Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния исследуемого вопроса 10
1.1. Анализ сейсмической опасности территории республики Узбекистан 10
1.2. Краткий , обзор истории развития сейсмостойкого мостостроения 15
1.3. Повреждения мостов при сильных землетрясениях 24
1.4. Анализ развития методов расчета и проектирования мостов в сейсмических районах 30
1.5. Методы антисейсмического усиления мостов и современные технические решения опорных частей для сейсмозащиты мостов 3 8
1.6. Выводы по главе 56
ГЛАВА 2. Влияние точности настройки динамических гасителей колебаний (ДГК) на сейсмостойкость мостов 59
2.1. Анализ существующих известных решений ДГК 59
2.2. Задание эталона и выбор расчетной схемы для двухмассового гасителя колебаний 67
2.3. Исследование уравнений двухмассовой системы для оптимальной настройки жесткостей податливых соединений ДГК 69
2.4. Влияние ошибок настройки на эффективность динамических гасителей различных масс (при малой, соизмеримой и большой). Оптимальные настройки по жесткости и демпфированию 73
2.5. Исследование теории двухмассовой системы с жестко присоединенной концевой частью 82
2.6. Выводы по главе
ГЛАВА 3. Методика подбора оптимальных параметров сейсмозащитных опорных частей 90
3.1. Исследование уравнений трехмассовой системы 90
3.2. Учет демпфирования при построении и решении уравнений движения для трехмассовой системы 96
3.3. Выводы по главе 100
ГЛАВА 4. Конкретная техническая реализация предлагаемых систем сейсмозащиты мостов 101
4.1. Сущность предлагаемого технического решения сейсмозащиты мостов 101
4.2. Особенности предлагаемого технического решения по сравнению с другими ранее использованными техническими решениями 104
4.3. Примеры конкретных технических реализаций предлагаемого решения 106
4.4. Возможные конструкции упругих и демпфирующих связей 114
4.5. Выводы по главе 122
ГЛАВА 5. Примеры расчета и рекомендации по расчету опор балочных мостов на сейсмические воздействия 123
5.1. Основные принципы многоуровневого проектирования мостов
5.2. Пример расчета опор однопролетного моста через р. Хирота железнодорожной линии «Адлер - аэропорт Сочи» для обеспечения сейсмостойкости 127
5.2.1. Предварительные результаты расчета моста по уточненному варианту линейно-спектрального метода 132
5.2.2. Разработка возможных технических решений по сейсмозащите моста через р. Хирота 133
5.2.3. Выбор технического решения сейсмозащиты моста 141
5.3. Пример расчета опор моста на лыжной трассе в г. Сочи для обеспечения сейсмостойкости 143
5.4. Подбор и расстановка опорных частей моста на лыжной трассе в г. Сочи 151
5.5. Выводы по главе 154
Общие выводы 155
Список литературы
- Повреждения мостов при сильных землетрясениях
- Исследование уравнений двухмассовой системы для оптимальной настройки жесткостей податливых соединений ДГК
- Учет демпфирования при построении и решении уравнений движения для трехмассовой системы
- Особенности предлагаемого технического решения по сравнению с другими ранее использованными техническими решениями
Введение к работе
Актуальность темы. При значительных успехах в области расчета и проектирования различных сооружений в сейсмических районах теория сейсмостойкости мостов заметно отстает от общей теории сейсмостойкости зданий и иных сооружений, поскольку повреждения мостов занимают небольшую долю от общего объема повреждений в пострадавших районах, что определяет основное внимание при строительстве в сейсмических районах обеспечению сейсмостойкости жилых и промышленных зданий. Существующие рекомендации по назначению расчетных схем мостов при расчетах на сейсмические воздействия не учитывают принципов многоуровневого проектирования, сложившихся в последние 10 лет, и новых конструкций антисейсмического усиления мостов, основанных на принципах сейсмоизоляции и сейсмогашения. При широком использовании различного рода сейсмозащитных устройств практически отсутствуют исследования по обоснованию и оптимизации параметров сейсмоизоляции мостов, хотя работа сейсмоизолированных мостов при землетрясениях существенно отличается от работы сейсмоизолированных зданий.
Целью диссертационной работы является обоснование эффективности гашения динамических колебаний опор мостов с сейсмоизолирующими опорными частями и подбор параметров сейсмоизолирующих опорных частей мостов.
