Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследований 13
1.1. Обзор применения и развития сталежелезобетонных пролетных строений 13
1.2. Состояние автоматизации проектирования и оптимизации сталежелезобетонных пролетных строений 33
1.3. Цель и задачи исследования 42
Глава2. Математическая модель программы автоматизированного проектирования и оптимизации сталежелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов 44
2.1. Выбор конструктивного и технологического решения 44
2.2. Общие положения математической модели программы автоматизированного проектирования принятой конструкции 49
2.3. Особенность математической модели программы проектирования 58
2.4. Выводы по главе 2 69
Глава 3. Разработка алгоритма и программы автоматизации проектирования и оптимизации сталежелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов 70
3.1. Вводные замечания к постановке задачи 70
3.2. Принятые критерия оптимальности и целевая функция 72
3.3. Принятые обобщенная схема конструкции, параметры оптимизации, формулировка задачи оптимизации сталежелезобетонных пролетных строений 74
3.4. Выбор метода оптимизации 83
3.5. Описания алгоритма оптимизации параметров главной балки 88
3.5.1. Алгоритм определения размеров поперечного сечения главной балки 88
3.5.2. Алгоритм оптимизации неразрезного сталежелезобетонного пролетного строения по параметрам регулирующих моментов 100
3.6. Выводы по главе 3 105
Глава 4. Результаты оптимизации неразрезных балочных сплошностенчатых сталежелезобетонных пролетных строений по критерию приведенной стоимости 107
4.1. Вводные замечания 107
4.2. Исследование зависимости целевой функции от основных параметров 109
4.2.1. Влияние величины пролета и компоновки поясов главных балок на стоимость пролетных строений 109
4.2.2. Влияние конструктивных решений железобетонной плиты на расход стали и приведенную стоимость пролетного строения . 113
4.2.3 Влияние количества пролетов и габаритов на стоимость пролетного строения 116
4.2.4 Влияние количества главных балок на стоимость пролетного строения 121
4.2.5 Влияние материала главных балок на стоимость пролетного строения 127
4.2.6 Влияние класса бетона на стоимость пролетного строения 131
4.2.6 Зависимость целевой функции от момента регулирования 132
4.3. Исследование зависимости оптимальной высоты балок от величины пролета различных вариантов конструктивных решений сталежелезобетонных пролетных строений 134
4.4. Выводы по главе 4 140
Заключение 143
Литература 146
Приложение 155
- Состояние автоматизации проектирования и оптимизации сталежелезобетонных пролетных строений
- Общие положения математической модели программы автоматизированного проектирования принятой конструкции
- Принятые обобщенная схема конструкции, параметры оптимизации, формулировка задачи оптимизации сталежелезобетонных пролетных строений
- Влияние конструктивных решений железобетонной плиты на расход стали и приведенную стоимость пролетного строения
Введение к работе
Актуальность работы. В плане развития автомобильного транспорта и автомобильно-дорожной сети Вьетнама на 2000-2020 гг., подтвержденном Премьер-министром Вьетнама в ноябре 2002 [96] особое внимание уделяется усовершенствованию автомобильных дорог в удаленных и быстро развивающихся экономических регионах.
Рис. 1. Карта дельты Меконга
Одним из потенциально-экономических регионов Вьетнама является провинции при дельте Меконга. Общая площадь этого региона около 47.000 км2, что составляет почти 15% территории Вьетнама. При численности населения 25 мл. чел., что составляет 31% от населения страны, национальный доход составляет 35^-40% от государственного. Регион имеет самую плотную речную систему страны (0,68 км реки/км). Гидрогеологические условия характеризуются изменяющими руслами рек и слишком нестабильными слабыми грунтами. Вся территория дельты находится на насыщенных песчано-глинистых мелкозернистых фунтах с глубиной залегания 40ч-80 м, а иногда до 100 м в зоне сильного действия морского прилива.
Протяженность автомобильных дорог в регионе составляет более четырех тысяч км, в том числе около полторы тысяч км национальной категории. В настоящее время на автомобильных дорогах этого региона эксплуатируется около 1200 мостов (примерно 1 мост/3 км дороги). Тем не менее, имеются многие районы, которые отделяются от других частей реками и каналами. Обеспечение сообщения с этими районами осуществляется паромами, которые в будущем предполагается заменить мостами. Почти 70% эксплуатируемых мостов необходимо заменить или реконструировать, чтобы обеспечить современным требованиям по пропускной способности, грузоподъемности и подмостовым габаритам для судоходства. На рис. 2 приведен один из мостов в регионе, который был сооружен в 70-х годах прошлого века. Его русловой пролет 24,6м не удовлетворяет современным требованиям по грузоподъемности и подмостовому габариту.
