Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Краткий аналитический обзор 6
1.1 Тенденции развития вантовых пролетных строений 6
1.2 Конструктивные особенности существующих вантовых систем 14
1.3 Методы оценки напряженно-деформированного состояния вант 22
1.4 Применение программных расчетных комплексов для оценки напряженно-деформированного состояния вантово-балочных пролетных строений 31
1.5 Выводы по главе 1, цель и задачи исследования 34
ГЛАВА 2 Методы оценки напряженно-деформированного состояния вант 38
2.1 Методы оценки напряженно-деформированного состояния вант на стадиях монтажа и эксплуатации 41
2.2 Метод последовательных приближений при анализе вантово-балочных пролетных строений 46
2.3 Метод оценки изгибных напряжений в анкерной зоне вант 50
2.4 Адаптация программного расчетного комплекса MSC NASTRAN к расчету вантово-балочных систем 53
2.5 Выводы по главе 2 64
ГЛАВА 3 Экспериментальные исследования на натурных объектах 66
3.1 Автодорожный мост с однопилонным вантово-балочным пролетным строением через р.Обь около г.Сургута 68
3.2 Городской мост с вантово-балочным пролетным строением через р.Неву на КАД г.Санкт-Петербурга 85
3.3 Выводы по главе 3 96
ГЛАВА 4 Обоснование технических требований к вантовым системам 99
4.1 Конструктивные требования к узлам крепления вант 101
4.2 Технические требования к современным вантовым системам 110
4.3 Конструктивные требования по обеспечению аэродинамической устойчивости вантовых систем 121
4.4 Расчет экономической эффективности от реализации новых конструктивных решений вантовых систем 125
4.5 Выводы по главе 4 129
Основные выводы и результаты работы 132
Список использованной литературы
- Конструктивные особенности существующих вантовых систем
- Метод последовательных приближений при анализе вантово-балочных пролетных строений
- Городской мост с вантово-балочным пролетным строением через р.Неву на КАД г.Санкт-Петербурга
- Конструктивные требования по обеспечению аэродинамической устойчивости вантовых систем
Введение к работе
Пролетные строения вантово-балочной системы получили широкое распространение при строительстве большепролетных мостов в последние 30 -40 лет. Имеются исторические примеры применения подобных конструктивных решений и в более ранние периоды.
Наиболее важными функциональными частями вантово-балочных пролетных строений являются гибкие несущие элементы - ванты, работающие, в основном, на растяжение и способные воспринимать значительные напряжения. Это существенное достоинство при сочетании с эффективной статической схемой пролетного строения, обеспечивающей значительную разгрузку главной балки, предопределило области рационального применения вантово-балочных пролетных строений:
автодорожные, железнодорожные, городские, совмещенные и трубопроводные мосты больших пролетов (300-500м), при которых становится нерационально применение балочно-неразрезных, арочных и прочих комбинированных систем. Наряду с висячими системами достижение наибольших пролетов (до 800-1000м) становится возможным при использовании относительно легких стальных главных балок из ортотропных плитных элементов и высокопрочных вантовых систем;
мостовые переходы с неблагоприятными гидрогеологическими условиями (большая глубина и скорость течения воды, слабые водонасыщенные грунты в основании, карсты, оползневые склоны, стесненные условия судоходства и др.), которые обуславливают необходимость перекрытия этих участков большими пролетами;
мосты через судоходные реки и морские акватории, глубокие ущелья, в мегаполисах со сложившейся застройкой, когда целесообразен монтаж конструкций моста внавес;
мосты с повышенными архитектурно-эстетическими требованиями.
В силу высокой технико-экономической эффективности интерес к мостам с пролетными строениями вантово-балочной системы постоянно растет
(Приложение А). Богатейший опыт в этой области накоплен в XX веке в Германии, Франции, Швейцарии, Дании и других странах западной Европы. Весьма показателен в этом отношении нарастающий опыт США и Китая. Если до 1992 года в США было построено 24 крупных мостовых перехода с пролетными строениями вантово-балочной системы, то к 2005 их количество удвоилось.
В России также наблюдается тенденция к большепролетному мостостроению. Так, за последние годы были построены несколько уникальных мостовых сооружений вантово-балочной системы, не уступающих по основным технико-экономическим параметрам мировому уровню (см. Глава 3).
