними силами
(Рисунок 5), представленная
шестью
дифференциальными
Рисунок 5 – Схема равновесия
уравнениями:
бесконечно малого элемента дуги
11
N′ = -Q-qzr, (7)
W′= -V,
(10)
Q′ = N-qyr, (8)
V′ = W - r, (11)
M′ = Qr,
(9)
Δφ′ =Mr/EIx .
(12)
В основу решения положена схема Эйлера численного интегрирования
систем дифференциальных уравнений первого порядка, в которой
производная функции f в точке (i+1) представлена в виде
f ′i+1 = (fi+1 – fi)/δφ,
(13)
где  = 2/n – шаг приращения текущего угла , который должен быть
достаточно мал, что достигается, например, для замкнутого кругового
стержня при n  360.
При таком подходе система рассматриваемых шести дифференциальных
уравнений может быть представлена как
Ni+1 = Ni - (Qi + qzir), (14)
Wi+1 = Wi - Vi,
(17)
Qi+1 = Qi + (Ni - qyir), (15)
Vi+1 = Vi + (Wi - ri), (18)
Mi+1 = Mi + Qir,
(16)
i+1 = i +(Mir /EIix), (19)
где V, W – прогиб и продольное перемещение оси арки; N, Q, M – внутренние
усилия в сечении арки; φ – угол поворота оси арки при изгибе; E модуль
упругости материала; Ix – момент инерции поперечного сечения кругового
стержня; r – радиус кругового стержня.
Используя предложенную схему, процесс интегрирования легко
реализуется в среде электронных таблиц Excel при произвольных начальных
параметрах. Отыскание начальных параметров производится с помощью
стандартной процедуры Excel «Поиск решения». В данной процедуре
применен метод Ньютона подбора значений начальных параметров No, Qo,
Mo, Wo, Vo, o.
Также
возможно
определение
распора
с
использованием
дифференциального уравнения изгиба в виде
d2y
(20)
E z 2  M x  0 ,
dx
где M x – изгибающий момент в сечении на расстоянии x от опоры от внешней
нагрузки с учетом распора.
Рассмотрим случай равномерно распределенной внешней нагрузки, при
которой уравнение изгибающих моментов на расстоянии x от опоры имеет
вид (Рисунок 6)
qx 2
qlx qx 2
Mx  Rx
 H  ex 

 H q  ex .
(21)
2
2
2
Величина эксцентриситета силы распора еx в произвольном сечении x,
определяется уравнением:
h 2 fx2 2 fx
ex  y0   2 
c,
(22)
2
l
l
12
Рисунок 6 – Расчетная схема однопролетного фрагмента
перекрытия для определения распора от распределенной нагрузки
На рисунке 6: f – стрела подъема арки; l – пролет арки; еx – эксцентриситет
приложения силы распора; H – распор; hб – высота бетона в середине пролета
перекрытия; x – текущая координата; q – распределенная; R – реакция опоры;
c – расстояние от опоры до точки приложения усилия распора (установки
затяжки).
Подставлением (21) и (22) в (20) получается уравнение физической оси
перекрытия с нижней сводчатой поверхностью в виде
3
d2y
4 fx 2 4 fx  
 h 2 fx 2 2 fx
  qlx qx 2   Eb 
 Hq   2 
 с  

  h  2 
  . (23)
dx 2
l
l
2   12 
l
l  
2
  2
Решение уравнения (23) получено методом конечных разностей.
К достоинствам данного метода расчета следует отнести возможность
учета переменной жесткости элементов, возможность моделирования
процесса трещинообразования в перекрытии. Предложенный метод является
универсальным, так как позволяет определять распор H при произвольных
нагрузках.
Результаты расчетов по определению распора в арочных фрагментах
перекрытий приведены на рисунке 7 и в таблице 2.
