Введение к работе
Актуальность темы определяется практически отсутствием в отечественном мосто-строении опыта применения деревянных и деревожелезобетонных мостов современной конструкции, которые успешно эксплуатируются в США, Канаде и странах Скандиина-вии, при среднем сроке службы 50 лет и более при стоимости, равной 2/3 стоимости стального или железобетонного.
В России число мостов, построенных из клееной древесины, не превышает сотни, а с деревожелезобетоными балками – десятка. Отечественное мостостроение теряет, если уже не потеряло, целое направление развития деревянных мостов, по мировой оценке – экономичных, долговечных, простых в строительстве, экологичных, возводимых из стро-ительного материала, который самовосстанавливается в природе, Современный деревян-ный мост с пролетными строениями из клееной древесины, в том числе совместно с же-лезобетоном, должен занимать достойное место в отечественном мостостроении.
Успешное развитие мостов с деревожелезобетонными пролетными строениями воз-можно с использованием современных методов проектирования, в частности системно-го подхода, где учтены взаимосвязь конструктивных и организационно-технологических решений пролетных строений при необходимости их совместного рассмотрения уже на ранних этапах проектирования.
Разработке подлежит конструктивно-технологическая система деревожелезобетон-ных пролетных строений (КТС).
В нашем случае системообразующим элементом является деревожелезобетонное про-летное строение, а технология строительства – подчиненным. Системообразующие меха-низмы являются основными факторами, обуславливающими формирование и функци-онирование КТС.
Аспект развития КТС деревожелезобетонных пролетных строений характеризует рет-роспективу и перспективу их функционирования. Он необходим для понимания генезиса КТС, альтернативных путей ее развития.
Успех формирования КТС деревожелезобетонных пролетных строений зависит от обеспеченности рассматриваемого вопроса: информации по построенным и эксплуати-руемым мостам, наличия нормативных документов, конструкционных решений, типовых проектов, отработанных на практике технологий и организационных решений и т. п. При отсутствии или явной недостаточности исходных данных существенно возрастает роль научных исследований, поскольку они сужают круг неопределенностей и позволяют ускорить фомирование КТС. Отсюда цель и направления исследований, что подчерки-вает актуальность диссертационной работы.
Цель и задач исследований. Целью диссертационной работы является разработка КТС деревожелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов на основе разра-ботки конструкции, методов ее расчета и технологии производства.
На реализацию поставленной цели направлено решение следующих основных задач:
1. Разработка структурной модели КТС «Деревожелезобетонное пролетное строение»;
2. Теоретические исследования напряженно-деформированного состояния деревоже-лезобетонной балки;
3. Исследования клееной древесины и ее состояния после длительного периода эксп-луатации в мостовом сооружении; обоснование целесообразности использования кле-еной древесины совместно с железобетоном; принятие наиболее эффективной конст-рукции соединения ветвей композитной балки; разработка теории расчета жесткости соединения ребра и плиты; деревожелезобетонной балки как одиночной, так и в составе пролетного строения; решение вопросов ее рационального решения;
4. Теоретические и экспериментальные исследования деревожелезобетонных балок с
ребрами из клееной и цельной древесины при различных видах связей между ребром и плитой балки;
5. Разработка программ расчета деревожелезобетонных балок и пролетных строений из них;
6. Исследования конструирования железобетонной плиты и деревожелезобетонных пролетных строений в целом; разработка конструктивных решений объединения ребра и плиты деревожелезобетонной балки;
7. Разработка конструктивных решений деревожелезобетонной балки, узлов, конст-рукций сопряжений с опорами моста;
8. Исследования технологии производства массивных большепролетных клееных ба-лок с целью их качественного изготовления и применения в мостостроении; разработка технологической оснастки для изготовления плит балок;
9. Разработка проектов опытных деревожелезобетонных пролетных строений и внед-рение предложенных методов расчета в проектирование новых, реконструкцию старых мостов и учебный процесс вузов.
Решение этих задач проводилось частично в соответствии с научно-технической программой ГКНТ «Автомобильный транспорт «по подэтапу НIB (письмо 55-М/181 от 29.12.87 г. с решением Координационного совета программы) и планом научно-иссле-довательской работы АЛТИ (г. Архангельск) с 1985 по 1997 гг. (номера государственной регистрации тем 018500239878, 01860040980, 01890048791, 01900009591, 01920011332, 01930004360, 01940003027, 01960010834). Автор диссертации являлся руководителем и ответственным исполнителем научно-исследовательских работ.
Методика исследований определена спецификой разрабатываемой тематики. Мето-дологической базой разработки КТС деревожелезобетонных пролетных строений послу-жили работы, связанные с системотехническим методом проектирования. В основе на-учных исследований по использованию клееной древесины и железобетона в комбини-рованных балках пролетных строений автодорожных мостов лежат теоретические иссле-дования работы нагеля в древесине, жесткости нагельного соединения ветвей балки, исследования напряженно-деформированного состояния балки и метод расчета при при-нятом виде связей, предложенный автором метод пространственного расчета балочных пролетных строений, в совокупности определяющие направленность эксперименталь-ных исследований, лабораторные и натурные эксперименты балок и пролетных строе-ний, опытное проектирование и строительство.