Рис. 2. Мост Ан-хоа через реку Вамко (провинция Лонг-ан), схемы 4x18,6+24,7+3x18,6 был сдан в эксплуатацию в 1979 г. Пролетное строение из сборных преднапряженных балок, спроектированных на нагрузку HS-20-44 по американскому стандарту AASHTO
Рис. 3. Общий вид река Вамко с второй категорией судоходства
Кроме автомобильно-дорожной сети, самым популярным и удобным видом сообщением в регионе является водный транспорт с тысячами километров рек и каналов. Судоходные пути от 1-го до 3-го класса по государственному стандарту имеют протяженность около двух тысяч км., и должны иметь судоходные пролеты не менее 50 * 80м и высоту под мостом не менее 7-ь Юм.
80 - 120м
4 »
Рис.4. Характерный рельеф русла реки в регионе дельты Меконга и подмостовой габарит
Характерный рельеф русла рек и каналов в этой равнине имеет вид в рис.4. Уровень воды не только зависит от сезонного паводка, но и сильно от прилива.
Выполнение плана усовершенствования автодорожной сети региона будет связано с сооружением большого количества мостов. В 60-х гг. прошлого века был сдан в эксплуатацию ряд сталежелезобетонных мостов на магистралях, соединяющих большие города Меконга. При этом применялись разные схемы пролетных строений мостов: разрезные с пролетом до 30 м; неразрезные с пролетом до 126 м и консольно-подвесные с пролетом до 64 м . Опираясь на опыт сооружения и эксплуатации отечественных мостов разных схем во Вьетнаме для дельты Меконга были разработаны технико-экономические обоснования совершенствования балочно-разрезных и балочно-неразрезных сталежелезобетонных пролетных строений для широкого применения. В конце 2003 г. были сданы в эксплуатацию для внутрихозяйственных дорог в первую очередь 39 и во вторую 25 сталежелезобетонных мостов балочно-разрезной схемы с общей длиной каждого моста до 70м. Среди них самый большой пролет достигает.Збм.
По сравнению с другими мостовыми конструктивными решениями, которые широко применяются в мостостроении Вьетнама (предварительно напряженные железобетонные пролетные строения, сооружаемые навесным бетонированием), сталежелезобетонные мосты в дельте Меконга отличаются следующими достоинствами:
Рациональны для пролетов 40-Н00 м, соответствующих требованиям подмостовых габаритов в регионе с небольшой архитектурной высотой.
Их малый собственный вес по сравнению с железобетонными пролетными строениями тех же пролетов позволяет упростить конструкции и уменьшить размеры опор и фундаментов мостов.
Гибкое вписывание в условиях местности за счет возможности произвольной компоновки схемы моста.
Высокие эксплуатационные показатели и надежная совместная работа монолитно-железобетонной плиты проезжей части со стальными балками.
Простота технологии строительства. Стальные неразрезные балки сооружают методом продольной надвижки, плиту проезжей части бетонируют на стационарных или унифицированных перемещающих опалубках.
Удобная доставка водным транспортом на строительную площадку металлических конструкций, заранее изготовленных на заводах .
Более короткий срок строительства за счет параллельного сооружения опор и сборки стальных балок на берегу.
Огромные задачи по строительству мостов во Вьетнаме потребуют ряд эффективных экономико-технических решений на базе современного научно-технического прогресса и рациональном использовании инвестиций. Проектным организациям придется внедрять информационные технологии в различные сферы производства, и в первую очередь в автоматизацию проектирования мостовых конструкций, которая тесно связана с их оптимизацией в рамках действующих нормативных документов с выполнением требований реального проектирования.
В настоящее время во вьетнамских ведущих проектных организациях начинают внедрять программы автоматизированного проектирования разных мостовых конструкций: свайных фундаментов, опор и устоев мостов, железобетонных пролетных строений, сооружаемых методом навесного бетонирования или циклической продольной надвижки, стальных и пролетных строений. Большинство этих программ осуществляется без оптимизации конструкции и остается на уровне автоматического расчета при заранее заданных размерах конструкции и требований.
В практике мирового мостостроения оптимизации сталежелезобетонных пролетных строений выполнено много работ. В зависимости от конкретных условий в них используются разные критерии оптимизации конструкции и достигнута разная степень эффективности при разработке реальных проектов.
