Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы одним из наиболее перспективных направлений в транспортном строительстве в России и за рубежом стало возведение металлических и сталежелезобетонных тонкостенных мостовых конструкций, в том числе, с большими и сверхбольшими пролетами (от сотен, до более тысячи метров). Учитывая высокую сложность проектирования объектов такого рода и повышенные требования к их надежности и безопасности, в качестве одного из методов прогнозной оценки пространственной работы как таких сооружений в целом, так и их наиболее важных элементов нередко используется физическое моделирование.
Анализ исследований в этой области, проводимых в нашей стране, в частности, в лаборатории моделирования и испытания конструкций (МИК) ИЦ «ЦНИИС-тест» ОАО ЦНИИС, а также научных публикаций в открытых иностранных источниках показывает, что эксперименты на реальных масштабных моделях, наряду с существующим мощным математическим аппаратом, остаются актуальным и признанным во всем мире научно-экспериментальным методом.
В то же время, при наличии целого ряда работ, посвященных практическим результатам использования аппарата физического моделирования и на этапе проектировании тонкостенных мостовых сооружений, и в эксплуатационных период, следует констатировать практическое отсутствие материалов о теоретических и технологических исследованиях на заданную тему. При этом в связи со значительным отличием величин толщин элементов конструкций данного типа от прочих геометрических размеров, практическое решение задачи подобия в данном случае связано с целым радом сложностей и проблем.
Основными из них являются:
подбор масштаба модели, при котором с одной стороны значения толщин получающихся элементов модели не опускаются ниже уровня возможных с точки зрения изготовления, а с другой - размер модели в целом не превышает габариты помещения, где планируется проводить испытания;
при двумасштабном моделировании - решение непростых задач переноса результатов экспериментов на моделях на реальный объект;
решение задачи подобия и обработки экспериментальных данных при исследовании конструкций из нескольких материалов на модели, созданной из материалов с различными физико-механическими свойствами;
решение проблемы потери устойчивости элементов, моделирующих орто-тропные;
учет особенностей работы тонкостенных элементов моделей при обработке экспериментальных данных.
Эти проблемы в той или иной степени проявились при исследованиях на реальных моделях работы вантового пролетного строения моста через Обь в городе Сургуте, пролетного строения вантового моста «Живописный» через реку Москву у
Серебряного бора, пролетного строения Байтового моста через реку Москву на трассе Москва-Бородино и ряде других объектов как транспортного, так и гражданского строительства. Во всех перечисленных случаях в процессе работы возникала необходимость поиска новых конструкторских и технологических подходов, обеспечивающих нахождение практического решения задачи подобия и получение результатов, поставленных Заказчиком.
Целью настоящей работы является создание методики определения пространственного напряженно-деформированного состояния тонкостенных конструкций пролетных строений мостов с применением физического моделирования.
Для создания данной методики необходимо решить следующие задачи:
-
Проанализировать и систематизировать результаты научных исследований работы тонкостенных мостовых конструкций на настоящий момент
-
Сформулировать основные положения методики моделирования тонкостенных мостовых конструкций.
С этой целью:
- Составить аналитические зависимости, лежащие в основе методики моде
лирования тонкостенных мостовых конструкций
- Исследовать основные конструктивные решения вопросов, возникающих
при моделировании тонкостенных мостовых сооружений, включающие в себя:
а) Крупноблочное моделирование на основе применения материалов ново
го поколения;
б) Использование метода усиления прерывистыми ребрами;
- Изучить работы в части технологического обеспечения физического моде
лирования, в том числе:
а) Проектирование модели и переход от экспериментальных данных к ре
альным при различных физико-механических свойствах материалов как модели,
так и реальной конструкции
б) Использование специальных розеток тензорезисторов при обработке ре
зультатов, получаемых при испытаниях моделей тонкостенных мостовых конст
рукций
3) Рассмотреть вопрос обоснования применения методов физического мо
делирования для исследования тонкостенных мостовых конструкций. С этой целью
автор провел:
- изучение вопроса достоверности результатов, получаемых на пространст
венных физических моделях
- анализ состояния теоретических исследований напряженно-деформированного состояния тонкостенных мостовых конструкций
Методика проведения исследований предполагает использование метода электротензометрии. Для экспериментальных исследований на моделях применялись электрические тензорезисторы и прогибомеры, механические мессуры. Регистрирующая аппаратура - измерительный комплекс СИИТ-2, подключенный к персональному компьютеру. Методические испытания физико-механических свойств материалов проводились на универсальной машине INSTRON, и прессе П-500.