Рисунок 7 – Эпюры моментов во фрагменте перекрытия
арочной формы пролетом l=3000 мм, вылетом стрелы f
=120 мм, высотой h=160 мм, от равномерно
распределенной нагрузки при неподвижных опорах
13
Таблица 2 – Сравнение сил распора в железобетонных
фрагментах перекрытий арочной формы от действия
равномерно-распределенной нагрузки
№
п/п
1
2
3
4
5
6
l,
мм
3000
3000
3000
3500
3500
3500
f,
мм
100
120
150
120
140
175
h,
мм
140
160
190
170
190
225
l/f
30
25
20
30
25
20
Hq,
Hq,
кН (ПК) кН (ур.23)
8,81
9,37
7,63
8,03
6,73
6,62
9,98
10,56
8,76
9,28
7,25
7,66
%
6,36
5,24
1,63
5,81
5,94
5,66
Из таблицы 2 следует: распорные усилия в железобетонных фрагментах
перекрытий арочной формы увеличиваются при увеличении пролета l и
уменьшаются при увеличении стрелы подъема арки f и общей высоты h.
Значения распоров, полученных методом конечных элементов и методом
конечных разностей, сопоставимы.
Одной из наиболее остро стоящих проблем при проектировании
монолитных перекрытий каркасных сооружений является их прочность на
продавливание. Поэтому проведены исследования о влиянии соотношения
размеров колонн bк и рабочей высоты перекрытия на опоре h0 на прочность
перекрытия при продавливании.
В результате исследований получен корректирующий коэффициент k,
который следует вводить в расчет при использовании классического метода
расчѐта на продавливание:
F ≤ k Rbt·u·h0,
(24)
k =(ω+3)/2(ω+1),
(25)
ω= bк / h0.
(26)
Для безбалочных монолитных перекрытий характерны значения ω = 2…3,
поэтому при расчѐте их на продавливание следует принимать k = 0,75 или
решать вопрос о применении поперечной арматуры на основании расчѐта
прочности по наклонным сечениям на действие поперечной силы.
Перекрытия с нижней сводчатой поверхностью на участках соединения с
колоннами обладают повышенной надежностью, поскольку имеют ω ≈ 1.
Таблица 3 – Коэффициенты относительной прочности плиты перекрытия
ω
k
3,5
0,72
3
0,75
2,5
0,78
2
0,83
1,5
0,90
1
1
0,5
1,17
0
1,50
В четвертой главе приведены результаты экспериментальных
исследований.
Исследование направлено на изучение напряженно-деформированного
состояния арочных фрагментов перекрытий с нижней сводчатой
поверхностью на стадии возведения и эксплуатации, проверку достоверности
14
полученных формул и отработку технологических процессов по устройству
перекрытий.
Проведены экспериментальные исследования арок из профилированного
настила на действие монтажных нагрузок от веса монтажника и
свежеуложенного бетона.
Были изготовлены три масштабные модели, в масштабе 1:1, из стального
профилированного настила арочной формы пролетом l = 3500 мм, шириной B
= 300 мм. Для арок принято отношение f = l/25. При сохранении этого
отношения высота опытной арки f = 3500/25=140 мм. Для опытных моделей
использован профнастил марки НС21-1000-1.
Арки загружали бетонными блоками
со средней массой 18 кг.
Деформации арки измеряли прогибомерами Максимова в середине и в третях
пролета Б, В, Г. Опоры арки выполнены из уголков, закрепленных на
металлических траверсах. Перемещения опор измеряли индикаторами
часового типа А, Д с ценой деления 0.01 мм.
Рисунок 8 – Схема испытания
профилированного настила:
а – на монтажную нагрузку
от
веса
монтажника
в
середине пролета;
б – на монтажную нагрузку от
веса свежеуложенного бетона
в приопорных зонах;
в – на монтажную нагрузку от
веса свежеуложенного бетона,
распределенного по всей
поверхности
На рисунке 8 представлены испытательные схемы профилированного
настила на монтажную нагрузку. В таблицах 4 – 6 приведены результаты
сравнения численных уравнения 14 – 19 и экспериментальных значений
деформаций f.
Численные и экспериментальные значения деформаций f в пологой арке
при загружении сосредоточенной силой от веса монтажника в середине
пролета приведены в таблице 4.