Достоверность научных положений, выводов и методики подтверждена современ-ными физико-техническими методами исследований и апробации, удовлетворительной сходимостью теоретических и экспериментальных данных, положительными результа-тами апробации и внедрений, практикой проектирования, строительства и эксплуатации мостовых сооружений.
Научная новизна
Разработана структурная модель КТС «Деревожелезобетонное пролетное строение», выделены подсистемы и установлены связи между ними.
Для аргументированного описания входных параметров и показателей качества на выходе КТС:
1. Выполнены комплексные исследования состояния клееной древесины после дли-тельной эксплуатации в мостовом сооружении и на их основе показана целесообразность ее использования в современном отечественном мостостроении;
2. Разработаны основы расчета жесткости нагельного соединения ветвей деревожеле-зобетонной балки;
3. Созданы теоретические основы расчета балки деревожелезобетонного пролетного строения как составного стержня с упругоподатливыми связями сдвига между ветвями с принятим в расчетах дискретных связей при напряжениях по контакту с древесиной, не превышающих сопротивления смятию. Получены решения для нагрузок и температур-ных воздействий;
4. Разработан пространственный метод расчета, рассматривающий поперечную кон-струкцию пролетного строения как многопролетную неразрезную балку на упругоосе-дающих и упругоповорачивающихся опорах, для расчета пролетных строений с цельны-ми и составными балками;
5. Проведены теоретические и экспериментальные исследования деревожелезобетон-ных балок с ребрами из клееной и цельной древесины и сборной железобетонной плитой, исходя из которых определены особеннности и дана оценка силового взаимодействия деревянных балок с железобетонной плитой как ветвей составного стержня, исследова-ны деформации растяжения-сжатия вдоль волокон древесины, сдвига, отрыва-прижа-тия между ветвями, прогибы балок, бимодульность древесины в изгибаемом элементе;
6. Произведено сравнение результатов теоретических и экспериментальных иссле-дований с использованием теории и программ расчета, разработанных автором;
7. Выполнены исследования деревожелезобетонных пролетных строений, позволив-шие внести новые предложения по разработке их конструкции;
8. Разработаны конструктивные решения балки, узлов для деревожелезобетонного пролетного строения; конструкции сопряжений с опорами моста; решены вопросы раци-онального решения балки деревожелезобетонного пролетного строения;
9. Предложены конструктивно-технологические решения объединения плиты и ребра деревожелезобетонной балки с использованием нагельного соединения;
10. На опыте реконструкции пролетных строений реального объекта показана необ-ходимость и эффективность комплексного решения вопросов совершенствования дере-вожелезобетонных пролетных строений на основе научных исследований.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Практическая зна-чимость подтверждается внедрением диссертационного исследования.
Разработана структурная модель КТС «Деревожелезобетонное пролетное строение», выполнены научные исследования, теория расчета, необходимые для аргументации опи-сания входных параметров КТС и ее показателей качества на выходе. Полученные ре-зультаты дают возможность:
1. Использовать результаты исследований состояния клееной древесины после дли-тельной эксплуатации в мостовом сооружении в проектировании и назначении сроков эксплуатации современного деревянного моста;
2. Использовать теорию расчета жесткости нагельного соединения ветвей деревоже- лезобетонной балки как составного стержня с упругоподатливыми связями между вет- вями, разработанный и внедренный программно-математический комплекс в исследо-ваниях и проектировании строительных конструкций с целью их совершенствования или создания новых конструктивных форм;
3. Продолжить исследования деревожелезобетонных балок и пролетных строений из них на основе выполненных экспериментальных исследований с расширением и конкре-тизацией перечня параметров, требующих отражения в комплексных исследованиях;
4. Использовать результаты исследований деревожелезобетонных пролетных строе-ний, их конструкционные решения, предложения по рационализации, конструкции сопряжений пролетных строений с опорами моста в практике мостостроения;
5. Использовать результаты исследований производства и рекомендации по улучше-нию качества изготовления массивных большепролетных балок для их широкого внед-рения в современное отечественное мостостроение. Продолжить разработку конструк-тивно-технологических решений объединения плиты и ребра деревожелезобетонной балки на основе выполненных исследований и предложений;
6. Считать положительным опыт проведенной реконструкции пролетных строений с деревожелезобетонными балками, разработку технологической оснастки для изготовле-ния сборных железобетонных плит деревожелезобетонных пролетных строений, внедре-ние результатов научных исследований и программ расчета в практику проектирования и учебный процесс вузов. Все внедрения подтверждены актами внедрения.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