Можно констатировать, что создание современных уникальных мостов, поражающих воображение огромными масштабами, оригинальностью и прогрессивностью конструктивно-технологических решений, тесно связано с применением пролетных строений вантово-балочных систем. Очевидно, эти конструкции сохранят свою привлекательность для проектировщиков и строителей в ближайшем будущем.
Поскольку ванты являются важнейшей функциональной частью вантово-балочных пролетных строений, то обеспечение их долговечности по основным потребительским (эксплуатационным) свойствам - прочности, деформативности, выносливости, хладостойкости, коррозионной стойкости и другим является непременным условием обеспечения долговечности всего мостового сооружения.
Вместе с тем, в настоящее время при проектировании вант не в полной мере учитываются особенности их напряженно-деформированного состояния (НДС) и динамического поведения, что связано с наличием факторов нелинейности и условиями крепления в пилонах и балке жесткости.
Основой успешного решения обозначенных вопросов является разработка методов оценки и регулирования НДС вантовых систем, а также научно обоснованных требований к современным конструктивно-технологическим решениям самих вант и узлов их крепления, что, с учетом вышеизложенного, определяет актуальность данной работы.
Конструктивные особенности существующих вантовых систем
Для зарубежного и отечественного большепролетного мостостроения характерно применение в мостах с вантово-балочными пролетными строениями вант из витых стальных канатов закрытого типа, параллельных круглых стальных проволок, параллельных прядей типа К7 или монострендов, а также канатов на базе полимерных материалов (стекло- и углепластиков).
Наибольшее распространение в нашей стране получили ванты из витых канатов закрытого типа и из параллельных проволок круглого сечения.
Важнейшей технической характеристикой вант данных типов является высокая прочность стальной проволоки 0 2,5-7мм с наименьшим временным сопротивлением разрыву до Run = 1400 МПа. При этом расчетное сопротивление разрыву составляет Rdh = 0,63 Run.
Высокие прочностные характеристики проволока получает в процессе производства при термической и холодной обработке. Одновременно на нее наносится металлизационное (цинком, алюминием, медью и пр.) антикоррозионное покрытие.
Отечественные предприятия, например Волгоградский сталепроволочно-канатпый завод, выпускали витые канаты трех видов [49] :
1. Спиральные одинарной свивки, изготовленные из стальных проволок, образующих форму простой спирали вокруг центральной проволоки. (ГОСТ 3062, 3063, 3064). 0тах=27мм. =(1,5-1,8 105МПа. Максимальная несущая способность канатов - до 960кН.
2. Спиральные многорядные двойной свивки, которые формируются из прядей - спиральных канатов небольшого диаметра. Здесь прядь-сердечник расположена по оси сечения, а остальные - по спирали вокруг нее (ГОСТ 3067, 3068, 3081). 0тах=45,5мм. =(1,3-1,5 105МПа. Максимальная несущая способность канатов - до 3800кН. 3. Закрытого типа (Рис. 1.9), которые формируются с использованием в нескольких защитных слоях фасонных проволок клиновидного и Z-образного сечения (ГОСТ 3090, 7675, 7676). 0max = 70 (90)мм. Ек=(\,\8-1,77)-105МПа. Фактические значения модуля упругости Ек в зависимости от кратности свивки каната (от 6 до 16), а также после предварительной вытяжки принимали по табл.59, [97]. Максимальная несущая способность таких вантовых канатов - до 5000кН. Слои из фасонной проволоки после вытяжки практически исключали проникновение агрессивных сред внутрь каната. При этом гладкая поверхность канатов облегчала процесс их монтажа и обеспечивала дополнительную внешнюю защиту от коррозии.
Витые канаты закрытого типа из круглой и Z-образной стальной проволоки
Канаты этого типа применены на мостах через р. Днепр в г.Киеве («Южный обход»), р.Шексну в г.Череповце и через протоку р.Енисей в г.Красноярске, а также в проекте моста через р.Волгу в г.Ульяновске и др.
Для стабилизации модуля упругости и деформации ползучести канаты всех трех типов предварительно вытягивали на стенде усилием 50-60% от разрывного (RPa3P)- Таким образом, за счет уплотнения свивки и снятия пластических (неупругих) деформаций значения Ек обеспечивали на уровне (1,18-1,77 105МПа [97], а полная относительная деформация ползучести составляла 0,3-0,5мм на 1м Байтового каната.
