Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния исследуемого вопроса 10
1.1 Краткий обзор опыта применения металлических гофрированных конструкций в грунтовой среде 10
1.2 Анализ методов расчета МГК в грунтовой среде на статические нагрузки 18
1.3 Анализ методов расчета МГК на динамические нагрузки 41
1.4 Нормирование методов расчета, проектирования и строительства МГК в грунтовой среде 47
1.5 Цели и методы исследования 50
2. Исследование напряженно-деформированного состояния МГК на действие статических нагрузок с использованием метода конечных элементов (МКЭ) 54
2.1 Обоснование модели грунтовой засыпки и расчетной схемы МГК 54
2.2 Анализ влияния неоднородности грунтовой засыпки и ее поведения в процессе эксплуатации на НДС МГК 58
2.3 Зависимость несущей способности металлической гофрированной конструкции арочного типа от способа закрепления пят арки в грунте 66
2.4 Задание временной нагрузки от железнодорожного транспорта при расчете МГК 69
2.5 Экспериментальная проверка основных положений расчета МГК 74
2.6 Выводы по главе 2. 85
3. Развитие инженерных методов расчета МГК на статические нагрузки 89
3.1.Построение приближенных уравнений равновесия МГК в грунтовой среде 89
3.2. Методика решения задачи 94
3.3.Давление грунта на МГК 105
3.4.Определение отпора грунта 107
3.5. Анализ напряженно - деформированного состояния МГК 110
3.6.Выводы по главе 3 113
4. Развитие методов расчета МГК на сейсмические нагрузки 114
4.1.Конечно - элементный анализ поведения МГК при сейсмических нагрузках. 115
4.1.1. Совершенствование методов учета инерционных свойств неограниченного грунтового основания МГК 123
4.2.Оценка сейсмостойкости арочных МГК взаимодействующих с грунтовой средой 130
4.2.1. Влияние взаимного смещения опор на несущую способность гибких арочных конструкций в грунтовой среде 130
4.2.2. Анализ влияния дополнительного инерционного давления грунта на НДС арки из МГК 135
4.3.Анализ возможности применяемых упрощенных методов расчета МГК на сейсмические нагрузки 140
4.4.Выводы по главе 4 144
Общие выводы 147
Литература 150
- Анализ методов расчета МГК в грунтовой среде на статические нагрузки
- Анализ влияния неоднородности грунтовой засыпки и ее поведения в процессе эксплуатации на НДС МГК
- Анализ напряженно - деформированного состояния МГК
- Влияние взаимного смещения опор на несущую способность гибких арочных конструкций в грунтовой среде
Введение к работе
Металлические гофрированные конструкции (МГК) применяются для строительства водопропускных и других подземных сооружений с конца XIIIV века. По сравнению с традиционными железобетонными конструкциями указанного типа МГК обладают существенными достоинствами:
• высокой экономической эффективностью;
• простотой сборки и возможностью выполнения ее небольшим числом рабочих невысокой квалификации;
• короткими сроками постройки сооружений, позволяющими быстро открывать движение по дороге;
• малым весом элементов и удобством их перевозки любыми видами транспортных средств;
• возможностью использования гофрированных металлических конструкций для замены старых каменных арочных мостов, деревянных эстакад и балочных мостов.
Элементы труб благодаря малому весу и возможности складирования в пачки весьма удобны для доставки на строительство как наземным, так и воздушным транспортом. Такие трубы применимы под насыпями значительной высоты, удобны для уширения дороги путем соответствующего наращивания секций, а также для реконструкции и ремонта старых сооружений. Однако опыт их применение в строительстве указывает на низкую надежность рассматриваемых сооружений при принятых подходах к их проектированию и строительству. Это до настоящего времени сдерживает внедрение перспективных конструкций в массовое строительство.
Обратимся к имеющемуся опыту строительства и эксплуатации МПС в грунтовой среде.
Гофрированные металлические трубы начали применяться в России и за рубежом еще в позапрошлом веке. Впервые трубы из волнистого металла были построены в России. В частности, петербургский металлический завод предложил их использование еще в 1875 году, как альтернативу деревянных водопропускных сооружений на железных дорогах [22].