Структурная модель КТС «Деревожелезобетонное пролетное строение», разработан-ная на основе системотехнического метода проектирования мостов. Для аргументации описания входных параметров и показателей качества на выходе КТС выносятся на рассмотрение:
– результаты комплексных исследований состояния клееной древесины после дли-тельной эксплуатации в мостовом сооружении;
– целесообразность использования клееной древесины совместно с железобетоном и нагельного соединения ветвей деревожелезобетонной балки;
– теория расчета жесткости нагельного соединения ветвей деревожелезобетонной балки как составного стержня;
– теоретические основы расчета балки деревожелезобетонного пролетного строения как составного стержня с упругоподатливыми связями сдвига между ее ветвями при принятии в расчетах дискретных связей при напряжениях по контакту с древесиной, не превышающих сопротивления смятию древесины. Получены решения для нагрузок и температурных воздействий;
– пространственный метод расчета, рассматривающий поперечную конструкцию пролетного строения как многопролетную неразрезную балку на упругооседающих и упругоповорачивающихся опорах, которыми служат главные балки пролетного строения, для расчета пролетных строений с цельными и составными балками;
– результаты теоретических и экспериментальных исследований деревожелезобетон-ных балок с ребрами из клееной и цельной древесины и сборной железобетонной пли-той, в которых раскрыты особенности и дана оценка силового взаимодействия балок из древесины с железобетонной плитой как ветвей составного стержня, исследованы деформации растяжения - сжатия вдоль волокон древесины, сдвига, отрыва - прижатия между ветвями, прогибы балок, бимодульность древесины в изгибаемом элементе;
– сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований с испо-льзованием теории и программ автора;
– программы расчета деревожелезобетонных балок и пролетных строений из них;
– результаты исследований деревожелезобетонных пролетных строений и конструк-тивные решения балки, узлов, пролетных строений в целом и их сопряжений с опорами моста; рациональные решения балки деревожелезобетонного пролетного строения;
– результаты исследований технологии производства массивных большепролетных деревоклееных балок для мостостроения, конструктивно-технологические решения
объединения ребра и плиты деревожелезобетонной балки с использованием нагельного
соединения; разработки технологической оснастки для изготовления плит пролетного строения;
– разработанные проекты опытных пролетных строений; результаты внедрения мето-
дов расчета и конструирования в проектирование при реконструкции мостов на автодо-
рогах Архангельской области и в учебном процессе вузов.
Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее разделы док- ладывались на научно-технических конференциях С(А)ФУ) им. М.В. Ломоносова (ранее АЛТИ, АГТУ) в 1975 – 2004 гг., МАДИ в 1985 – 1988 гг., СПбГАСУ (ранее ЛИСИ) в 1989 – 1994 гг., 2001 – 2003 гг., на семинаре-совещании по эксплуатации мостов в Ма-монтовке Московской области (Дорожный департамент РФ) в 1995 г., на семинаре-сове-щании мостовиков РФ (Москва–Хельсинки) 1997 г., на международных научно-практи-ческих конференциях по проблемам развития автомобильно-дорожного комплекса Рос-сии в СПбГАСУ в 1997 г. и реконструкции и ремонту зданий и сооружений на Севере в АГТУ в 1992 г.; на Всероссийской научно-практической конференции «Современные технические решения по повышению надежности и долговечности искусственных сору-жений и безопасности движения по ним» ( 2001 г., Геленджик); «Новые технологии, конструкции и материалы при строительстве, реконструкции и ремонте автомобильных дорог общего пользования РФ» ( 2002 г., Геленджик); на Международной научно-практи-ческой конференции «Реконструкция Санкт-Петербурга 2003» ( 2002 г., СПбГАСУ), на расширенных заседаниях кафедры «Мосты и тоннели» Автодорожного института СПбГАСУ (2003 г., 2004 г., 2007 г.), на расширенном заседании кафедры «Мосты» ПГУПС (2006 г.), на расширенном заседании кафедры «Мосты и транспортные тоннели» МГАДТУ (МАДИ) (2009 г., 2011г), на расширенном заседании кафедры «Автомобиль-ные дороги» С(А)ФУ им. М.В. Ломоносова ( 2011 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы в 54 работы, в том числе четыре монографии и два учебных пособия, один патент на изобретение, а также в 8 научно-технических отчетов.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 453 страницах. Состоит из введения, девяти разделов, общих выводов, в том числе 167 рисунков и 39 таблиц, спи-сок литературы из 154 источников. Представлены 4 акта внедрения результатов иссле-дований в производство, проектирование, учебный процесс вуза и приведены структур-ные схемы алгоритмов разработанных программ «Сomby-E», «Comby-T», «Расмос», использование которых позволяет выполнить комплекс расчетов при проектировании деревожелезобетонных пролетных строений.
Похожие диссертации на КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА И ТЕОРИЯ РАСЧЕТА ДЕРЕВОЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ БАЛОЧНЫХ АВТОДОРОЖНЫХ МОСТОВ