Для этого потребовалось:
проанализировать эффект гашения сейсмических колебаний опор балочных мостов с сейсмоизолирующими опорными частями;
оценить влияние ошибок настройки двухмассовой системы на эффективность динамических гасителей различных масс;
решение задачи для двухмассовой системы с жестким закреплением концевой части (на устое);
разработать методику оптимизации параметров жесткости (настроек) сейсмозащитных опорных частей мостов при работе в режиме динамического гашения колебаний;
выполнить подбор сейсмозащитных опорных частей и дать практические рекомендации по оптимизации параметров сейсмозащитных опорных частей мостов сейсмических районах.
Для решения поставленных задач проведен анализ разработок отечественных и зарубежных фирм, специализирующихся в области сейсмостойкого строительства мостов, выполнена оценка влияния параметров опорных частей на сейсмические колебания системы «пролетное строение - опоры» и даны практические рекомендации по оптимизации параметров сейсмозащитных опорных частей мостов.
Ожидаемым результатом диссертации является решение указанного
комплекса задач и разработка практических рекомендаций по заданию параметров жесткости (настроек) сейсмозащитных опорных частей мостов при работе в режиме динамического гашения колебаний.
Методика исследований включала построение математических моделей рассматриваемых систем, их численный анализ; сопоставление получаемых значений оптимальных параметров с неоптимальными настройками. Для решения поставленных задач использовались методы строительной механики, динамики сооружений.
Научная новизна работы заключается в следующем:
проанализированы способы сейсмозащиты мостов и показана перспективность применения динамического гашения колебаний опор с использованием пролетного строения в качестве гасящей массы. Выявлены вопросы, решение которых необходимо для применения динамических гасителей колебаний (ДГК) в сейсмостойком мостостроении;
впервые выполнена количественная оценка влияния ошибок в настройке гасителя для больших гасящих масс, когда масса гасителя (пролетного строения) в 3 и более раза превышает массу сооружения (опоры). Показано, что в этом случае ДГК не чувствителен к параметрам настройки, особенно по демпфированию. Полученные оценки позволяют существенно упростить задачу проектирования сейсмозащитных устройств мостов;
предложена новая схема динамического гашения колебаний мостовых опор, в которой пролетное строение, используемое в качестве ДГК, имеет дополнительное крепление на жестком устое. Показано, что такое решение упрощает задачу обеспечения условий жесткости и прочности упругих связей пролетного строения с опорой;
предложено новое решение динамического гашения колебаний опор мостов, при котором гасящая масса (пролетное строение) располагается между двух защищаемых объектов (опор) и гасит их колебания;
разработаны практические рекомендации по подбору параметров сейсмозащитных опорных частей мостов.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:
получены практические рекомендации по подбору параметров жесткости и демпфирования сейсмозащитных опорных частей при различных соотношениях гасящей массы к массе сооружения;
разработаны методы подбора оптимальных параметров сейсмозащитных опорных частей для повышения сейсмостойкости моста;
разработаны практические предложения по использованию пролетного строения для гашения колебаний соседних опор.
Достоверность основных положений диссертационной работы подтверждается тем, что они согласуются с имеющимися результатами
экспериментальных исследований и опытом прошлых землетрясений, а также их соответствием результатам, полученным другими авторами по отдельным вопросам, рассмотренным в диссертации. На защиту выносятся:
результаты исследований ДГК опор при (малой, соизмеримой и большой массе ДГК);
методика подбора оптимальных параметров сейсмозащитных опорных частей;
конкретная техническая реализация предлагаемых систем сейсмозащиты мостов;
технические решения по сейсмозащите автодорожных и железнодорожных мостов.
Внедрение результатов и реализация работы. Рекомендации по подбору сейсмоизолирующих сейсмозащитных опорных частей использованы:
при разработке технических решений проектирования моста через р. Хирота на олимпийских объектах г. Сочи (ОАО «Трансмост»);
при проектировании моста на лыжной трассе на олимпийских объектах г. Сочи для обеспечения сейсмостойкости (ОАО «Трансмост»);
при выпуске типовых технических решений сейсмозащиты автодорожных мостов в Узбекистане (ООО «Techno art service»).