В то же время при строительстве мостов вантово-балочной системы через р.Днепр в г.Киеве («Московский мост»») и р.Даугаву в г.Риге применялись ванты из параллельных проволок круглого сечения [89], сформированные по схеме 1+6+12+18+..., с последовательным увеличением количества проволок в каждом последующем слое. В этом случае канат формировали непосредственно на строительной площадке с обеспечением внешней защиты от коррозии, а также с нагнетанием специальной антикоррозионной пасты внутрь каната.
Данный тип вант (Рис. 1.10) обладает стабильно высокими показателями модуля упругости Ек до 2,0Ы05МПа (табл.58 , [97]). В данном случае проволоки не испытывают дополнительных напряжений, как в витых канатах, что позволяло использовать в полной мере их несущую способность.
Общий вид вантовых систем из параллельных стальных проволок
Отечественный опыт проектирования и строительства, а также результаты научно-практических исследований в области применения вантовых систем из стальных канатов отражены в виде действующих нормативных документов [97]. Здесь регламентируются следующие виды вант: витые канаты с металлическим сердечником; закрытые канаты 0 30-70мм по ТУ 14-4-1216-82; канаты одинарной свивки по ГОСТ 3064 из круглой оцинкованной по группе ЖС проволоки 0 2,6мм и более; пучки и канаты из параллельных уложенных оцинкованных проволок по ГОСТ 3617.й
Метод последовательных приближений при анализе вантово-балочных пролетных строений
Расчеты вантово-балочных пролетных строений выполняются по деформированной схеме, при этом напряжения и относительные удлинения в ванте находятся в нелинейной зависимости. В этой связи применение принципа суперпозиции при оценке НДС вант является недостаточно корректным и требует последовательных приближений при использовании как нелинейных пространственных, так и линеаризованных расчетных моделей гибкой нити.
Метод последовательных приближений, предложенный А.А.Ильюшиным [56] для решения упруго-пластических задач деформирования конструкций, предназначен в данном случае для оценки НДС вантово-балочных пролетных строений, включая сами ванты, и реализует упругое решение нелинейных задач последовательными решениями системы уравнений.
Общеизвестны три подхода к решению подобных задач: переменных параметров упругости (жесткости); дополнительных нагрузок; комбинированный подход, объединяющий в себе на определенных условиях два предыдущих.
Анализ эффективности данных подходов к решению различных нелинейных задач, например расчеты балок в упруго-пластической стадии, показал, что они приемлемы и для оценки НДС в вантах с учетом аналитических решений п.2.1. При этом для поставленной задачи наиболее целесообразен метод переменных параметров упругости (жесткости), который дает более высокую скорость сходимости результатов [56].
В то же время для оценки НДС узлов крепления вант целесообразен комбинированный метод, главным образом в части задания величин и направлений усилий, передаваемых с вант. Анализ напряженно-деформированного состояния расчетных схем вантово-балочных пролетных строений рекомендуется проводить в следующей последовательности приближений:
1. Первое приближение - упругий расчет по линеаризованной схеме с учетом исходного нормируемого модуля упругости Е для ванты. Вычисление приведенного (касательного) модуля упругости Е с учетом провиса от собственного веса и разности температур вант.
2. Второе приближение - упругий расчет по линеаризованной расчетной схеме с учетом Е и усилия преднапряжения в ванте. Вычисление приведенного (касательного) модуля упругости Е" с учетом провиса от собственного веса, разности температур и сближения анкерных точек.
3. Третье приближение - упругий расчет по линеаризованной расчетной схеме с учетом Е" и усилия преднапряжения в ванте.
4. Последующие приближения (итерации) - с учетом процедур итераций №1-3.
Изменение положения анкерных точек А и Б (узлов крепления ванты в пилоне и балке жесткости) задается из расчета пространственной модели пролетного строения с использованием программных комплексов МКЭ и методических указаний п.2.1.
Соотношение между приведенным Е и фактическим Е модулем упругости ванты принимается по формуле п.4.68, [97].
При этом физический смысл приведенного модуля упругости характеризуется формулой Эрнста:
Касательный модуль упругости Е уменьшается с увеличением d и снижением уровня осевых напряжений в ванте. При этом уменьшается и фактическая осевая жесткость ванты, характеризуемая произведением E -F.
На практике, оценивая несущую способность вантовой системы, площадь поперечного сечения F выбирают в соответствии с уровнем напряжения (например, расчетный уровень напряжений - 0,45-ав) и жесткостью ванты.