Необходимо отметить, что основным преимуществом ЖБК по отношению к МГК является: меньшая чувствительность ЖБК к качеству грунта засыпки и технологии производства работ по возведению насыпи, более высокая коррозионная устойчивость и как следствие более продолжительный срок эксплуатации ЖБК.
Аналогичная ситуация имела место и с возведением МГК за рубежом [20, 49]. Первые трубы малого диаметра с толщиной металлического листа около 1 мм начали укладываться в 1896г. сначала при строительстве железных, а затем автомобильных дорог. Распространение гофрированных труб в США и Канаде в качестве водопропускных сооружений сопровождалось большой исследовательской работой. Так ассоциация американских железнодорожных инженеров (AREA) в 1953 г. опубликовала данные по результатам проверок состояния 300 водопропускных металлических труб диаметром от 1,52 ти и более. Проведенными в США обследованиями было установлено, что надежность и устойчивость в тонкостенных металлических трубах обеспечивается только при соблюдении правил качественной равномерной засыпки и уплотнения грунта. При устройстве многоочковых водопропускных труб были выявлены их дефекты, которые объяснялись сложностью уплотнения грунта между трубами. По этой причине в нормах США ограничено минимальное расстояние между трубами [124]. Во время второй мировой войны и в последующие годы металлические гофрированные трубы нашли свое применение в качестве временных искусственных сооружений при восстановлении и строительстве транспортных сооружений с ограниченным сроком эксплуатации.
Однако распространение области применения МПС на капитальное строительство вызвало серьезные возражения. Это было связано с повреждениями построенных труб из МГК. Так, инж. В. А Сумароков, работник службы эксплуатации Оренбургской ж.д., в докладной записке в адрес МПС в 1963 г. приводит данные о 50-летней эксплуатации металлических гофрированных труб, уложенных в 1903 г. на участке Оренбург—Джусалы [49]. Здесь было построено 197 труб отверстием 0,64 - 1,07 м из гофрированной оцинкованной стали толщиной в 1 мм с двумя типами гофров: один с длиной волны 60 мм и высотой 16 мм использован для труб отверстием 0,70 и 1,07 м; второй тип с длиной волны 68 мм и высотой 34 мм - для труб отверстием от 1,07 до 2,13 м. Трубы отверстием до 1,07 м укладывали при высоте насыпи до 11 м, а отверстием 1,49 и 2,13 м—при высоте насыпи до 5 - 6 м.
Всего за 50 лет вышло из строя 110 сооружений, или 55,7% от общего числа построенных. Основные причины те же, а именно: сплющивание труб из-за недостаточной жесткости конструкции, а иногда и недостаточной величины-засыпки над трубой (менее 1 м), коррозия в условиях агрессивной среды, наблюдавшаяся на засоленной территории Кзыл-Ордынокой и Актюбинском областей.
Новый всплеск интереса к МГК связан с интенсивным строительством Байкало-Амурской железнодорожной магистрали, а также строительством железнодорожных трасс Сибири и Дальнего Востока [120]. Такие качества МГК как простота сборки, короткие сроки постройки сооружений, позволяющие быстро открывать движение по дороге, малый вес элементов труб и удобство их перевозки любыми видами транспортных средств, простота и экономичность эксплуатации, обратили на себя внимание проектировщиков и строителей.
В 1967 г. отделение искусственных сооружений ЦНИИС, начав изучение работы металлических водопропускных сооружений, провело выборочное обследование 56 труб отверстием 0,53—2,13 м на участке Ташкент - Арысь Казахской ж.д. и на трех участках (Андижан — Уч-Курган и др.) Среднеазиатской ж.-д [49]. В обследованных трубах при их постройке использованы следующие профили гофров: 60x16 мм, 68x34 мм и 37x15 мм с толщиной листа 0,8 - 1,0 мм. Для отверстий 0,7 - 1,07 м при высоте насыпи до 4,5 м; 100x50 мм с толщиной листа 1,5 мм. Для отверстий 2,13 м при высоте насыпи до 3,5 -м.