Апробация работы. По результатам исследований сделано более 10 докладов на конференциях, в том числе:
межвузовские научно-технические конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Шаг в будущее» Неделя науки, март-апрель Санкт-Петербург, ПГУПС, 2008-2010 тт.;
61-62я Международные научно-технические конференции молодых ученых «Актуальные проблемы современного строительства», Санкт-Петербург, СПбГАСУ 2008-2009 гг.;
республиканская научно-техническая конференция «Проблемы внедрения инновационных идей, проектов и технологий в производство», Узбекистан, Джизак, 15-16 мая 2009-2010 гг.;
материалы международной научно-технической конференции «Современные проблемы механики», Узбекистан, Ташкент, 23-24 сентябрь, 2009 г.;
научно-техническая конференция «Новые технологии в мостостроении», 22 апреля, ПГУПС, Санкт-Петербург, 2010 г.;
конференция «VI Савиновские чтения» ПГУПС, ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, г. Санкт-Петербург, 29 июня - 3 июля 2010 г.
Результаты исследований использовались при разработке отчетов по гранту ПГУПС для выполнения научных исследований студенческими и научными коллективами в 2008 году и по гранту ОАО РЖД в 2009 году.
Результаты работы неоднократно обсуждались на семинарах и заседаниях кафедры «Мосты» в ПГУПС 2008-2010 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, из них 2 - в журналах, включенных в перечень научных изданий, рекомендуемых ВАК РФ, 2 - в журналах рекомендуемых ВАК Республики Узбекистан.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Общий объем работы, включая 89 рисунков и графиков и 11 таблиц, составляет 190 страниц машинописного текста. Библиографический список включает 120 наименований, в том числе 19 иностранных.
Повреждения мостов при сильных землетрясениях
Большой вклад в теорию и практику сейсмостойкого строительства внесли японские и американские ученые Омори, Мононобе и Сюэхиро (1900-1930гг.), Дж. Хаузнер и М. Био (1950-70 гг.). Среди отечественных ученых должны быть упомянуты, прежде всего, КС. Завриев, И.А. Корчинский, И.И. Гольденблат, СВ. Медведев, А.Г. Назаров, Ш.Г. Напетривадзе; Г.Н. Карцивадзе, О.А. Савинов, СВ. Поляков и др.
В развитии сейсмостойкости огромную, роль сыграла статическая теория, поскольку впервые удалось получить количественную оценку сейсмических сил, вызывающих разрушение сооружения.
В начале XX века произошли- разрушительные землетрясения в США, как Калифорнийского землетрясения- в 1906 г. и в Японии в- 1923 г. разрушило несколько крупных сооружений. Вслед за землетрясениями на Аляске (1964 г.) и в Калифорнии (1971 г.) были разработаны меры, повышающие- сопротивляемость мостов сейсмическим воздействиям высокой интенсивности и сравнительно большой продолжительности.
Следует отметить, что более поздние исследования по сейсмостойкости мостов выполнены в Японии. В США, Новой Зеландии, Индии, Канаде, Японии [29 33, 58, 103 и др.] проводились многие натурные обследования сейсмических повреждений искусственных транспортных сооружений. .
С 30-х годов XX века в связи со строительством больших мостов выполнены, исследования по сейсмостойкости опор и пролетных строений в США-, Японии, Новой Зеландии (32, 53, 58, 114 и др.). В СССР начались исследования вопросов сейсмостойкого строительства в 20-х годах прошлого века. В связи со строительством Туркестано-Сибирской железнодорожной магистрали были проведены исследования К.С. Завриевым [26]. Этим вопросом далее в своих работах занимались Ц.СХЦшохер, В.А.Быховский [92], Н.Н.Ботвинкина и А.А. Гельфер [13, 17]. Следует отметить, что с учетом этих исследований в 1930 году были составлены республиканские нормативные документы - нормы Стройкома Казахской ССР для строителей Турксиба и «Технические условия проектирования и постройки в-сейсмических районах республик Закавказья- гражданских и искусственных сооружений». В этих нормах отмечалось, что основной причиной повреждения мостов являются горизонтальные сейсмические силы, в качестве систем моста рекомендовались балочная и рамная, опоры мостов предлагалось выполнять.массивными и жесткими.