Таблица 4 – Значения деформаций f в пологой арке
при загружении сосредоточенной силой от веса
монтажника в середине пролета
№п/п
Q1 ,
Н
fоп,
мм
fт,
мм
γcp=fоп/fт
0
1
2
3
4
0
185
367,5
552,5
732,5
0
5,8
8,9
13,6
17,8
0
3,22
6,56
10,3
13,3
0
1,80
1,36
1,32
1,34
γcp · fт,
мм
(γcp =1,25)
0
4,0
8,2
12,9
16,6
15
Численные и экспериментальные значения деформаций в пологой арке при
загружении нагрузкой от веса свежеуложенного бетона в приопорных зонах
при бетонировании от опор к середине приведены в таблице 5.
Таблица 5 – Значения деформаций в пологой арке при загружении
свежеуложенным бетоном в приопорных зонах
№п/п
Q2 · 2 ,
Н
Qитог,
Н
fоп,,
мм
fт,
мм
γcp
=fоп/fт
0
1
2
3
4
0
185 х 2
365 х 2
550 х 2
735 х 2
0
370
730
1100
1470
0
2,4
4,9
5,3
6,0
0
0,92
2,66
3,63
4,65
0
2,61
1,84
1,46
1,29
γcp · fпр,
мм
(γcp =1,25)
0
1,2
3,3
4,5
5,8
Численные и экспериментальные значения деформаций в пологой арке при
загружении нагрузкой от веса свежеуложенного бетона, распределенного по
всей поверхности, приведены в таблице 6.
Таблица 6 – Значения деформаций в пологой арке при
загружении свежеуложенным бетоном
№п/п
Σqb,
Н
fоп,,
мм
fт,
мм
γcp
=fоп/fт
0
1
2
3
4
5
6
7
0
185
552,5
912,5
1282,5
1652,5
2022,5
2372,5
0
5,4
12,4
17,3
21,1
23,2
24,2
26,1
0
3,54
7,50
13,78
17,45
18,9
19,02
20,55
0
1,53
1,65
1,26
1,21
1,23
1,27
1,27
γcp · fт
мм
(γcp =1,25)
0
4,4
9,4
17,2
21,8
23,6
23,8
25,7
Для теоретических значений прогиба введен коэффициент условия работы
арочного профилированного настила γcp=fпр/fт≈1,25.
Проведены численные исследования пологих арок на несимметричное
действие монтажных нагрузок, в результате которых получены
коэффициенты устойчивости для следующих вариантов загружений:
– при произвольном расположении нагрузки от веса монтажника
коэффициент устойчивости пологой арки составил k=6,95;
– при нагрузке от веса свежеуложенного бетона при его расположении с
одной стороны k=4,42;
– при совместном действии нагрузок от веса свежеуложенного бетона и
веса монтажника k=2,82.
По результатам испытаний было установлено, что прочность стального
профилированного настила арочной формы для восприятия монтажных
нагрузок достаточна, потеря устойчивости пологой арки не происходит,
16
перемещения и прогибы соответствуют условиям, при которых возможно
устройство перекрытия.
Для снижения нагрузки на несъемную опалубку и экономии материала
арочному профнастилу целесообразно задавать дополнительное значение
вылета стрелы f≈l0 /200 (строительный подъем).
Проведены экспериментальные исследования фрагментов монолитных
перекрытий с нижней сводчатой поверхностью на кратковременное действие
равномерно распределенной нагрузки и эквивалентной сосредоточенной
нагрузки в середине пролета.
Изготовлены две группы моделей, масштаба 1:1 (Рисунок 9):
Рисунок 9 – Экспериментальные фрагменты перекрытий подземных переходов:
а – с армированием из стержневой арматуры; б – без армирования
1-я группа: фрагменты перекрытия из монолитного бетона класса В20 без
армирования пролетом l=3500 мм, шириной B=300 мм. Нижняя сводчатая
поверхность сформирована из арочного профилированного настила.
2-я группа: фрагменты из монолитного бетона класса В20 с продольным
армированием из стержневой арматуры 2ø10 А400 Asф =157 мм2 пролетом
l=3500 мм, шириной B=300 мм. Нижняя сводчатая поверхность выполнена из
арочного профилированного настила.
Перед проведением испытаний модели перекрытий с нижней сводчатой
поверхностью были тщательно исследованы на наличие дефектов: трещин,
сколов, замерены их геометрические характеристики. Затяжки выполнены из
двух стержней арматуры ø10 А400, установленными на расстоянии 30 –60 мм
от опор опытных образцов.