В настоящее время в связи с совершенствованием изготовления самих гофрированных элементов и технологии засыпки появилась возможность использования подобных конструкций в капитальном строительстве, как для пропуска воды (трубы 0 до Зм), так и в качестве альтернативы малых мостов (трубы с пролетом 6 и более метров) рис. 1.2. Такое расширения области применения МГТС не имело научного и нормативного обеспечения. Имеющийся в России нормативный документ [35] относится только к круглым трубам диаметром до 3 м и основан на расчетном анализе деформаций труб при упрощающих гипотезах о давлении грунта на трубу. При таком положении вещей понятны массовые дефекты, возникающие при строительстве и эксплуатации мостов и труб из МГК, особенно большепролетных конструкций. Достаточно отметить, что в Санкт-Петербурге в последние годы построено два сооружения из МГК под железной дорогой - мост через р. Оккервиль пролетом 14 м и путепровод на линии Санкт-Петербург - Луга. Оба сооружения получили недопустимые деформации одно - на стадии строительства, а другое — сразу же после ввода в эксплуатацию.
Таким образом, опыт применения МГК в грунтовой среде убедительно показывает, что рассматриваемые конструкции при их положительных свойствах характеризуются относительно низкой надежностью и долговечностью. В процессе эксплуатации во многих случаях наблюдается рост недопустимых деформаций, а именно увеличение горизонтального и уменьшение вертикального диаметров трубы. Для исключения недопустимых деформаций труб необходимо дальнейшее развитие методов расчета МГК работающих совместно с грунтом, позволяющих прогнозировать прочность и долговечность МГК. Этому вопросу уделялось значительное внимание исследователей с момента первого применения МГК в строительстве. Анализу указанных исследований посвящен следующий раздел данной главы.
Анализ методов расчета МГК в грунтовой среде на статические нагрузки
Вопросы создания и совершенствования методов расчета труб и других МГК в грунтовой среде начали развиваться параллельно с их внедрением в практику строительства. Первые обоснования несущей способности гофрированных труб основывались на экспериментальном испытании натурных объектов на стендах, нагружаемых специальными домкратами. Практически сразу после предложений по применению МГК появились простейшие методы их теоретического анализа. В развитии методов расчета МГК можно выделить три этапа. На первом этапе с начала 1890-х годов до 1914 г расчет труб производился без учета их взаимодействия с грунтовой засыпкой. Действие грунта на МГК задавалось эпюрами давления, которые не зависели от перемещений конструкции. С середины 30-х годов появились методы, учитывающие упругий отпор грунта. С середины 70-х годов прошлого века начали развиваться методы, моделирующие грунт упругой и упруго-пластической средой и учитывающей совместную работу грунта и МГК. На первом этапе развития методов оценки несущей способности МГК в грунте использовались экспериментальные методы и простейшие расчеты, в которых МГК, а это были трубы небольших радиусов, загружались постоянной нагрузкой от давления грунта. Согласно [20,22] на момент времени с 1900 по 1914 г. можно выделить следующие методы расчета: Способ Фельдта (1899 г.). Данный способ расчета прочности гофрированных труб основывался на простой формуле напряженного состояния материала, находящегося под действием сжимающей силы и изгибающего момента: Допускаемое напряжение принималось адоп = 1000кг/см .
Подсчет сжимающей силы N и момента М производился по формулам: При определении величины р давление оси паровоза считалось передающимся на одну шпалу, а от нее - по закону распределения в сыпучем теле, принимая угол распределения давления через грунт для обоих главных направлений с половинным уклоном. Кроме того, в давлении р учитывался вес столба грунта от верха насыпи до замка трубы на единицу площади, принимая объемный вес грунта у = 1,6 т/м3. Усилия, подсчитанные по формуле (1.2) соответствуют опорным реакциям и моменту в середине пролета простой балки пролетом 2г. Поэтому они называются в литературе «балочными». Такие же усилия возникают и в двухшар нирной арке радиуса г. Рассмотренный метод имеет весьма условный характер, как в определении внешних воздействий, так и в определении напряжений, поскольку не учитывает перемещения горизонтальных сечений трубы. В способе расчета по Леви (1905) определение внешних воздействий производится, как и у Фельдта, на щелыгу трубы из под одной шпалы со стоящим на ней осью паровоза. Распределение давления в грунте принимается под углом в 45. Это давление затем условно считается равномерно распределенным по всей поверхности трубы и нормальным к ней. Наибольшее напряжение выражается, по Леви, следующим образом: Допускаемое напряжение было принятым равным пределу упругости ме-талла С0д0п = 1800кг/см .