Динамическая теория сейсмостойкости была недостаточно разработана, в основу единых норм по сейсмостойкому строительству, выпущенной Наркомстроем в 1939 году, была положена статическая теория, разработанная японским, ученым Омори, не учитывавшая1 динамические свойства конструкции [39}.
В результате теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в этом направлении М. Био, Хаузнером, И.Л. Напетваридзе, ЯМ. Айзенбергом и другими авторами, была предложена спектральная-методика расчета зданий и сооружений на сейсмические воздействия. Идея спектрального метода определения сейсмических сил впервые была предложена М. Био в 1933 г. [4, 39]. В следующем параграфе рассмотрим анализ методов расчета сейсмического воздействия на мосты.
После 50-х годов исследования по сейсмостойкости дорожных сооружений в основном велись в Тбилисском институте инженеров железнодорожного транспорта (ТБИИЖТ). С 1958 года в ТбИИЖТе были проведены теоретические и модельные исследования сейсмических колебаний мостов, разработаны рекомендации по назначению расчетных схем мостов и предложена: методика определения, частот: т форм колебаний наиболее характерных мостовых конструкций [2]. В результате этих исследований .был принят СНиП П-А.12-62 в 1962 году, в котором спектральный метод был принят в качестве основного для расчета мостов на сейсмостойкость.
Землетрясения, в; США (Аляскинское, 1964- г.) и Японии (Фукуйское,. 1948 г.)= показали что. исследования: сейсмостойкости мостов; являются неполными.ишедают ответа на многие вопросы...
Тем не: менее, с 60-х годов прошлоговекаисследованияжэтойобласти. начали развиваться более интенсивными! темпами: Развитие; вычислительной техники, и инструментальной базы в большой мере-дало, возможность, для. проведенияшатурных и модельных испытаний;
Начиная с 1965 года натурные исследования колебаний мостов, с определением;частот колебаний и- характеристик затухания проводились, в Советском; Союзе Н.Г.Бондарем,. И;И.Казеем, Ю.Г.Козьминым и Б.Ф:Лесохиным [12],.Г.Н1Карцивадзе [30], Б.Е.Иаком, М.М. Сердюковым.и В.П-. Чуднецовым [62]!, в Японии - МіМикошиба, К. Кубо; Т. Нишики [112] и другими учеными;
Вопросам нормирования сейсмостойкого строительства; посвящены работы Г.Н: Карцивадзе [30] F.C. Шестоперова [97], А. Хиращ ХШ. Чапмана, Ш. Окамото [58], Е.Н: Беллендира [8] и др [2].
В; результате вышеупомянутых разработок усовершенствовалась как теория сейсмостойкости мостов, таю и практика их проектирования. Вследствие1 этого были подготовлены и выпущены СНиП П-12-69, СНиП II 7-81, СНиП II-7-81 в которых был обоснован и разработан динамический метод расчета на сейсмостойкость по спектральным кривым применительно к мостам.
В настоящее время для развития теории сейсмостойкости различных сооружений в России проходит обсуждение СНиП 22-03-2009, актуализированная редакция СНиПа II-7-81 . В СНиПе 22-03-2009 [79] при выполнении расчетов сооружений с учетом сейсмических воздействий рекомендуется использовать две расчетные ситуации - (проектное землетрясение) ПЗ и (максимальное расчетное землетрясение) МРЗ. Для определения расчетных сейсмических нагрузок следует использовать карты ОСР-97-А для ПЗ, ОСР-97-В и С для МРЗ.
Однако, в связи с недостаточной завершенностью исследований, перечисленные научные разработки; по мостам в этих нормативных документах не учтены в достаточной мере.
Несмотря на то, что существуют подробные исследования по продольным и поперечным колебаниям мостов, и они достаточно отражены в существующей литературе [12, 30, 43, 49, 86, 100], в нормативных документах эти данные не получили отражения;
В СНиП II-7-81 «Строительство в сейсмических районах» отсутствуют рекомендации по назначению- расчетного коэффициента динамичности, и на практике соответствующие расчеты проводят, используя нормативную кривую коэффициента динамичности, характерную для жилых зданий. Теоретические разработки горизонтальных и вертикальных колебаний строений мостов с учетом взаимодействия опор и пролетных строений практически отсутствуют, а имеющиеся экспериментальные данные [43, 86, 100] характеризуются большим разбросом [39].