Чаще используется критерий минимального расхода материалов, при этом получают оптимальное распределение металла по длине балок. Большой интерес представляет проектирование главных балок неразрезных сталежелезобетонных пролетных строений по критерию заводской стоимости (в которой учеты затраты изготовления конструкции), и критерию приведенных затрат.
Возникают новые тенденции, которые существенно влияют на выбор критерия оптимизации конструкций. Рыночные отношения между заказчиками и подрядчиками требуют искать наиболее экономичное решение не только на стадии строительства, но и на стадии эксплуатации. Заказчиков интересуют долговечные и надежные мосты, подрядчиков - конструкции и технологии, требующие минимальных трудовых затрат. Трудозатраты начинают играть первостепенную роль в связи с постоянным ростом стоимости труда.
Каждое мостовое сооружение должно удовлетворять ряду требований: технических, технологических, экологических, экономических и т.д. Общая стоимость сооружения слагается из стоимости материалов конструкций, стоимости строительства, стоимости вспомогательных конструкций, стоимости содержания и эксплуатации.
Это служит достаточным обоснованием вывода, что задача оптимизации сталежелезобетонных пролетных строений по приведенной стоимости конструкции с учетом реальных условий, представляется актуальной.
Диссертация является частью цикла актуальных научно-исследовательских работ, выполняемых на кафедре мостов и транспортных тоннелей МАДИ, посвященных автоматизации проектирования и оптимизации мостовых конструкций.
Цель работы. Разработка методики и программы автоматизированного проектирования и оптимизации пролетных строений балочных сталежелезобетонных автодорожных мостов по критерию минимума приведенной стоимости с целью повышения производительности труда
проектировщиков, качества проектной документации и сокращения срока проектирования.
Задачи работы:
1 .Разработать математическую модель программы автоматизированного проектирования сталежелезобетонных пролетных строений, которая должна включать все основные требования действующих норм проектирования (СНиП 2.05.03-84*) а также учитывать конструктивные особенности сталежелезобетнных пролетных строений, условия их монтажа и бетонирования плиты проезжей части. Модель должна также отражать работу конструкции на всех стадиях её создания и работы при различных сочетаниях нагрузок и воздействий.
2.Разработать алгоритм программы автоматизированного проектирования и оптимизации сталежелезобетонных пролетных строений по критерию минимальной приведенной стоимости по исходным данным условий их конструирования и строительства.
З.На основании результатов по п.1 и 2 разработать программу автоматизированного проектирования и оптимизации неразрезных сталежелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов, которая может быть использована в практике вариантного проектирования.
4.Исследовать влияние отдельных параметров конструкции пролетного строения на значение целевой функции.
5.Разработать рекомендации по рациональному применению сталежелезобетонных пролетных строений в условиях Вьетнама.
Объект исследования. Сталежелезобетонные пролетные строения автодорожных мостов.
Методика исследования. Расчетно-теоретическая, проверенная практикой, отражающая действительные условия работы реальной конструкции
при соблюдении требований действующих нормативных документов с учетом всех её особенностей в процессе сооружения.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1.впервые разработаны алгоритм и программа для автоматизированного проектирования и оптимизации сталежелезобетонных пролетных строений по приведенной стоимости конструкции с учетом реальных условий. При этом параметры состояния конструкции в ходе расчета учитывают основные требования действующих нормативных документов с учетом условий реального проекта;
2.разработана методика оптимизации сталежелезобетонного пролетного строения по приведенной стоимости, позволяющая проектировщикам гибко учитывать нестабильность цен материалов в условиях рыночной экономики;
3.исследовано влияние основных параметров конструкции сталежелезобетонных пролетных строений (размеров стальной балки, железобетонной плиты, расчетного сопротивления стали главных балок) на массу главных балок и приведенную стоимость пролетного строения.