Для вантовых систем с пролетами до 200-3 00м осевое напряжение увеличивается почти пропорционально площади поперечного сечения F и обратно к уровню напряжения в ванте. Таким образом, чем ниже уровень напряжений, тем ванта жестче. И напротив, для больших вантовых пролетов (d 400м) доминирует влияние геометрических факторов и уровня напряжения в ванте.
Городской мост с вантово-балочным пролетным строением через р.Неву на КАД г.Санкт-Петербурга
Заказчиком выступило Государственное учреждение «Дирекция по строительству транспортного обхода г. Санкт-Петербурга Федерального дорожного агентства». Проектировщики: ЗАО «Институт «Стройпроект» - генпроектировщик; ЗАО «Гипростроймост-Санкт-Петербург» - проектирование двухпилонной вантово-балочной системы моста. Подрядчики: - ОАО «МО-19»; ОАО «Мостотрест» (МО-18, 114). Обследования и приемочные испытания — ОАО ЦНИИС.
Среди конструктивных особенностей рассматриваемого мостового сооружения стоит отметить, что стальная балка жесткости пролетного строения в поперечном направлении состоит из двух коробок постоянной высоты 2,4м, объединенных ортотропной плитой с полосовыми ребрами жесткости (Рис. 3.11).
На балке жесткости с шагом 12м расположены узлы крепления вант с нерегулируемыми анкерами. Также после завершения монтажа на балке жесткости установлены аэродинамические обтекатели.
Для улучшения аэродинамических свойств двух цельнометаллических пилонов А-образной формы высотой 126,0м с фундаментом на буровых столбах 0 2,0м их стойки имеют в поперечном сечении трапециевидную форму.
В верхней части пилона располагаются узлы крепления вант с регулируемыми анкерами. А-образная форма пилона обеспечивает единый угол наклона всех вант в плане и придает конструкции пилонов высокую поперечную жесткость.
На данном мосту применены вантовая система с переменным количеством семипроволочных стрендов - от 14 до 91шт фирмы VSL [20,119].
Они состоят из отдельно монтируемых семипроволочных прядей (монострендов), свитых из оцинкованных стальных проволок 0 5мм. Каждая прядь заключена в оболочку из полиэтилена высокой плотности (ПЭВП) и заполнена специальной смазкой, что обеспечивает её надежную защиту от коррозии. Внешним защитным барьером вант является полиэтиленовая труба с системой интерцепторов на поверхности. Технические требования к конструкции монострендов представлены в главе 4 диссертации.
В ходе приемочных обследований и испытаний (ноябрь 2004г) вантово-балочного пролетного строения моста через р.Неву на КАД г.Санкт-Петербурга диссертантом были проведены исследования качественных и количественных параметров пространственной работы вантовой системы и узлов крепления к главной балке жесткости. Теоретические усилия в вантах и узлах их закрепления в главных балках от временной вертикальной испытательной нагрузки (Рис. 3.12) определяли при загружении соответствующих линий влияния. Рис. 3.12 Загружение центрального пролета испытательной нагрузкой При этом строго придерживались требований действующих нормативных документов [98], ограничивающих усилия, вызываемые испытательной нагрузкой 70% от проектного уровня (с учетом динамического коэффициента и коэффициента надежности по нагрузке, равному 1). Фактически эти усилия составляли 71% от усилий, вызываемых проектной нормативной вертикальной нагрузкой А14. С целью повышения достоверности экспериментальных данных усилия в вантах определяли как с помощью механических тензометров, так и компьютерной измерительной системой СТКМ (Рис. 3.13), установленных на узлах крепления вант к главным балкам (Рис. 3.14). Рис. 3.13 Система тензометрического контроля СТКМ-ИС Тензометры и тензорезисторы устанавливались на узлы крепления вант к балке жесткости (Рис. 3.14): на самой длинной \ короткой ванте в пролете 15-16; на самой длинной \ короткой ванте в пролете 16-17.
В соответствии с пп.3.13, [98] время выдержки испытательной нагрузки при статических испытаниях в каждом из предусмотренных положений определялось по стабилизации показаний измерительных приборов, т.е. приращения контролируемых напряжений (деформаций) за 5 мин. не должны превышать 5%, что имеет решающее значение при исследованиях работы вант (в случае нестабильности модуля упругости).