Научная новизна и практическая значимость работы состоят в следующем:
-
Создана методика оценки пространственного напряженно-деформированного состояния тонкостенных конструкций пролетных строений мостов с применением физического моделирования, которая позволяет получить практическое решение задачи подобия для большепролетных металлических и сталеже-лезобетонных мостов. Данная методика доказала свою эффективность также и при моделировании объектов гражданского строительства с большими перекрытиями.
-
Разработан метод крупноблочного моделирования, основанный на применении новых материалов, который в сочетании с предложением создания моделей из нескольких материалов значительно расширяет возможности варьирования физическими параметрами модели на этапе подбора оптимального масштаба моделирования современных конструкций.
-
Предложен метод замены сплошных продольных ребер моделей тонкостенных элементов строительных конструкций на прерывистые, что дает возможность увеличить предельно допустимую величину масштаба моделирования без перехода к двумасштабному моделированию.
-
Сформирована специальная группа розеток, которая позволяет получить более корректные значения параметров напряженного состояния при экспериментах на тонкостенных моделях.
-
Изучен вопрос достоверности физического моделирования сложных конструкций с учетом случайных явлений как в натуре, так и в модели. Выявлены пределы погрешности физико-механических характеристик модели, а также прикладываемых к ней внешних сил, при которых на одной модели возможно получить результаты с уровнем достоверности, удовлетворяющим инженерную практику.
Достоверность результатов исследования обеспечена применением современных экспериментальных методов, а также практическим использованием результатов при моделировании моста «Живописный» и ряда других объектов транспортного и гражданского строительства.
На защиту выносятся следующие ключевые положения представляемой методики:
-
Методика моделирования при изготовлении как натуры, так и модели из нескольких материалов с различными физико-механическими свойствами.
-
Методика моделирования ортотропной плиты натуры соответствующим элементом модели с прерывистыми продольными ребрами, позволяющая сохранить подобие в осевой жесткости, при минимальной потере в величине эквивалентного момента инерции.
-
Методика расширенного подобия (крупноблочное моделирование), основанная на применении современных низкомодульных материалов.
-
Новая группа тензометрических розеток, учитывающих особенности работы тонкостенных элементов моделей мостовых конструкций
-
Параметры и соотношения, определяющие уровень достоверности получаемых результатов при физическом моделировании мостовых сооружений. Пределы величин погрешностей параметров моделирования, при которых данные о работе натурного объекта с приемлемой с точки зрения инженерной практики достоверностью могут быть получены в результате экспериментов на одной модели для случая статической работы конструкции в упругой стадии.
Практическое внедрение. Представляемая методика была с успехом применена при моделировании следующих объектов транспортного и гражданского строительства: пролетное строение вантового моста «Живописный» через реку Москву у Серебряного бора; пролетное строение вантового моста через реку Москву на трассе Москва-Бородино; конструкции Крытых Конькобежных Центров в городе Коломне и в Крылатском.
Публикации. Основные положения диссертации изложены в четырех публикациях, одна из которых представлена в журнале «Транспортное строительство», рекомендованном перечнем ВАК Российской Федерации.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и общих выводов. Она содержит 164 страницы машинописного текста, 5 таблиц, 29 рисунков и список литературы из 105 наименований.