Деформации моделей измерялись индикаторами часового типа с ценой
деления 0,01 и 0,001 мм. Деформации в затяжках измерялись индикаторами
часового типа с ценой деления 0,001 мм. Загружение производили
17
бетонными блоками со средней массой 18 кг до уровня нормативной
нагрузки.
Проведены испытания фрагментов перекрытий с нижней сводчатой
поверхностью по арочной схеме на действие равномерно распределенной
нагрузки. Испытано три модели из первой группы (Рисунок 10, а).
Рисунок 10 – Схема испытаний фрагментов перекрытий подземных переходов с нижней
сводчатой поверхностью:
а – по арочной схеме на действие равномерно-распределенной нагрузки;
б – по арочной схеме на действие эквивалентной сосредоточенной нагрузки;
в – с раскреплением поверху на действие равномерно-распределенной нагрузки;
г – по комбинированной схеме на действие равномерно-распределенной нагрузки
Опытные модели перекрытий не были доведены до разрушения. Расчетные
моменты от нагрузки составили M≈0,5 Mult.
Результаты сравнения экспериментальных и теоретических значений сил
распора H
на различных уровнях загружений в опытных образцах
представлены в таблице 7.
Таблица 7 – Результаты сравнения экспериментальных и теоретических значений сил
распора
q,
Н/мм
0
0,205
0,417
0,626
0,828
1,031
1,234
1,540
1,925
Образец №1
Образец №2
Образец №3
НТ,
НЭ,
q,
НТ,
НЭ,
q,
НТ,
НЭ,
%
%
%
Н
Н
Н/мм
Н
Н
Н/мм
Н
Н
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1047,4
989,1
5,5
841,3 769,3 8,6 0,203 1973,8 1744,9 11,6 0,3
2173,5 2060,6 5,2
1468,6 1401,2 4,5 0,406 3162,8 3323,6 4,8
0,6
3331,1 3214,6 3,5
2779,8 2472,7 11,0 0,606 4059,7 4021,5 1,0
0,9
4882,0 4615,8 5,4
3195,0 3077,2 3,4 0,808 5675,9 5766,4 1,5
1,2
6574,5 5852,2 11,0
3899,4 4011,3 2,8 1,011 7469,5 7688,6 2,8
1,5
7968,1 7070,9 11,3
4705,0 4615,8 1,9 1,214 9945,3 8735,5 12,2 1,8
9172,8 9066,7 1,2
5659,5 5989,5 5,5
2,1
10260,6
10962,5 6,3
6985,9 7363,3 5,1
2,4
При сравнении значений распора, полученных в результате эксперимента,
и теоретических расчетов, выполненных по методу конечных разностей,
выявлено: расхождение теоретических и экспериментальных значений
распоров составляет не более 13%.
18
Проведены испытания модели перекрытия с нижней сводчатой
поверхностью по арочной схеме на действие сосредоточенной нагрузки в
середине пролета (Рисунок 10, б). Испытано две модели из первой группы.
Рисунок 11 – Зависимость значений распора от
равномерно распределенной нагрузки
При нагрузке P=2480Н произошло разрушение, с образованием трещины в
середине пролета. Момент от нагрузки составили M≈0,97 Mult.
Результаты сравнения экспериментальных и теоретических значений сил
распора H
на различных уровнях загружений в опытном образце
представлены в таблице 8.
Таблица 8 – Результаты сравнения экспериментальных и теоретических
значений сил распора
Образец №4
Образец №5
Q,
Н
0
360
710
1060
1410
1770
2130
НТ,
Н
0
1596,8
2973,9
4739,5
6908,9
7588,9
9032
НЭ,
Н
0
1133,6
2433,1
3091,7
4082,8
5398,9
6390
%
0
29,01
18,18
34,77
40,91
28,86
29,25
Q,
Н
0
350
700
1050
1390
-
НТ,
Н
0
1349
2962
4125
5298
-
НЭ,
Н
0
989,1
1978,2
2967,3
3873,9
-
%
0
26,6
33,3
28,0
26,9
-
При сравнении значений распора, полученных в результате эксперимента
и теоретических расчетов, выявлено: значения распоров, полученных
методом конечных разностей от эквивалентной сосредоточенной нагрузки в
середине пролета, в среднем на 30% выше экспериментальных. Таким
образом, при расчете распора следует вводить понижающие коэффициенты.