Исследование уравнений двухмассовой системы для оптимальной настройки жесткостей податливых соединений ДГК
Как отмечено выше, в первой главе диссертации, зарубежные фирмы часто рекламируют свои устройства без всестороннего анализа их работы, что затрудняет выбор целесообразного решения. Комплексный анализ предлагаемых средств сеисмозащиты и их возможностей до настоящего времени отсутствует.
В процессе исследований настоящей работы основное внимание уделяется вопросу анализа ДГК опор. В результате исследований предполагается: — проанализировать эффект гашения сейсмических колебаний опор балочных мостов с сейсмоизолирующими опорными частями; — получить оптимизацию параметров жесткости (настроек) сейсмозащитных опорных частей мостов; - оценить влияние ошибок настройки на эффективность динамических гасителей при различных соотношениях гасящей массы к массе сооружения; - получить оптимальные параметры настройки гасителя двухмассовой системы, жестко присоединенного к концевым частям.
ДГК получили в настоящее время достаточно широкое распространение для защиты конструкций от сейсмических воздействий. В частности, вопросы применения ДГК для повышения сейсмостойкости сооружений развиты в работах Б.Г. Коренева, B.C. Полякова, Л.М. Резникова, A.M. Уздина [35, 63, 67, 86] и др. специалистов.
Использование динамических гасителей (ДГК) - такое регулирование масс элементов системы и жесткости связей между ними, при котором обеспечивается противофазность колебаний отдельных элементов, приводящая к снижению инерционных усилий. Следует отметить, что когда удается обеспечить условия гибкости и прочности упругой связи, ДГК оказывается наиболее эффективной системой сейсмозащиты и позволяет снизить сейсмическую нагрузку на сооружение в несколько раз и больше.
Однако применение ДГК в строительстве вызывает ряд принципиальных трудностей. Эти трудности впервые детально освещены в работе О.А. Савинова [68], опубликованной в 1940 году. О.А. Савинов указывает две основные причины, из-за которых весьма осложнено применение ДГК в современном строительстве.
Первая причина - это большие перемещения гасителя, относительно защищаемой конструкции. Фактически перемещение гасителя во столько раз больше перемещения сооружения, во сколько раз его масса меньше массы сооружения. При использовании гасителей малой массы (до 10% от веса сооружения) смещение гасителя может достигать десятков сантиметров и более, что не всегда является конструктивно выполнимым. Примером успешной реализации ДГК небольшой массы может служить сейсмозащита телевизионной башни в Алма-Ате, " разработанная в ЦНИИСК им. Мельникова. В ней двухмассовый ДГК имеет возможность, свободно колебаться на тросе, подвешенном вг башне, общая высота башни которой. составляет 372 м. Однако этот случай является скорее исключением.
Второй существенный недостаток таких гасителей - необходимость высокой точности их настройки. Небольшие отклонения в настройке гасителя или в его демпфировании-сводят на нет его эффективность [68].
Весьма эффективным показал себя-ДГК в виде гибкого верхнего этажа, предложенный еще в 1976г. А.И. Цейтлиным [90] и реализованный в Армении под руководством проф. Э. Хачияна [110, 111].
Также заслуживает внимания решение, предложенное О.А. Савиновым и И.С. Шейниным, в котором в качестве гасящей массы для плотины или резервуара предлагалось применять собственно жидкость, используя в качестве пружины сжатый воздух. Вопросами анализа динамического гашения колебаний опор; мостов занимался ряд специалистов: А.А. Никитин,. АЛО. Симкин, С.А. Шульман, Г.Є. Шестоперов, А.М. Уздин, И.О. Кузнецова и др. [25, 73, 75].
Известны технические решения сейсмозащиты мостов, в которых для снижения.инерционных сейсмических нагрузок используются ДГК.
В начале 80-х годов для устранения вышеуказанных трудностей А.М.Уздиным. и А.А. Никитиным предложено использовать гасители большой; массы. В мостах эта идея находит применение, когда в качестве гасящей .массы выступает пролетное . строение. Такое решение было защищено авторским свидетельством № 1162886 [75].