Практическая ценность заключается в том, что:
1 .разработанная автором программа автоматизированного проектирования сталежелезобетонных пролетных строений позволяет определять их оптимальные параметры с оптимизацией их проектного решения по минимуму приведенной стоимости, повысить качество проектной документации и сократить срок проектирования. Эффективность работы определяется возможностью резкого повышения производительности труда проектировщиков на этапе вариантного проектирования за счет использования современной вычислительной техники в режиме тесного общения инженера -проектировщика с персональным компьютером;
2.предложенные автором результаты исследований могут быть использованы при проектировании и последующем строительстве сталежелезобетонных мостов во Вьетнаме.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
методика определения приведенной стоимости сталежелезобетонного пролетного строения и ее оптимизации методом наискорейшего спуска;
программное обеспечение автоматизации и оптимизации сталежелезобетонного пролетного строения;
результаты исследования зависимости целевой функции (приведенной стоимости сталежелезобетонного пролетного строения от размеров, материалов, применяемых в конструкции и процесса сооружения;
рекомендации по усовершенствованию конструкции, технологии строительства сталежелезобетонных мостов, сооружаемых в условиях Вьетнама.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы опубликованы в 3 статьях, доложены и одобрены на ежегодных научно-технических конференциях (2004-2007) Московского автомобильно-дорожного института (ГТУ).
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 182 страницах машинописного текста и включает введение, четыре главы, заключение и приложение, 61 рисунок, 21 таблицу, список литературы из 96 источников.
Состояние автоматизации проектирования и оптимизации сталежелезобетонных пролетных строений
Так в проектной организации России «Ленгипротрансмост» в 1974 г. составлена программа КМ-9 для расчетов неразрезных автодорожных сталежелезобетонных пролетных строений с учетом ползучести бетона в рамках ВСН 92-63. Эта программа широко используется Ленгипротрансмостом при проектировании типовых и индивидуальных пролетных строений с количеством пролетов от двух до пяти. В качестве исходных данных в программу КМ-9 закладывают заранее все геометрические размеры конструкции, параметры материалов и регулирования реакций с постоянных опор, коэффициент поперечной установки.
В настоящее время, программа КМ-9 совершенствуется в направлении расширения видов учитываемых нагрузок. Кроме того, в Саратовском политехническом университете разрабатывается программа MostSGB3 для автоматического расчета сталежелезобетонных типовых пролетных строений автодорожных мостов. Работы по автоматическому процессу проектирования сталежелезобетонных пролетных строений занимают и в других ведущих проектных организациях и вузах России. Однако, опыт этих работ не освещен в доступных для инженерной общественности публикациях. В проектных организациях Вьетнама практически отсутствует автоматизация проектирования сталежелезобетонных пролетных строений. Автоматизация проектирования должна быть тесно увязана с оптимизацией конструкций и ее методами реализации для решения практических задач. В последние три десятилетия, как отмечено в ряде работ [4, 5, 6, 12, 19, 46, 54, 55, 85, 89, 91] в связи с развитием математических методов и средств вычислительной техники, появился новый подход в теории проектирования инженерных конструкций, в том числе и мостовых конструкций, получивший название оптимального проектирования конструкций (ОПК). В нем для оценки проекта принимают определенный критерий качества (целевая функция), и задача ОПК формируется как экстремальная. В результате решения задачи ОПК (с помощью вычислительной техники) определяются значения варьируемых параметров конструкций, соответствующих наилучшей (в рамках принятых ограничений) величине критерий качества. Наиболее существенно задача ОПК описывается по характеру постановки задачи в виде ограничений -слабые неравенства или равенства. Задача ОПК с ограничениями - равенствами носит название обратной задачи строительной механики (ОЗСМ), в которой искомые параметры конструкции определяются таким образом, чтобы ее работа была наиболее рациональной (равнопрочной, равноустойчивой и т.д.). Задача ОПК с ограничениями - неравенствами, в которой конструкция, обладающая минимальной целевой функцией (минимальной массой, объемом, стоимостью) при выполнении всех ограничений (в виде равенств или неравенств) полнее отвечает представлению о рациональном проекте. На практике ОПК задачи на минимум целевой функции более естественно отвечает потребностям реального проектирования, и получают более широкое распространение по сравнению с обратными задачами строительной механики. Задача ОПК математически формулируется следующим образом: Найти вектор X є D. такой, чтобы набор (вектор) переменных параметров конструкций; - система ограничений: условия прочности, жесткости, устойчивости, конструктивные и другие, наложенные на проектируемую конструкцию; - скалярная целевая функция, соответствующая принятому критерию оптимальности (общий объем конструкции, масса, стоимость и т.д.); - допустимое множество или допустимая область параметров - множество всех X, удовлетворяющих системе ограничений. Анализ работ по оптимизации металлических конструкций позволяет отметить, что в большинстве случаев в качестве критерия применяется расход металла, так как металлические конструкции относятся к наиболее сложным и ответственным сооружениям, на изготовление которых требуется дорогой материал - сталь. Критерий минимального веса был использован такими учеными как В.Г. Шухов, Е.О. Патон, Н.С. Стрелецкий. В их работах вес был представлен в виде функциональных зависимостей от основных параметров конструктивной формы. Вес изгибаемой конструкции в зависимости от её высоты и уровня используемых расчетных сопротивлений материала применительно к мостовым конструкциям был рассмотрен П.М. Саламахиным [63] в его теории весовой поверхности изгибаемых конструкций.