19
Проведены испытания модели перекрытия с нижней сводчатой
поверхностью с раскреплением поверху (Рисунок 10, в). При нагрузке,
равной 0,308 Н/мм, в балке образовалась трещина в трети пролета шириной
0,5 мм. При нагрузке 0,580 Н/мм произошло разрушение модели.
Образовалась трещина в середине пролета.
Экспериментальные данные свидетельствуют, что перекрытия с нижней
сводчатой поверхностью малоэффективны при применении их в
безраспорных конструктивных системах.
Также проведены испытания модели перекрытия с нижней сводчатой
поверхностью по комбинированной схеме на действие равномерно
распределенной нагрузки (Рисунок 10, г). На модель задавалась нагрузка
ступенями в среднем по 0,303 Н/мм до достижения нагрузки в 2,406 Н/мм.
Экспериментальная проверка комбинированной схемы выявила ее высокую
надежность, поскольку при достижении расчетной нагрузки максимальное
значение прогиба составило не более 30% от предельного значения, трещины
в опытном образце не выявлены.
Проведены экспериментальные исследования прочности плит перекрытий
с нижней сводчатой поверхностью на участках соединения с колоннами.
Испытано 6 железобетонных плит с размерами в плане 10001000 мм,
толщиной 100 мм. Плиты были изготовлены по заводской технологии из
бетона одного замеса с применением мелкого заполнителя, размерами не
более 10 мм. Для контроля прочности бетона были изготовлены в
стандартных формах кубы с размерами сторон 100 мм.
Плиты армированы сетками из стержневой арматуры ø10 А400. Шаг
стержней в обоих направлениях 100 мм. В каждой плите сетка располагалась
на расстоянии 20 мм от растянутой грани. Армирование опытных плит было
принято из условия минимизации вероятности разрушения от изгибающих
моментов. Значения изгибающих моментов определяли из статического
расчѐта плит, свободно опѐртых по контуру и загруженных на ограниченных
площадках в центре.
Плиты попарно испытывали до разрушения на продавливание
приложением продавливающей силы через стальные пластины 100100 мм
(плиты 1 и 2), 200200 мм (плиты 3 и 4) и 300300 мм (плиты 5 и 6).
Гидравлическим домкратом нагрузка ступенями передавалась на плиты через
систему траверс. Схема испытательной установки приведена на рисунке 12.
Разрушение плит фиксировалось по максимальной испытательной
нагрузке и сопровождалось большими деформациями и раскрытием трещин
до 5 мм.
Так как при максимальной нагрузке значения изгибающих моментов
оказались меньше несущей способности по прочности нормальных сечений
на 15 – 38%, поэтому сделан вывод, что причиной разрушения явилось
исчерпание прочности по поперечной силе. Несущая способность плит при
действии поперечной силы оказалась меньше на 10 – 39% расчѐтных
значений прочности на продавливание.
20
Результаты испытаний и расчѐтов приведены в таблице 9.
Рисунок 12 – Испытательная установка на продавливание:
1 – испытываемый образец; 2 – опорные пластины; 3 – нижние
траверсы; 4 – верхняя траверса; 5 – силовая траверса; 6 –
домкрат; 7 – тяги; 8 – металлическая рама; 9 – стальные
пластины разных размеров; 10 – силовой пол
Эксперимент показал близость опытных и расчѐтных значений
коэффициента k, что свидетельствует о зависимости прочности плиты от
соотношения размеров элементов   bк / h0 .
Таблица 9 – Результаты испытаний плит
Номер
F,
Qb,
Fоп, кН
kоп = Fоп/ F
плиты
кН
кН
1
93
0,90
103
91
0,855
2
83
0,81
3
123
0,83
149
118
0,795
4
113
0,76
5
133
0,61
217
45
0,610
6
113*
–
* испытания не завершены по техническим причинам.