В работе [75] предложена конструкция опорной части, содержащая» верхнюю и нижнюю опорные плиты, размещенный между ними гибкий опорный столик, выполненный в виде вертикально расположенных стержней и пластин, отличающаяся тем, что, с целью обеспечения сейсмозащиты сооружения. за; счет динамического, гашения колебаний при расположении опорной части между отдельными частями сооруженияпо его;высоте, гибкий опорный столик шарнирно соединен с верхней опорной плитой, причем жесткость гибкого опорного столика назначается из. условия работы верхней части сооружения в режиме динамического гашения колебаний нижней части сооружения по формуле (2.1) . С=ак2М . .. (2.1) где к - собственная частота колебания нижней части сооружения; М-масса верхней части сооружения; а - коэффициент, зависящий от рассеяния энергии колебаний характера воздействия. Сейсмозашита сооружения обеспечивается в этом случае за счет динамического гашения колебаний при расположении опорной части между отдельными частями сооружения по его высоте..
Опорная часть содержит верхнюю 1 и нижнюю 2 опорные плиты и размещенный между ними гибкий опорный столик 3, выполненный в виде вертикально расположенных стержней или пластин 4 и соединенный шарниром 5 с верхней опорной плитой 1. Опорная часть располагается между верхней 6 и нижней 7 частями сооружения.
При колебаниях верхней части 6 сооружения, горизонтальная нагрузка последовательно передается на верхнюю зону опорной плиты 1, шарнир 5, гибкий опорный столик 3, нижнюю опорную плиту 2 и далее на нижнюю часть 7 сооружения. Ограниченные повороты верхней части 6 сооружения в вертикальной плоскости обеспечиваются шарниром 5. Такие повороты необходимы в случае, когда в качестве верхней части 6 сооружения выступает 1 пролетное строение моста, получающее перемещение в вертикальной плоскости 1 в результате воздействия вертикальных постоянных и временных нагрузок.
Учет демпфирования при построении и решении уравнений движения для трехмассовой системы
Проведенные исследования, рассмотренные в настоящей главе первой части дают основание для следующих выводов: - для гасителей большой массы можно допустить существенные отклонения в настройке от оптимальных, причем зона высокой эффективности существенно возрастает с увеличением относительной массы гасителя; - система ДГК более чувствительна к настройке по жесткости, чем к настройке по затуханию. Например, для случае v=l, ошибки по жесткости допустимы в диапазоне 0.21 / 0.43, ошибки по затуханию в пределах 1.4 уг 6.8; - ошибки в настройке по затуханию в большей мере влияют на смещение гасящей массы, и в меньшей мере на перемещение основной конструкции; - полученные оценки позволяют существенно упростить задачу проектирования сеисмозащитных устройств мостов, поскольку дают проектировщику широкую возможность в выборе размеров и жесткости проектируемых элементов сеисмозащитных устройств;
Во второй части исследовании настоящей главы рассматривалась двухмассовая система с жестким закреплением концевой части (на устое). Это решение рекомендуется для случая, когда мост расположен в крутом ущелье, промежуточные опоры высокие и гибкие, а концевые опоры достаточно жесткие и имеет, безусловно, научную новизну. Показано, что такое решение упрощает задачу обеспечения условий жесткости и прочности упругих связей пролетного строения с опорой.
В настоящей главе рассматривается трехмассовая система, представленная на рис. 3.1. Система включает в себя устои и центральная часть, отличающиеся тем, что каждая из частей объединена в отдельную температурно-неразрезную систему, а центральная часть соединена с устоями податливым соединением. При этом центральная часть не имеет неподвижных опорных частей, а жесткость податливых соединений подобрана по ниже предлагаемой методике.
В предложенной схеме (рис. 3.1) приведены параметры: С/ - жесткость опоры левого устоя; Сг — жесткость опоры правого устоя; Сгі, Сг2 - соответственно жесткости гасителя колебаний; ті — масса левого устоя; т2— масса правого устоя; М- масса центральной части. В принятых обозначениях диагональная матрица масс колебаний системы примет вид
Следует отметить, что основную трудность при формировании системы (3.29) составляет определение коэффициентов демпфировании системы по известным характеристикам рассеяния энергии в элементах сооружения. На практике широко применяется приближенное представление матрица В в виде суперпозиции матриц инерции и жесткости: где он и аг - некоторые коэффициенты, не связанные явно с параметрами рассеяния в элементах конструкции, а определяемые на основе прямых испытаний сооружения в целом [86]. Для определения коэффициентов демпфирования исходной является обобщенная гипотеза Е.С. Сорокина, упомянутая ранее во второй главе, согласно которой силы сопротивления пропорциональны жесткости элементов системы (2.12). В соответствии с этой гипотезой силы сопротивления Fj, действующие на массу in;, представляются в виде:
Следует отметить, что в последние 20 лет сложился строгий подход к учету внутреннего трения в динамических расчетах сооружений. Основные теоретические положения этого подхода изложены в работах А.И. Цейтлина [90, 91] и Л.М. Резникова [67], а также в публикациях [83, 84, 86]. Ниже приводится метод построения матрицы вязкого демпфирования для моделирования внутреннего трения в материале сооружения.