Критерий трудоемкости изготовления зависит от технологии изготовления и может быть использован для оптимизации технологии изготовления отдельных конструкций. Критерий трудоемкости монтажа исследовался ЯМ. Лихтарниковым [48, 49], Е.С. Сивицким [66] и другими с целью создания конструкций из крупных блоков, что позволяет снизить затраты на монтаж.
Оценить конструкцию в достаточной степени объективно нельзя ни по одному из перечисленных выше критериев, так как каждый из них представляет собой какой-то один из целого комплекса технико-экономический показателей, характеризующий данную конструкцию. Подчас эти показатели противоречивы по своей сути. Поэтому при выборе критерия желательно учесть массу, а также условия изготовления элементов конструкции и их монтажа. Наиболее универсальным критерием является минимум приведенных затрат, учитывающий кроме массы и указанных факторов также размер капиталовложений и эксплуатационных затрат. Работы по оптимизации мостовых конструкций по критерию приведенных затрат ведутся в Рижском политехническом институте [53]. Цель этих работ - оптимизация на стадии вариантного проектирования, приведенные затраты определяются по методическим указаниям. Если в целевой функции учитываются только затраты на металл и изготовление, то это критерий минимума заводской стоимости [1].
Необходимо иметь в виду, что трудоемкость и стоимость изготовления и монтажа связана с конструктивной формой другими закономерностями чем масса и поэтому описываться должны отдельно. Безусловно, это обстоятельство значительно усложняет целевую функцию, делает решение задачи более сложным и поэтому при выборе критерия следует исходить из соображений целесообразности его.
Следует отметить целый ряд критериев, относящихся к разряду простых -это надежность конструкции, требования минимальной строительной высоты, минимум эксплуатационных расходов, минимальный срок строительства и т.п.
В ряде работ [2, 3, 18, 19, 21, 32] рассматривается многокритериальный подход к решению оптимизационных задач. Такой подход применяется к рациональному проектированию сложных систем.
Общие положения математической модели программы автоматизированного проектирования принятой конструкции
Такое конструирование с упрощением стальных конструкций позволяет понизить стоимость их изготовления на заводе за счет значительного уменьшения сварочных работ и технологических приемов (обработка и сборка), облегчить монтажные работы и ускорить срок строительства.
В эксплуатации упрощенная конструкция позволит уменьшить трудоемкость работ на содержание. С точки зрения коррозиестойкости рациональным решением являются увеличение толщины стенки и исключение продольных ребер жесткости, особенно в условиях влажно-тропического климата Вьетнама.
Предварительное напряжение создает изгибающий момент противоположного направления с моментами от эксплуатационных вертикальных нагрузок. Это не только обеспечит трещиностойкость железобетонной плиты проезжей части, но и дает возможность уменьшить архитектурную высоту моста, уравнивать асимметрию поясов главной балки и экономить прокатную сталь. Во Вьетнаме применяют преимущественно монолитный бетон для мостовых конструкций, который позволяет рационально использовать местные материалы. Обычно бетонную смесь приготовляют непосредственно при строительной площадке бетоносмесительными установками малой или средней мощности, а сыпучие материалы доставляют на стройку водным или автомобильным транспортом. Кроме того, как выше отмечалось (в главе 1), монолитная железобетонная плита проезжей части имеет ряд эксплуатационных преимуществ: надежная совместная работа со стальными главными балками; долговечность и технологичность при сооружении последовательным бетонированием на стационарной или перемещающей опалубке. Для решения поставленной задачи необходимо составить математическую модель балочного сталежелезобетонного пролетного строения. Расчетная модель должна соответствовать работе реальной конструкции и должна удовлетворять следующим требованиям: - при определении напряженно-деформационного состояния конструкции следует использовать проверенные практикой методы, отражающие действительные условия работы реальной конструкции с учетом всех её особенностей в процессе сооружения; - учитывать требования действующих нормативных документов; - обеспечивать быстродействие программы автоматизированного проектирования и оптимизации. В связи с этим, в соответствии с положениями, изложенными к нормам проектирования (СНиП 2.05.03.84 ), приняты следующие положения математической модели, соответствующие расчетам элементов сталежелезобетонного пролетного строения: - расчеты железобетонной плиты на местное действие временной и постоянной нагрузок в поперечном направлении выполняются по общепринятой в России методике с проверками по прочности, выносливости и