Fоп/Qb
ω
k
1,02
0,91
1,04
0,96
0,92
–
1,25
0,94
2,50
0,78
3,75
0,71
В пятой главе приведены рекомендации по проектированию перекрытий с
нижней сводчатой поверхностью.
Заключение
1. Разработано конструктивное решение перекрытий малозаглубленных
подземных переходов с нижней сводчатой поверхностью, имеющих меньший
расход материалов (стали и бетона) на 10% и трудовых затрат на 50% по
сравнению с монолитными безбалочными перекрытиями.
2. Арочный профилированный настил в сводчатых перекрытиях при
отсутствии конструктивных связей с бетоном выполняет две основные
функции: опалубки, обеспечивающей восприятие монтажных нагрузок, и
веса свежеуложенного бетона и резервирующего элемента, повышающего
надежность перекрытий в аварийных ситуациях в процессе эксплуатации
сооружений. Применение арочного профилированного настила в качестве
несъемной опалубки эффективно при пролетах от 3 до 8 м.
21
3. Выявлен механизм возникновения распорных усилий в железобетонных
элементах перекрытия, основным критерием которого является стесненность
деформирования в среде дорожного покрытия, и разработана методика
определения усилий при случайной податливости опор, позволяющая
выполнять расчет с необходимой надежностью. Адекватность методики
подтверждена
экспериментальными
исследованиями
фрагментов
перекрытий.
4. Максимальное расхождение расчетных значений распоров, полученных
методом конечных разностей и методом конечных элементов при
компьютерном моделировании, составило не более 6%. Расхождение
экспериментальных и теоретических результатов не превышает 13%.
Разрушение перекрытия сопровождается появлением пластической связи
в ключе сечения и последующей текучестью опорного армирования.
5. Прочность на продавливание зависит от отношения размеров
сопрягаемых элементов колонн и покрытия. Получен корректирующий
коэффициент к нормативным зависимостям.
Перспективы дальнейшей разработки темы.
Дальнейшие исследования целесообразно продолжить в направлении:
– исследование распорного взаимодействия элементов перекрытий при
динамических нагрузках;
– изучение огнестойкости перекрытий с нижней сводчатой поверхностью;
– исследование влияния жесткого дорожного покрытия над переходами и
реактивное давление грунта на стены на распорное взаимодействие
элементов.
Основные положения диссертационной работы нашли отражение в
следующих публикациях:
издания, входящие в перечень российских рецензируемых научных журналов и
изданий:
1. Краснощеков, Ю.В. Работа стального арочного профилированного листа
в составе пространственных конструкций / Ю.В. Краснощеков, А.А. Комлев
// Омский научный вестник. Серия «Приборы, машины и технологии». –
2010. – №2 (90). – С.120–123.
2. Краснощеков, Ю.В. Прочность плиты безбалочного перекрытия на
участках соединения с колоннами / Ю.В. Краснощеков, А.А. Комлев // Бетон
и железобетон. – 2011. – № 1.
3. Краснощеков, Ю.В. Распорность элементов конструктивных систем как
случайное явление / Ю.В. Краснощеков, А.А. Комлев // Вестник СибАДИ. –
Омск : СибАДИ. – Вып.1(35) – 2014. – С.45–49.
4. Комлев, А.А. Использование сборно-монолитных перекрытий с нижней
сводчатой поверхностью в малозаглубленных подземных пешеходных
переходах / А.А. Комлев, С.А. Макеев, Ю.В. Краснощеков // Вестник
СибАДИ. – Омск : СибАДИ. – Вып.1 (56–57) – 2017. – С.85-91.
22
5.
Комлев,
А.А.
Экспериментальные
исследования
работы
профилированного настила арочной формы под монтажными нагрузками в
перекрытиях с нижней сводчатой поверхностью подземных переходов / А.А.
Комлев, С.А. Макеев // Вестник СибАДИ. – Омск : СибАДИ. – Вып.1 (56-57)
– 2017. – С.92–101.
6. Комлев, А.А. Экспериментальные исследования монолитных
перекрытий подземных переходов с нижней сводчатой поверхностью / А.А.