Этот метод справедлив при коэффициентах неупругого сопротивления в материале у 0.3 (затухание в долях критического С 0.15). Как правило, это условие выполняется, например, для бетона у 0.1. Если система включает элементы из материалов с повышенной диссипацией, то для ее расчета может быть использована более точная методика учета демпфирования, изложенная в [83, 84].
Процесс построения матрицы вязкого демпфирования В включает четыре этапа. На первом этапе необходимо задать демпфирование в системе, которое характеризуется коэффициентами неупругого сопротивления jj (J - номер элемента конструкции). Значения у, имеются во всех справочниках по динамике сооружений и могут приниматься для предварительных расчетов у=0.1 для бетонных и каменных элементов у=0.05 для металлических элементов сооружения.
Для практической реализации второго и третьего этапов можно использовать стандартное программное обеспечение по формированию матрицы жесткости сооружения. С этой целью необходимо заменить модуль упругости элементов сооружения Es на соответствующее произведение ys Es. В результате такой процедуры на выходе получается матрица гистерезисного демпфирования Вс. Для системы с однородным демпфированием (y=const) матрица гистерезисного демпфирования пропорциональна матрице жесткости Bc=yR.
Из вышесказанного следует, что для формирования матрицы демпфирования всей системы Вс можно использовать стандартное программное обеспечение по формированию матрицы жесткости всей системы С [25]. В исследовании рассматривается трехмассовая расчетная схема сейсмоизолированного сооружения с динамическим гасителем колебаний (ДГК). Используя метод Е.С. Сорокина, представим расчетную схему в таком виде (рис. 3.2).
Особенности предлагаемого технического решения по сравнению с другими ранее использованными техническими решениями
В отличие от гражданских сооружений для мостов важными являются не только вопросы прочности и устойчивости основных несущих конструкций, но и вопросы работоспособности верхнего строения пути (ВСП), обеспечение устойчивости подвижного состава, ограничения хода опорной части и ряд других специфических вопросов. Эти вопросы мало освещены в научной литературе и вовсе не регламентируются нормами. Очевидно, что такой важнейший вопрос, как исключение сброса пролетных строений с опор, вовсе не затронут в нормах расчета мостов.
Необходимо рассмотреть все возможные предельные состояния мостов, установить критерии их возникновения и формализовать условия возникновения выявленных предельных состояний.
Сейчас имеется большое количество предложений сейсмозащитных устройств как отечественного, так и зарубежного производства.
Решение принимается, базируясь либо на использовании традиционных малоэффективных методов усиления, либо на разрекламированных средствах сейсмоизоляции. При этом не проводится оптимизация сейсмозащитных опорных частей, а при использовании специальных систем защиты и их расчет. Зарубежные фирмы рекламируют свои устройства без всестороннего анализа их работы, что затрудняет выбор целесообразного решения. Комплексный анализ предлагаемых средств сейсмозащиты и их возможностей до настоящего времени отсутствует.
Поэтому очень остро стоят вопросы анализа и расчета сейсмозащитных опорных частей мостов. Из вышесказанного можно сделать следующие выводы: - вопросы многоуровневого проектирования мостов как ответственных «барьерных» сооружений до настоящего времени не получили необходимого для проектировщиков развития; - выполнение комплекса указанных исследований должно обеспечить переход на многоуровневое проектирование мостов с учетом карт сейсмического районирования.
Задача проектирования заключается в. том, что для обеспечения сейсмостойкости балочных мостов надо правильно подобрать и расставить сейсмозащитные опорные части. По этому поводу в этой главе диссертации было рассмотрено несколько вариантов подбора и расстановки сейсмозащитных опорных частей моста.