трещинностойкости; - усилия и деформации в сечении главных балок определяются исходя из учета упругой работы балок при их суммировании на всех стадиях работы сталежелезобетонной конструкции с учетом особенностей технологического процесса строительства; - пространственная работа пролетного строения учитывается путем введения для различных временных нагрузок коэффициентов поперечной установки, определяемых методами рычага или внецентренного сжатия в зависимости от компоновки поперечного сечения пролетного строения; - определение усилий и деформаций в сечении неразрезных сталежелезобетонных балок от постоянных и временных нагрузок и прочих воздействий осуществляется по методу сил с учетом неравномерного распределения жесткости по длине конструкции, соответствующей каждой стадии ее работы и напряженному состоянию т.е вовлечения железобетонной плиты в совместную работу со стальной балкой; - при оценке напряженного состояния сечений главной балки, учитываются все основные сочетания нагрузок и воздействий, регламентированные в СНиП 2.05.03-84 ; - расчеты элементов сталежелезобетонной балки выполняются исходя из гипотезы плоских сечений, без учета податливости швов объединения стальной и железобетонной части с применением коэффициента приведения щ = Es/Eb и расчетной ширины плиты, учитываемой в составе сечения. При том, в зоне растянутой железобетонной плиты с образованием трещин, стальная балка работает совместно с продольной арматурой с учетом частичного вовлечения бетона между трещин в работу на растяжения; - в стальной части сечения балки допускается развитие ограниченных пластических деформаций, учет которых осуществляется по методике СНиП 2.05.03-84 . Работа бетона и продольной арматуры принята упругой или пластической в зависимости от напряженного состояния. Принятие приближенной методики расчета балочных конструкций с применением коэффициентов поперечной установки, вычисляемых с учетом поперечной жесткости, оправдывается многолетней практикой расчета конструкций во многих проектных организациях. Она обеспечивает требуемую точность при инженерных расчетах Применение более сложной методики в программе автоматизации проектирования принято считать нецелесообразным, так как это приведет к значительному увеличению времени проектирования, в связи со сложным итерационным многошаговым его процессом. Ниже изложена последовательность и правила принятия расчетной схемы и вычисления усилий и деформаций на каждой стадии работы.
На стадии сборки и продольной надвижки стальной конструкции, наиболее невыгодным положением пролетного строения является положение самого вылета. Расчетный вылет по умолчанию принимается половине наибольшего пролета моста (Lma/2) или по конкретным условиям местности. При продольной надвижке усилия, создаваемые аванбеком и инвентарными устройствами в консоли конструкции, заменяются вертикальной силой Ра и моментом Ма (рис. 2.3).
На первой стадии пролетное строение работает со стальным сечением. На его действуют постоянные нагрузки от собственного веса стальных конструкций (стальные балки и присоединенные к ним элементы, сварные швы, высокопрочные болты, гайки и шайбы), железобетонной плиты, строительные нагрузки (опалубка с оборудованиями) и усилия поддомкрачивания. При этом собственный вес стальных конструкций считается равномерно распределенным между главными балками, а по всей длине пролета для главной балки неравномерно распределенным в зависимости от ее размеров (рис. 2.4), а для остальных стальных конструкций равномерно распределенным.
Последовательность бетонирования организуется в зависимости от вида применяемой опалубки, условий строительства и условия обеспечения минимальной приведенной стоимости. Для сокращения срока строительства бетонирование осуществляется одновременно в двух направлениях.
Очередной этап бетонирования плиты начинается после того, как укладываемый на предыдущем этапе бетон набирает необходимую рабочую прочность (Rw). Со второго и до последнего этапа бетонирования плиты в работу стальной балки включается сечение участка железобетонной плиты предыдущего этапа, а усилия в балке определяются с учетом фактических жесткостей EJst и EJstb на каждой последовательности (рис. 2.4).
Принятые обобщенная схема конструкции, параметры оптимизации, формулировка задачи оптимизации сталежелезобетонных пролетных строений
Главные стальные балки пролетных строений в общем случае имеют асимметричное двутавровое сечение сварной конструкции с постоянной высотой hs по всей их длине и толщиной стенки tw. Местная устойчивость стенок главных балок обеспечивается только вертикальными ребрами жесткости, выполняемыми из полосовой стали или тавров и устанавливаемых на расстоянии aw. На фасадных балках предусмотрена постановка ребер жесткости только с внутренней стороны их стенок с целью повышения их коррозиестойкости.