Конструктивные требования по обеспечению аэродинамической устойчивости вантовых систем
Опыт эксплуатации вантово-балочных пролетных строений последних лет показывает, что при воздействии на вантовую систему ветровых и дождевых потоков с периодическими срывами соответствующих вихрей в свободной длине вант появляются периодические возмущающие силы, направленные перпендикулярно движению указанных потоков.
При совпадении собственных частот колебаний вант с частотой изменения возмущающей силы от срыва вихрей проявляются явления аэродинамической неустойчивости резонансного типа.
В связи с трудностями точного аналитического описания подобные явления изучают, как правило, экспериментальными методами и путем продувки статически и динамически подобных масштабных физических моделей вантовых систем в аэродинамических трубах [111,114,115].
Результаты таких исследований и наблюдения за натурными объектами выработали ряд конструктивных требований, существенно снижающих явления аэронеустойчивости вантовых систем.
В связи с этим конструктивные параметры вант необходимо задавать такими, чтобы амплитуда их собственных колебаний была меньше диаметра внешней трубы ванты или L/500, где L - свободная длина ванты.
Для устранения описанных выше явлений на поверхности внешнего кожуха (трубы) ванты необходимо предусмотреть устройство спирально выступающей (буртики) или рельефной системы, препятствующей периодическому срыву вихрей (Рис. 4.12). а) б) Рис. 4.12 Аэродинамические системы на поверхности внешней защитной трубы ванты а - выступающая рельефная система; б - спиральные буртики
Зачастую с проблемой регулирования динамических параметров инженеры сталкиваются уже на этапе монтажа и эксплуатации вантовой системы. В этом случае наиболее действенной мерой следует признать специальные гасители (поглотители) колебаний - демпфирующие устройства, далее демпферы (Рис. 4.13).
На рынке демпфирующих устройств существует огромный выбор конструкций (внутренние и внешние) и типов (фрикционные, гидравлические, эластомерные и т.д.) демпферов, которые отличаются своим назначением, ресурсом, полосой пропускания частот и амплитуд колебаний.
Современные вантовые системы должны иметь системы демпфирования, позволяющие получить логарифмический декремент затухания больше 4% для любой ванты независимо от частоты и амплитуды колебаний. Демпфер должен сохранять работоспособность в диапазоне колебаний вант от 10мм до максимальных.
Демпферы должны иметь долговечность, подтвержденную динамическими испытаниями, с суммарным ходом, равным 40 тыс. циклов, без значительных изменений кривой демпфирования. Например, в проекте городского вантово-балочного моста с арочным пилоном в Серебряном бору (Приложение С) предусмотрена установка 44 комплектов гидравлических (для вант 100м) и 20 комплектов эластомерных внутренних демпферов системы Фрейссине (Рис. 4.13), которые располагаются в пределах переходной зоны вантовой системы, а) б) Рис. 4.13 Внутренние (встроенные) демпфирующие системы Фрейссине а - эластомерный демпфер; б - гидравлический демпфер 124
Встроенная система демпфирования должна быть интегрирована в зону анкера и незаметна снаружи. Чрезвычайно важно, чтобы демпфирующая система была легко заменима на стадии эксплуатации моста без серьезных ограничений движения по мосту. Это позволяет регулировать работу вантовой системы при эксплуатации в случае изначальных погрешностей в задании их динамических параметров.
На этапе проектирования современных многовантовых мостовых систем необходимо производить комплексные расчетные проверки динамических характеристик всей плоскости вант.
По результатам этих проверок определяется целесообразность применения в вантовой системе дополнительных стабилизирующих кабелей при сейсмическом возбуждении или порывистом ветре.
Практический опыт предъявляет строгие требования к надежности применяемых систем демпфирования. Они должны быть апробированы не менее чем на 5 мостах с пролетами более 300м или иметь существенные научно-практические обоснования к применению в конструкциях вантово-балочных мостов с учетом местных условий монтажа и эксплуатации.
Вместе с тем анализ и регулирование динамических параметров уже построенных вантовых систем становится возможным при использовании мониторинговых комплексов динамического и статического контроля. В соответствии с задачами мониторинга в каждом конкретном случае индивидуально подбирается функциональность и технический состав комплекса.
В настоящие время сформировался глобальный рынок разнообразных мониторинговых систем. Следует различать перманентные и мобильные мониторинговые комплексы. Также существующие системы различаются по принципам действия: магнитные, лазерные, акслерометрические, инклерометрические, пьезоэлектрические, ультразвуковые и прочие.