Недостаток этого расчета заключается в условности определения внешних нагрузок и в гипотетичности работы трубы, как кольца, только на осевые силы. Расчет по Ясевичу (1901 г.) базируется на гипотезе о равномерном распределении давлений на трубу со всех сторон. Используя эту гипотезу и учитывая опыты над трубами раздавливаемыми водой, Ясевич пошел по пути получения эмпирической формулы: где p - разрушающее давление в кг/см , действующее на трубу с - некоторый эмпирический коэффициент, равный 6 d - диаметр трубы в м. 1 - длина трубы, м Таким образом, данная формула не дает напряжений в самой трубе, а устанавливает допускаемое для данных размеров трубы давление насыпи на плоскость по замку трубы. Этот подход получил в дальнейшем широкое распространение в инженерной практике. В работе [20] был проведен анализ расчета гофрированных труб по выше описанным методикам со сравнением полученных результатов с опытными данными. В результате был сделан вывод о значительном расхождении расчетных результатов с экспериментальными данными и о необходимости дальнейшего развития методов расчета металлических гофрированных труб. На втором этапе развития методов расчета МГК, с середины 30-х годов прошлого века, начали учитывать упругий отпор грунта. К началу 60-х годов прошлого века использование малых труб из МГК получило широкое распространение, особенно за рубежом [87,119]. Однако применяемые расчетные методы не удовлетворяли требований проектировщиков. Расчет в значительной мере носил формальный характер, и неточности расчетной схемы перекрывались большими коэффициентами запаса и эмпирическими поправками. Сло жившаяся ситуация привела к необходимости активного развития методов, учитывающие упругий отпор грунта. Для создания методики расчета системы «МПС - грунт» необходимо было решить следующие задачи: 1. определение характера и значения нагрузок на подземные сооружения от собственного веса грунта насыпи и временных подвижных нагрузок; 2. обоснование расчетной модели грунта для учета взаимодействия МГТС с засыпкой; 3. определение внутренних усилий в конструкции с учетом влияния отпора грунта; 4. обоснование критериев предельного равновесия МГК в грунте. Для определения давления грунта и подвижной нагрузки на трубопровод можно исходить, как это делается в механике грунтов при решении других задач, из различных расчетных механических моделей грунта и МГК. Рассмотренные выше приближенные гипотезы о давлении грунта на конструкцию уточнялись на круглые трубы теоретически с использованием модели упругого и сыпучего или пластического тела, а также экспериментально на основе анализа поведения круглых труб, уложенных в насыпь. Использование модели сыпучего тела для состояния предельного равновесия засыпки для вертикального az и горизонтального ах напряжений в естественном массиве грунта на глубине z от поверхности (рис. 1.3) получено в литературе [44]: где у — объемный вес грунта, ,а = /g2(45 -%) - коэффициент активного боко вого давления грунта.
Анализ влияния неоднородности грунтовой засыпки и ее поведения в процессе эксплуатации на НДС МГК
Основополагающим при анализе работы МГК является необходимость учета их совместной работы с грунтом засыпки, одним из основных параметров которого является модуль деформации. Поэтому важным вопросом расчета МГК является задание модуля общей деформации грунта засыпки Е0. Этот вопрос вызывает в настоящее время определенные трудности. Сложность вопроса связана с существенно нелинейной работой грунта при нагружении. Диаграмма «напряжение - деформация» при нагружении нескального грунта показана на рис. 2.4. Как видно из рисунка, грунт можно в первом приближении охарактеризовать четырьмя упругими характеристиками: начальным модулем упругости Еу =tgay) условным пластическим модулем Е = tga , модулем общей деформации Е0 = tga0 и модулем упругости при разгрузке Еу = tgap. Задача усложняется тем, что указанные характеристики существенно зависят от напряженного состояния, прежде всего - статического давления в грунте. По этой причине модули деформации грунта существенно возрастают с глубиной. Несмотря на столь сложный характер работы реальных грунтов в большинстве расчетов ограничиваются его моделированием как упругого тела с гистерезисом.