Поперечные связи выполняются в виде поперечных сварных двутавровых балок, устанавливаемых по длине пролетного строения на расстоянии aw, В опорных сечениях предусматриваются домкратные сварные двутавровые балки более мощного сечения.
Элементы мостового полотна и их размеры назначаются в соответствии с требуемым габаритом моста и включают в себя полосы проезжей части, полосы безопасности, разделительные полосы, защитные ограждения и тротуары.
При выборе варьируемых параметров для их оптимизации по критерию приведенной стоимости учтено, что приведенная стоимость пролетного строения прямо зависит от объема использованных в нем материалов. В свою очередь объем материала зависит от геометрических размеров всех основных и вспомогательных конструкций. Как отмечено в работах П.М. Саламахина [62-63], среди всех геометрических размеров конструкции значительная часть их являются зависимыми от некоторых независимых геометрических размеров и прочих независимых параметров, характеризующих нагрузки, размеры конструкции и материалы. Объем материалов конструкции зависит только от независимых геометрических размеров, а зависимые геометрические размеры определяются при их качественном анализе конструкции или на основе инженерной интуиции. В таблице 3.1 приведен перечень независимых параметров, влияющих на объем материалов и вес конструкций сталежелезобетонного пролетного строения. Временные {Рщ} и прочие {Pgj} (покрытие и элементы проезжей части, смотровой мостик ...) нагрузки на сооружение задаются исходя из функционального назначения сооружения. Максимальная длина консоли и вес оборудования при продольной надвижке назначается по условиям строительства конкретного объекта. В качестве варьируемых параметров, относящихся к нагрузке, принимаются лишь величина усилий регулирования {Р2} и усилия {Риы}, зависящие от последовательности бетонирования плиты проезжей части.
Количество независимых параметров, характеризующих материал, определяется используемым сортаментом материалов. Количество марок стали, выпускаемых для мостовых конструкций небольшое: их несколько по классу прочности (295, 345 и 390 по ГОСТ 6713-91 или М270М, А709М соответственно по AASHTO и ASTM). Обычно для главной балки применяют сталь повышенной прочности низколегированных марок, иногда, для конкретных проектов, марки стали назначаются заранее административно . Для железобетонной Плиты проезжей части обычно применяют бетон классов В35 + В55, высокопрочную арматуру из арматурных канатов (ГОСТ 13840-68 или ASTM А416), а обычную арматуру из сталей классов А-П, А-Ш (ГОСТ 5781-82).
Ширина моста В, длина пролетов {Lspj, заранее назначены функциональными требованиями и по условию местности. Расстояние между главными /„ и поперечными 4 балками определяют по условию обеспечения прочности и жесткости железобетонной плиты. Число главных балок nBai варьирует в достаточно малом диапазоне целых чисел. Стыки главной балки nwB, количество" сортаментов т/ выбирают по условию изготовления, транспорта и сооружения стальной конструкции. Размеры железобетонной плиты зависят от ширины моста В, числа главных балок nBai и расстояния между ними /„. Особое внимание уделяется выбору высоты главной балки hs, которая значительно влияет на зависимые размеры конструкции. Для сплошностенчатых балочных сталежелезобетонных пролетных строений можно выделить две группы элементов, вес которых находится в различной зависимости от высоты hs главной балки. К первой группе относится вес поясов главной балки, который при прочих равных условиях, является убывающей функцией от высоты. Ко второй группе относятся элементы, которые обеспечивают совместную работу поясов и располагаются между поясами по вертикали: толщина стенки стальной балки, ребра жесткости. Вес этой группы элементов возрастает при увеличении высоты главной балки. Кроме того, вес поперечной балки не зависит от высоты главной балки, а только от длины пролетов Lsp, расстояния между главными /„ и поперечными балками 4. Таким образом, в качестве варьируемых при оптимизации сталежелезобетонных пролетных строений по критериям приведенной стоимости необходимо принять следующие параметры: 1) по нагрузкам: - последовательность бетонирования {Риы} , - регулирование усилий (с постоянных опор) {MJ; 2) по критерию материала - марки стали главной балки; - класс бетона плиты проезжей части; 3) по геометрическим параметрам компоновке: - высота главной балки hs , - число главных балок nBai, - расстояние между главными балками /„; - расстояние между вертикальными ребрами жесткости aw; - число стальных сортаментов в поясах nif. В качестве ограничений, учитываемых при назначении значений зависимых размеров элементов конструкции, приняты условия прочности, жесткости и местной устойчивости, установленные СНиП 2.05.03 - 84 , действующим в настоящее время.