Пример расчета опор однопролетного моста через р. Хирота железнодорожной линии «Адлер — аэропорт Сочи» для обеспечения сейсмостойкости В первом примере расчета приводится анализ возможных методов антисейсмического усиления однопролетного моста через р. Хирота на железнодорожной линии «Адлер - аэропорт г. Сочи».
Цель работы - разработать приемлемые решения сейсмозащиты. После выбора окончательного решения рекомендуется провести уточняющий расчет конструкции по линейно-спектральной методике соответствии с дополнениями.
Следует отметить, что район имеет специфику, заключающуюся в близости ускорений проектного (ПЗ) и максимального расчетного (МРЗ) землетрясений. Ситуационная сейсмичность для района и площадки строительства моста составляет по карте А 1л=&, по карте В 1В=9 и по карте С 1с=9. Такая ситуационная сейсмичность не соответствует фактически принятой в СНиП. Если принять 1мрз=1в=9, то его повторяемость составит примерно 1/1000 (раз в 1000 лет), тогда как неявно СНиП исходит из МРЗ с повторяемостью раз в 5000 лет. Что касается ПЗ, то СНиП обеспечивает 1т с ускорениями Anj=0.25AMP3- При 1мрз=1в=9 получаем іщ=7 баллов, что меньше воздействия по карте А.
По сравнению с аналогичными нагрузками по СНиП II-7-81 корректное задание расчетного воздействия должно приводить примерно к удвоению сейсмических нагрузок. Сейсмическая опасность на площадке строительства выше, чем средняя по России [61].
Оценка уровня сейсмических нагрузок на сооружение с учетом ситуационной сейсмичности.
Из вышеназванных можно рекомендовать следующий подход к заданию расчетного воздействия и проведению расчетов сооружения. 1. Сооружение необходимо рассчитывать на три уровня воздействия: - воздействие с повторяемостью раз в 200 лет и вероятностью превышения 10% за срок службы сооружения. Это воздействие соответствует 7-балльному и его повторяемость выше, чем повторяемость воздействия по карте А. Для него конструкция должна работать в упругой стадии без каких-либо повреждений. Фактически это воздействие приходится принимать в качестве проектного (ПЗ). На это воздействие производится силовой расчет, и ограничиваются напряжения в элементах конструкции. - воздействие повторяемостью раз в 500 лет и вероятностью превышения 10% за срок службы сооружения. Это воздействие соответствует 8-балльному и его повторяемость ровна повторяемости воздействия по карте А. В идеале это воздействие следует принимать как проектное, однако при сложности обеспечения; упругой работы конструкции представляется. оправданным допустить для этого воздействия некоторые контролируемые: повреждения и принимая в качестве, ПЗ воздействие с повторяемостью раз в 200лет. На воздействие второй группы производится смешанный расчет. Для основных несущих конструкций это силовой, расчет, ограничивающий усилия в элементах этих конструкций. В местах накопления повреждении это: кинематический расчет, ограничивающий взаимные: смещения элементов; — воздействие с повторяемостью раз в. 1000 лет ш вероятностью1 превышения 1% за;срок-службы сооружения. На воздействие третьей группы производится кинематический расчет, ограничивающий; взаимные смещения1 элементов конструкции [61].
2. Сейсмическое воздействие первого типа;с:повторяемостью раз в; 200 лет по: вероятности; возникновения должно рассматриваться как дополнительная (а не как особая) нагрузка; Поэтому она должна сочетаться;с другими нагрузками, в частности, с температурной
3. Воздействия второго и третьеготипа;тоже следовало бы.сочетать с. температурной нагрузкой, которая для рассматриваемого сооружения? может быть существенной; В соответствии с [70], для этого рассматривается множестворавновероятных,пар (температура, сейсмическое воздействие): Из этих пар выбирается;наихудшая: Если расчетная температура Т, а ускорение расчетного воздействия,/ то расчетная-пара имеет вид КГТ, Кед-Л)±где Кт-коэффициент сочетаний к температурной, aKeq - коэффициент сочетаний к; сейсмической нагрузке., Описание-схемы моста и предварительная оценка сейсмостойкости! опор: Результаты расчета опоры по консольной схеме на действие ПЗ!