Такое моделирование допускается даже для столь ответственных сооружений, как большие плотины [53]. Основной и единственной характеристикой упругости грунта в наших нормах является модуль общей деформации грунта Е0. Однако само значение модуля деформации Ео существенно зависит от напряженного состояния грунта [51]. Практически во всех учебниках по механике грунтов приводится связь между величиной Е0 и значением вертикального обжатия az. Эта связь основывается на соотношении между объемной деформацией єу и суммой главных напряжений 0 VCK- объем скелета грунта, е = — - пористость грунта (0 е оо) Ае - изменение пористости по отношению к пористости "е" в состоянии статического равновесия. Величина обжатия GZ, вызывающая изменение пористости Ае, представляет собой приращение напряжений по отношению к напряжениям статического равновесия а. Между изменением пористости и изменением напряжений имеется логарифмическая зависимость [51], которая записывается в виде Нормативные значения Ео относятся к грунтам на глубине порядка 2-х — 3-х метров. В литературе при необходимости работать с толщей грунта модуль деформации и модуль упругости рекомендуется увеличивать с глубиной. В частности, нормы учитывают указанное изменение при расчете свай [103]. В соответствии с (2.6) для учета изменения модуля деформации с глубиной z следует использовать формулу: где у - объемный вес грунта; е - коэффициент пористости, составляющей для материала засыпки величину порядка 0.6; а - коэффициент компрессионного сжатия, равный примерно 0.04 для свежеуложенного уплотненного грунта и 0.02 - для грунта после 2-Зх летней эксплуатации; Р коэффициент, определяемый в зависимости от коэффициента поперечного расширения v, р
Для оценки влияния упругих характеристик грунта на НДС МГК была проведена серия расчетов. Рассматривалось поведение внутренних усилий в МГК арочного типа с пролетом 8м. Металлическая конструкция выполнена из гофрированного листа с гофром 150x50 при внутреннем радиусе волны 28 мм, толщина листа 7мм, площадь сечения 0.8711см /см, момент инерции сечения 2,6295 см4/см. Высота засыпки над замком арки составляла 6м. Модуль деформации грунта засыпки принимался равным 15, 30 МПа и определялся по формуле (2.7). В результате были получены сжимающее усилие рис.2.5 и изгибающий момент рис.2.6 по длине конструкции. Проведенные расчеты МГК арочного типа показали, что значение модуля деформации существенным образом сказывается на величине изгибающего момента. При увеличении модуля деформации грунта засыпки наблюдается снижение значения изгибающего момента в пятах арки и увеличение его в замке арке. Влияние модуля деформации грунта на величину сжимающего усилия менее критично. Увеличение жесткости грунта засыпки приводит к незначительному росту сжимающего усилия в пяте и снижению в замке арки. Необходимо отметить, что с течением времени (0,5...3 года в зависимости от степени уплотнения при возведении насыпи) происходит самоуплотнение грунтов под собственным весом и движением подвижной железнодорожной или автодорожной нагрузки. Модуль деформации грунта при этом увеличивается, что приводит к заметному увеличению коэффициент компрессионного сжатия. Этот вывод подтверждается анализом поведения натурных труб и мостов, выполненным для объектов из МГК, возведенных в последние годы на линиях Октябрьской железной дороги. После первого года эксплуатации круглых МГК напряжения в МГК и их овальность (і г-, где DB, Dr - соответственно вертикальный и горизонтальный диаметры) заметно снижаются.
Анализ напряженно - деформированного состояния МГК
В соответствии с изложенным алгоритмом была разработана программа на языке C++ в среде Windows, и были проведены расчеты значений усилий и моментов, возникающих в арке. Для сравнения полученных результатов был проведен статический расчет по методу конечных элементов (МКЭ) с использованием программного комплекса PLAXIS. Расчет с использованием МКЭ выполнен по плоской расчетной схеме представленной на рис.. Конечно-элементная схема арки. Для анализа поведения арочных конструкций из МГК была рассмотрена арка пролетом 8 м с гофром 150 50 при внутреннем радиусе волны 28мм и толщиной 7 мм. Геометрические характеристики гофра приведены в таблице 3.1. Высота засыпки над замком арки составляло 6 м. Были приняты следующие характеристики грунта: угол внутреннего трения ф = 30, объемный вес грунта у = 18 кН/м , коэффициент бокового расширения v = 0,3. С целью проверки гипотез о величине коэффициента постели «с» усилия в арке определялись в трех постановках: 1. В первой постановке коэффициент пастели определялся согласно модели О.А.Савинова по формуле (3.57); 2. Во второй постановке коэффициент пастели определялся по формуле Б.Г.Галеркина (3.54); 3. В третье постановке с целью сравнения результатов, расчет усилий в конструкции проводился с помощью МКЭ на базе ВК «PLAXIS». В результате решения задачи НДС арки в выше описанных постановках были получены кольцевые усилия N и изгибающие моменты М в арке. В таблице 3.2 приведены экстремальные значения усилий N, М в местах закрепления пят арки. На рис. 3.6 и 3.7 представлены графики N и М. В настоящей главе диссертации представлена методика расчета арок и труб из МГК. В предлагаемой методике МГК рассматривается как криволинейный стержень на Винклеровом основании. Для круговых МГК построено решение основанное на разложении перемещений системы по ее собственным функциям. Для учета неоднородности грунтовой засыпки стержень разбивается по длине на конечные элементы.
В пределах каждого элемента для аппроксимации перемещений использовано точное решение задачи при постоянном коэффициенте постели. Для определение реакций опор круглых арок из МГК построена разрешающая система уравнений в замкнутой форме. Для сравнения полученных результатов был проведен статический расчет по методу конечных элементов (МКЭ) с использованием программного комплекса PLAXIS. Сравнительные расчеты показали, что усилия, полученные по МКЭ и разработанному алгоритму, отличаются друг от друга менее чем на 10%. Проведен анализ различных способов задания коэффициента постели Винклерового основания, моделирующего засыпку. Проведенные расчеты показывают, что предложенный способ определения коэффициента постели, основанный на модели О.А.Савинова, отвечает характеру работы МГК в грунтовой засыпке в большей степени, нежели формула (3.54) выведенная Б.Г.Галеркиным для круглой трубы подверженной действию равномерного внутреннего давления. В настоящее время металлические гофрированные конструкции (МГК) в грунте начали применяться в практике сейсмостойкого строительства. Однако расширение области применения МГК сталкивается с рядом трудностей. Действующие Нормы СНиП П-7-81 запрещают строительство арочных бесшарнирных мостов на нескальных основаниях в сейсмических районах. Этот запрет связан с тем, что в бесшарнирных арках традиционной конструкции возникают большие напряжения при взаимных смещениях их опор. Тем не менее, указанные конструкции применяют на практике, усиливая гибкие арки из МГК железобетонными поясами жесткости. Эффективность такого решения не имеет обоснования и представляется дискуссионной. Расчет же рассматриваемых конструкций на динамические воздействия не освещен в литературе и вызывает значительные сложности. Эти сложности обусловлены с одной стороны необходимостью учета динамических характеристик грунтовой засыпки, а с другой стороны - необходимостью учета излучения энергии колебаний в грунтовое основание упругими волнами. Как показано в обзоре, при обилии исследований [105, 129 и др.] указанные вопросы не имеют удовлетворительного решения. Следует подчеркнуть, что рассматриваемые конструкции относятся к объектам массового строительства и при их проектировании обычно нет возможности проведения сложных конечно-элементных расчетов, выполняемых при проектировании земляных плотин и больших мостов. В связи с этим возникает необходимость разработки и использования простых инженерных методов оценки сейсмостойкости МГТС в грунтовой среде. В обзоре описаны применяемые в настоящее время в России и за рубежом методы приближенного расчета МГК на сейсмические нагрузки, однако оценка точности этих методов до настоящего времени отсутствует. Совершенствованию методов оценки сейсмостойкости МГК в грунтовой среде посвящена настоящая глава диссертации. В ней рассмотрены расчеты системы «насыпь-МГК-основание» на действие сейсмической нагрузки и приближенные расчеты, в которых сейсмическое воздействие учитывается приложением к МГК бокового сейсмического давление грунта в соответствии с известными рекомендациями [21, 39, 103].
Влияние взаимного смещения опор на несущую способность гибких арочных конструкций в грунтовой среде
Выполненные разработки позволяют проанализировать сейсмические колебания, МГК с учетом взаимодействия в системе «насыпь - МГК -основание». Наиболее актуальным является анализ колебаний арочных конструкций из МГК. Напряженно-деформированное состояние (НДС) арок из МГК при воздействии сейсмической нагрузкой определяется двумя основными факторами: 1. Взаимным смещением пят арки; 2. Дополнительным инерционным давлением грунта на арку. 4.2.1. Влияние взаимного смещения опор на несущую способность гибких арочных конструкций в грунтовой среде. Для определения влияния взаимного смещения опор на несущую способность гибких арочных конструкций в грунтовой среде возникла необходимость проведения расчетов системы «МГК - грунтовая среда». Проведение таких расчетов до настоящего времени вызывало серьезные проблемы. Основополагающим при анализе работы МГК является необходимость учета их совместной работы с грунтом засыпки. МГК относятся к числу гибких конструкций, которые не могут сами воспринимать сейсмическую и транспортную нагрузку из-за потери устойчивости тонкостенной гофрированной оболочки. Будучи обжата грунтом, МГК воспринимает сжимающую нагрузку и в силу своей гибкости обеспечивает совместную работу оболочки и засыпки. Постановка данной задачи и способ ее решения подробно изложен в третьей главе диссертации. Для анализа поведения арочных конструкций из МГК была рассмотрена арка пролетом 8 м с гофром 150 50 при внутреннем радиусе волны 28мм и толщиной 7 мм. Геометрические характеристики гофра приведены в таблице 4.1.
Высота засыпки над замком арки составляла 6 м. Были приняты следующие характеристики грунта: угол внутреннего трения ф = 30, объемный вес грунта у = 18 кН/м , коэффициент бокового расширения v = 0,3. Задача о НДС арки решалась для следующих схем перемещений правой опоры: 1. Без перемещений. 2. Горизонтальное смещение на 1см влево. 3. Горизонтальное смещение на 1см вправо. 4. Поворот на 1 градус против часовой стрелки. 5. Поворот на 1 градус по часовой стрелке. В результате решения задачи НДС арки в выше описанных постановках были получены кольцевые усилия N и изгибающие моменты М в арке. В таблице 4.2 приведены экстремальные значения усилий N, М в местах закрепления арки, а также определены суммарные напряжения ст. Графики кольцевых усилий N и изгибающих моментов М полученные для схем перемещений 1 и 2 представлены на рис. 4.5 и рис. 4.6. напряжении при горизонтальных смещениях опор происходит в случае сдвига опор внутрь арки. Из таблицы видно, что рассматриваемые гибкие арки не чувствительны к взаимным смещениям опор в 3-5 см, что позволяет их использование в сейсмических районах на аллювиальных грунтах. При более интенсивных воздействиях в пятах образуется пластический шарнир. Однако, арка не потеряет несущей способности. После этого максимальные моменты окажутся в четверти арки и в ее замке. При этом максимальные напряжения от единичного смещения упадут примерно до 200 кг/см . Арка с шарнирами может без потери несущей способности воспринимать перемещения опор порядка 13.5 см. Это позволяет использовать рассматриваемую конструкцию на площадках с расчетной сейсмичностью 9 баллов. На практике встречаются случаи, когда арки из МГК применяют при большей сейсмической опасности. Например, на отдельных площадках Сахалинской области с ситуационной сейсмичностью 9-10-10 на грунтах 3-ей категории, повышающей расчетную сейсмичность на 1 балл. Следует четко представлять, что такие конструкции будут разрушены при 10 - балльном воздействии. С одной стороны можно осознанно идти на увеличение риска строительства, учитывая относительно невысокую стоимость сооружения. Однако, рассматриваемые конструкции допускают простые инженерные решения, позволяющие обеспечить их сейсмостойкость и при 10-балльных воздействиях. Следует особо подчеркнуть, что на практике имеют место попытки усилить гибкую арку железобетонными поясами жесткости. В этом случае пояс воспринимает основную часть нагрузки, а совместная работа арки с грунтом нарушается. Железобетонный пояс не может перенести взаимных смещений опор более чем в 2-3 см, т.е. он будет разрушен уже при 8-балльных воздействиях. После этого элементы разрушенного пояса будут источником дополнительной инерционной нагрузки на арку. Таким образом, при сейсмичности 8 и более баллов, жесткие пояса не повышают, а понижают сейсмостойкость сооружения.