Влияние конструктивных решений железобетонной плиты на расход стали и приведенную стоимость пролетного строения
В выполненной работе поставлена и решена задача автоматизации проектирования и оптимизации параметров сталежелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов по минимальной приведенной стоимости.
.Разработаны алгоритм и программа автоматизированного проектирования сталежелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов с применением ПК на основе использования инженерного метода последовательных приближений к искомому решению при удовлетворении основных требований СНиП 2.05.03-84 .
С помощью разработанной программы проектирования проведено исследование влияния независимых параметров сталежелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов на их стоимость. Разработаны рекомендации по использованию разработанной программы для выбора практически оптимального решения сталежелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов на стадии их вариантного проектирования. Проведенный анализ влияния независимых параметров на стоимость сталежелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов позволил сделать следующие основные выводы: 1.Получены зависимости стоимости 1м2 сталежелезобетонных пролетных строений от величины основного пролета в виде полиномов второй степени. С их помощью представляется возможным экстраполировать полученные результаты на область неисследованных пролетов. 2.С целью упрощения технологии изготовления балок целесообразно применять балки с компоновкой поясов из 2+3 листов при пролетах до 40м, из 3+4 листов при пролетах до 40-80м и из 5 листов при пролетах 80+1 Ом. При такой компоновке поясов главных балок разница стоимости между идеальными и реальными конструкциями находится в пределах 5% . 3.Применение ВПА в поперечном направлении железобетонной плиты(в обоих случаях - с ВПА только в поперечном направлении и с ВПА в обоих направлениях плиты) позволяет уменьшить толщину плиты проезжей части и сэкономить 5-7% металла (стальных конструкций), 15% стоимости для пролетов до 64м и примерно 10% для больших пролетов; 4.Применение ВПА в продольном направлении в надопорных сечениях с целью обеспечения трещиностойкости железобетонной плиты в этих сечениях не существенно уменьшает толщину плиты, несущественно сокращает расход металла ( 3%) и примерно с таким же процентом уменьшает стоимость одного квадратного метра пролетного строения; 5.Применение ВПА в продольном направлении в надопорных сечениях в сочетании с натяжением ВПА в поперечном направлении плиты весьма эффективно пролетах более с 120м, где возможно сократить расхода металла главной балки до 10% и сэкономить до 12% стоимости. В случае натяжения продольной ВПА без применения ВПА в поперечном направлении плиты эффективность не велика, она составляет лишь 3- 4% и по расходу стали и по стоимости. б.Оптимальное количество главных балок целесообразно принимать равным двум при пролетах более 50 м в случае использования ВПА в железобетонной плите проезжей части в поперечном направлении и при пролетах более 90 м при не использовании ВПА в железобетонной плите проезжей части в поперечном направлении и четырем при меньших пролетах. 7.Применение стали 10 ХСНД позволяет уменьшить расход стали по сравнению с расходами стали в конструкциях из 16 Д не более чем на 15%; 8.При пролетах до 60 м по экономическим соображениям целесообразно применение стали 16Д, в диапазоне пролетов 60- 100м - стали 15ХСНД, при пролетах более 100м - стали 10ХСНД; 9.Класс бетона несущественно влияет на стоимость 1 м пролетных строений, отклонение стоимости не превышает 1%; 10.Для железобетонной плиты проезжей части по экономическим и эксплуатационным соображениям целесообразно применять популярные классы ВЗ 5-4345. 11.При пролетах до 90м высота главных балок из стали 15ХСНД меньше на 20% по сравнению с высотой её из стали 16Д ,а из стали 10ХСНД на 25-К30%.При пролетах более 100 м высота главных балок уменьшается соответственно на 15-Н8% и 25%; 12.Применение высокопрочной арматуры в железобетонной плите обеспечивает уменьшение высоты главных балок на 8-10% за счет снижения собственного веса пролетных строений и увеличения высоты вута. 13.В исследованном диапазоне пролетов оптимальная высота определялась условиями прочности материала балок, все принимаемые оптимальные варианты конструктивных решений имеют прогибы меньше предельно возможных.