Комлев, С.А. Макеев, Ю.В. Краснощеков // Вестник СибАДИ. – Омск :
СибАДИ. – Вып.1 (58) – 2017. (Принята в печать)
патенты РФ:
7. Пат. RU 109164 U1, МПК Е04В 1/20. Сборно-монолитное перекрытие на
несъемной опалубке из профилированного настила арочной формы /Ю.В.
Краснощеков, А.А. Комлев (RU). – №2011118889/03; заявл. 11.05.2011;
опубл. 10.10.2011.
другие издания:
8. Комлев, А.А. Эффективность несъемной опалубки из арочного
профилированного настила / А.А. Комлев // Развитие дорожнотранспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе
рационального природопользования: материалы V Всероссийской научнопрактической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых – Омск
: СибАДИ. – 2010. – Кн. 2. – С.174–177.
9. Комлев, А.А. Формирование и анализ расчетных схем монолитных
перекрытий с нижней сводчатой поверхностью / А.А. Комлев // Труды
молодых ученых, аспирантов и студентов : межвузовский сборник. –
Омск : СибАДИ. – 2010. – С.83–86.
10. Краснощеков, Ю.В. Экспериментальная проверка прочности плоских
плит перекрытий на продавливание / Ю.В. Краснощеков, А.А. Комлев //
Материалы 64-й научно-технической конференции ГОУ «СибАДИ» в рамках
Юбилейного Международного конгресса «Креативные подходы в
образовательной, научной и производственной деятельности», посвященного
80-летию академии. – Омск : СибАДИ. – 2010. – Кн.2. – С.219–222.
11. Комлев, А.А. О совместной работе профилированного настила с
бетоном в монолитных перекрытиях / А.А. Комлев // Труды аспирантов и
студентов ГОУ «СибАДИ» : сборник трудов. – Выпуск 8. – Омск : СибАДИ.
– 2011. – С.76-79.
12. Комлев А.А. Определение распорных усилий в перекрытиях с нижней
сводчатой поверхностью / А.А. Комлев // Материалы VI Всероссийской
научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых
«Развитие
дорожно-транспортного
комплекса
и
строительной
инфраструктуры на основе рационального природопользования» – Омск :
СибАДИ. – 2011. – Кн.1. – С.195–198.
13. Краснощеков, Ю.В. О живучести монолитных и сборно-монолитных
перекрытий, изготовленных на несъемной опалубке из профилированного
настила / Ю.В. Краснощеков, А.А. Комлев // Железобетонные конструкции :
23
исследования, проектирование, методика преподавания: сборник докладов
Международной научно-методической конференции, посвященной 100летию со дня рождения В.Н. Байкова (4–5 апреля 2012г., Москва)/ под ред.
А.Г. Тамарзяна; М-во образования и науки Росс. Федерации; ФГБОУ ВПО
“Моск. гос. строит. ун-т”. – М.: МГСУ. 2012. – С.194–197.
14. Комлев, А.А. Определение распорных усилий в перекрытиях с нижней
сводчатой поверхностью методом конечных разностей / А.А. Комлев //
Ориентированные фундаментальные и прикладные исследования – основа
модернизации и инновационного развития архитектурно-строительного и
дорожно-транспортного комплексов России : материалы Международной 66й научно-практической конференции – Омск : СибАДИ.
– 2012. – С.223–
226.
15. Комлев, А.А Исследование распорного взаимодействия в перекрытиях
/ А.А. Комлев // Материалы VII Всерос. науч.-практ. конф. (с
международным участием) «Развитие дорожно-транспортного комплекса и
строительной
инфраструктуры
на
основе
рационального
природопользования» – Омск : СибАДИ. – 2012. – Кн.1. – С.290–294.
24
Комлев Андрей Александрович
МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИЙ ПЕРЕКРЫТИЙ
ПОДЗЕМНЫХ ПЕРЕХОДОВ С УЧЕТОМ РАСПОРНОГО
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕМЕНТОВ
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Подписано к печати
Формат 60х90 1/18. Бумага писчая.
Оперативный способ печати.
Усл. п. л.1,2
Тираж
Заказ №
__________________________________________________________________
Отпечатано в типографии ИПК СибАДИ
644080, г. Омск, пр. Мира, 5
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа