Содержание к диссертации
Введение
1. Актуальность, задачи и методика исследования 10
1.1. Обзор конструкций мостовых опор с ледорезами и льдозащитными ограждениями 10
1.2. Актуальность разработки новых конструкций мостовых опор с льдозащитными оболочками 26
1.2.1 Создание и развитие конструктивно-технологического комплекса сооружения фундаментов мостовых опор, приведшее к новой конструкции высоких ростверков с льдозащитными оболочками 26
1.2.2 Новая конструкция высоких свайных ростверков с льдозащитной оболочкой и новая технология их сооружения на Волжских и других мостах средней полосы России 40
1.2.3. Характеристика ледовых условий на реках Севе
ра и Северо-востока России 53
1.2.4. Цель и задачи работы 62
1.3 Методика исследований 64
2. Исследование работы железобетонных льдозащитных оболочек на реках с ледоставом 65
2.1. Динамическое и статическое воздействие льда на льдозащитную оболочку 65
2.2. Оценка взаимного положения ледяных пробок и окру жающего ледяного покрова на основе ранее выполнен ных натурных наблюдений 80
2.3. Теплофизические расчеты формирования ледяного по крова и ледяных пробок в замкнутой полости льдоза щитных оболочек 84
2.4 Анализ льдообразования в полости при наличии организованных турбулентных потоков 97
2.5. Расчетная оценка давления льда внутри льдозащитнои оболочки и ее несущей способности
Выводы по главе 2 115
3. Разработка новых конструкций льдозащитных оболочек для различных условий в мостостроении 117
3.1. Льдозащитная оболочка со струенаправляющими элементами 117
3.2. Льдозащитная оболочка для большого числа свай с дистанционным ледорезом 126
3.3. Бифункциональная льдозащитная оболочка. 138
Выводы по главе 3 145
4. Исследования условий сооружения железобетонных льдозащитных оболочек с предложениями по технологии 147
4.1 Температурный режим и динамика твердения бетона льдозащитнои оболочки при ее возведении 147
4.2 Температурные и усадочные напряжения в стенках льдозащитнои оболочки при ее возведении 154
4.3. Температурные перепады и напряжения в льдозащитнои оболочке при погружении её в воду 157
4.4. Оснастка для сооружения льдозащитных оболочек 161
Выводы по главе 4 164
5. Особенности эксплуатации мостовых опор с льдозащитными оболочками в зимний период и предложения по комплексу контрольно-измерительной аппаратуры 166
5.1. Методика долговременных наблюдений за температурным режимом, процессами льдообразования и напряжениями в бетоне 166
5.2. Измерения толщины льда во внутренней полости льдо-защитной оболочки и контроль за формированием прослоек льда 170
5.3. Измерение деформаций в бетоне и арматуре льдозащитной оболочки от воздействия льда 184
5.4. Варианты термоизмерительной аппаратуры 188
Выводы по главе 5. 199
Заключение. 200
Список использованных источников.
- Создание и развитие конструктивно-технологического комплекса сооружения фундаментов мостовых опор, приведшее к новой конструкции высоких ростверков с льдозащитными оболочками
- Оценка взаимного положения ледяных пробок и окру жающего ледяного покрова на основе ранее выполнен ных натурных наблюдений
- Льдозащитная оболочка для большого числа свай с дистанционным ледорезом
- Температурные и усадочные напряжения в стенках льдозащитнои оболочки при ее возведении
Введение к работе
Актуальность. За последние 100 лет конструкция опор мостов и технология их сооружения на больших акваториях претерпели существенные изменения. Если вначале века и вплоть до начала 60-х годов в основном применялись кессоны и опускные колодцы, в фундаментной части и крупные бетонные массивы с наклонными^ облицованными гранитом ледорезами в надфундамёнтйой части, то, начиная с крупных мостов в Китае (рЛнцзы и др.), широкое распространение получили опоры на сваях-оболочках с бетонными вертикальными водорезами.
В России совместными усилиями ученых ОАО "ЦНИИС", проектировщиков (ОАО Титютоансмост'') и строителей (ОАО "Волгомост") выполнены работы по созданию новой технологии сооружения опор с высокими,свайными ростверками, включающими льдозащитную оболочку (ЛЗО) с вертикальным водорезом. Новый вднструктивно-технологический комплекс внедрен на нескольких больших уникальных мостах и получил высокую оценку Правительства РФ. Автор принимал участие в разработках и внедрении с 1991 г.
Обладая существенным преимуществом, конструкция не может быть применена повсеместно без проведения специальных исследований, так как в ней имеется полость в зоне льдообразования. Действующими нормами в мостостроении и гидротехнике не предусмотрен расчет таких юнструкций на внутреннее давление льда при его температурном расширении. С участием автора была обоснована возможность применения полых ЛЗО в опорах на р. Волге и р. Каме, однако дальнейшее более широкое применение этих высокоэффективных конструкций сдерживает отсутствие научного обоснования и конструктивной проработки с учётом большого многообразия климатических и гидрологических условий, а так же размеров мостовых опор.
Актуальность данной работы' определяется большим ожидаемым экономическим эффектом за счбт более широкого применения ЛЗО в мостах разных классов и систем с продвижением высокоэкономичной конструкции в более' суровые климатические условия России, составляющие значительную часть её территории.
Таким образом, целью работы является теоретическое обоснование новых конструктивно-технологических решений ЛЗО и исследование их работы в различных климатических и гидрологических условиях.
Методы исследований. Исследование температурных климатических воздействий на железобетонную ЛЗО совместно с процессами тепловыделения при укладке и твердении бетона проведено методами математического моделирования. Исследование ледовых воздействий выполнено с учетом фазовых переходов вода-лёд. Термонапряжённое состояние ЛЗО и её прочность оценена методами теории упругости. При этом был использован метод конечных элементов, а также алгоритмы и программы, разработанные в ОАО ЦНИИС и МАДЙ. Достоверность теоретических исследований проверялась наблюдениями на строящихся мостовых переходов.
Научная новизна. работы заключается в определении
закономерностей льдообразования во внутренней полости ЛЗО в зависимости от климатических и гидрологических условий, в том числе с учётом турбулентности водного потока; в предложенных методах расчёта термоледового режима внутри ЛЗО; в научном обосновании новых конструкций ЛЗО, защищенных патентами.
Практическая значимость. На основании выполненных автором исследований разработаны новые гонструктивно-технологические решения, включая особые условия сооружения и эксплуатации ЛЗО, в том числе при отрицательных температурах. Разработана методика наблюдений, набор технических средств и приспособлений, которые позволят обеспечить живучесть конструкции ЛЗО в построенных мостах.
Реализация результатов работы. Результаты работы реализованы при разработке рабочей документации и строительстве мостов через р.Волгу у с. Пристанное и в г. Волгограде, р.Болду в Астраханской области, П пускового комплекса мостового перехода через р. Каму у с. Сорочьи Горы на автодороге Казань-Чистополь-Бугульма (Республика Татарстан).
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на IV Международной конференции по проблемам свайного фундаментостроения (Пермь, 1994 г.)), на Российско-финском семинаре "Ремонт и содержание мостов" (Сургут, 2002 г.), на 5-ом Международном симпозиуме "PERMAFROST ENGINEERING" (Якутск, 2002 г.), на Конференции аспирантов и соискателей ОАО ЦНИИС (Москва, 2002 г.), на секции "Строительство и реконструкция искусственных сооружений Ученого совета ОАО ЦНИИС (2003 г.).
Достоверность полученных результатов подтверждается опытом эксплуатации построенных мостов на реках Волге и Каме, а также решениями ФИПС о выдаче патентов на новые конструкции ЛЗО.
Публикации.^ теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе получены два патента на изобретение. Кроме того, результаты работы автора отражены в научно-техническом отчете ОАО ЦНИИС, где диссертант являлся одним из руководителей.
Создание и развитие конструктивно-технологического комплекса сооружения фундаментов мостовых опор, приведшее к новой конструкции высоких ростверков с льдозащитными оболочками
Вплоть до начала 50-х годов мостостроители на акваториях с глубиной воды более 6 м для опор больших мостов сооружали кессонные фундаменты с ручной разработкой грунта в ножевой рабочей камере, в которой создавали избыточное давление воздуха, превышающее на 0,1- 0,2 кгс/см давление столба водреке до обреза ножа рабочей камеры. Кессоны (неполной готовности, но с герметичными камерами) обычно бетонировали на искусственном полуостровке и доставляли на место погружения буксировкой по воде.
При глубине воды в реке до 6 м и при возможности отсыпки островка применяли массивные (бетонируемые на островке) опускные колодцы с механической разработкой грунта в его полости. В процессе погружения кессонов и опускных колодцев наращивали их стены путем бетонирования. При затирании в грунте погружаемой конструкции ее нагружали твердым балластом для увеличения осаживаемой массы. После достижения кессоном или опускным колодцем проектной отметки в ножевую камеру кессона или в основание опускного колодца укладывали тампонажний бетон подводным способом, откачивали воду, а потом насухо заполняли полость бутобетоном или бетоном.
Кессонные фундаменты очень материалоемки, трудоемки, требуют больших затрат времени, имеют повышенную потенциальную опасность для строителей в процессе погружения, оказывают негативное воздействие на здоровье людей, работающих в ножевой камере при наличии избыточного давления воздуха.
Применение массивных опускных колодцев несколько облегчает труд рабочих и ускоряет темп сооружения фундаментов. Однако материалоемкость колодцев и трудоемкость их погружения на глубину 15 и более метров были не намного ниже кессонов.
С появлением более прогрессивных конструкций, технологий и оборудования для устройства фундаментов (забивные железобетонные и металлические сваи, металлический шпунт для устройства котлованов в акватории, дизель-молоты, вибропогружатели и др.) мостостроение отказалось от применения кессонов, а также опускных колодцев с большой глубиной погружения. В настоящее время массивные опускные колодцы применяют при наличии в основании крепких, неразмываемых грунтов (пород) с глубиной залегания 3-4 м от уровня воды в реке или уровня грунтовой воды на суходолах. При других инженерно-геологических, гидрологических, гидрогеологических условиях применение массивных опускных колодцев не экономично.
В середине 50-х годов при сооружении фундаментов для опор мостов стали применять полые железобетонные сваи диаметром 0,4-0,6 м, изготавливаемые на центрифугах. Несколько позже появились трубы-оболочки диаметром 1,0... 2,0 м, а затем - колодцы-оболочки диаметром 3,0...5,0 м. Эти сборные ж.-б. конструкции позволяют наращивать их длину в процессе забивки (вибропогружения) путем стыковки отдельных секций на болтах или сварке.
В техническом проекте моста через р. Волгу в Астрахани фундаменты опор места были приняты с применением железобетонных колодцев-оболочек диаметром 3,0 м (заполняемых бетоном) при глубине воды в реке 8... 12 м, считая от рабочего уровня. Высота плиты ростверка, равная 4,5 м, принята с учетом перекрытия колебания уровня ледохода.
Геологический разрез ложа реки представлен: в кровле ложа мелким песком с толщиной слоя до 12 м, затем прослойкой плотной глины - до 6 м, ниже прослойкой мелкого песка - до 9 м, еще ниже -плотной коренной глиной.
При сооружении каждого фундамента предстояло погрузить 8-10 железобетонных оболочек на глубину около 30 м ниже дна реки при общей длине одной оболочки до 44 м.
Мостостроителей не устроила такая трудоемкая конструкция свайного фундамента, тем более, из-за отсутствия надежного технологического оборудования для погружения колодцев-оболочек. Особенно пугала прослойка плотной глины мощностью до 6 м. ы от ее уровня в
Оценка взаимного положения ледяных пробок и окру жающего ледяного покрова на основе ранее выполнен ных натурных наблюдений
Обычно уровень воды в реке в течение зимы медленно понижается (промерзают грунтовые источники питания реки). К концу зимы, как установил В.П.Величко [П], для конструкций, подвергающимся аналогичным воздействиям (для пустотелых цилиндрических железобетонных оболочек диаметром 60-500 см), во внутренней полости оболочки может образоваться пробка значительной толщины - толще окружающего ледяного покрова. Вследствие смерзания льда с бетоном ледяная пробка зависнет над поверхностью воды и над окружающим ледяным покровом. Кроме того, около мостовых опор ледяной покров, как правило, обламывается и наружная поверхность конструкции оголяется [11].
Типичные результаты наблюдений, выполненные над льдообразованием в цилиндрических пустотелых оболочках, представлены на Рис.2.4 и Рис.2.5, представляющих особый интерес, так как условия льдообразования в полости ЛЗО примерно такие же. На каждом из этих рисунков справа приведен чертеж (продольный разрез) оболочки с ледяной пробкой в конце зимы, слева вверху - график изменения во времени среднесуточных температур воздуха и слева внизу - график изменения во времени уровня воды в реке (оболочке). При этом масштаб ординат на графике уровней равен масштабу чертежа. Взаимное положение ледяной пробки и окружающего ледяного покрова на Рис.2.4 и Рис.2.5 общую закономерность, отмеченную выше и заключающуюся в том, что ледяная пробка к концу зимы «зависает» над окружающим ледяным покровом. Этот вывод подтверждают наблюдения на мосту через р. Волгу у с. Пристанное Саратовской обл., где впервые применены ЛЗО (Рис.2.6 а и б).
Таким образом, вместо условной схемы со льдом внутри и снаружи в одном уровне (см. Рис.2.1) можно предложить более близкую к действительности схему льдообразования в льдозащитной конструкции (на конец зимы), представленную на Рис.2.7. При такой, более реальной, схеме взаимного положения ледяной пробки и окружающего ледяного покрова возможно так называемое «статическое давление льда» (т.е. давление льда при его температурном расширении) как снаружи, так и изнутри оболочки.
Следующие два параграфа посвящены расчетной оценке толщин ледяных пробок и величины давления льда изнутри на стенки ЛЗО.
Для исследования была взята русловая опора моста через р. Каму у с. Сорочьи Горы на автодороге Казань - Чистополь — Бугульма -Оренбург (Рис.2.8). Высота ЛЗО составляет 6,5 м, толщина стенки в носовой и кормовой частях составляет 1 м, в остальной части - 0,5 м. Толщина двух диафрагм также 0,5 м. Диаметр четырех столбов - 2,2 м. Область исследования включала ЛЗО с ростверком, столбами и диафрагмами. Тепловым влиянием тела опоры пренебрегали. По высоте выделили 15 слоев (см. Рис.2.9), которые включают: - надводную часть опоры (столба и льдозащитной оболочки), расположенную выше начального уровня воды на 2 м (учитывая теплоизолирующий эффект ростверка); - подводную часть опоры (включая пространство ниже ЛЗО).
В плане выделили примерно /g часть опоры (ввиду ее герметической тепловой симметрии), а также примыкающую к этой части опоры зону реки на расстояние 25 м в сторону от опоры (ввиду непосредственного теплового влияния воды в пределах этой зоны на температурный режим тела опоры и пространства внутри нее). На Рис.2.10 схематически представлен один из пятнадцати горизонтальных слоев (8й). Здесь цифрой 1 обозначен материал - бетон, цифрой 2 - вода или лед (в зависимости от состояния в процессе теплофизического расчета). Нулями обозначены границы отсутствия тепловых потоков.
При постановке теплофизической задачи расчетный уровень ледостава (РУЛ) приняли на отметке 51.0 как более невыгодный в смысле охлаждения поверхности воды во внутренней полости. В этом случае воздух над водой будет остывать и сверху (через плиту ростверка), и с боков (через стенки льдозащитной оболочки). Естественно, при этом образующийся внутри лед будет толще. Если же ледостав произойдет на отметке 53.0 или выше, то охлаждение внутренней полости будет происходить только сверху (через бетон).
Льдозащитная оболочка для большого числа свай с дистанционным ледорезом
При навале ледяных полей при подвижках льда во время ледохода носовая часть ромбовидной или эллипсовидной в плане ЛЗО 2 дистанционного ледореза 6 разрезает лед и направляет его вдоль боковых поверхностей мостовой опоры, при этом горизонтальное давление от дистанционного ледореза 6 передается на носовую часть плиты ростверка 5 опоры через распорку 3 распределяя, таким образом, усилие на все сваи 4 куста, что позволяет воспринимать давление мощных ледяных полей. В период ледостава уровень воды в реках, как правило, понижается. Вместе с ними опускается окружающий опору ледяной покров, но между сваями 4, а также в зазорах между соседними ЛЗО 2 он зависает и создает дополнительную связь ростверков 1, так как к моменту первых подвижек и ледохода он еще не успевает разрушиться, что способствует еще большей устойчивости опоры.
Зависший лед между сваями 4 и в зазорах между соседними ЛЗО 2 может оказать давление на стенки ЛЗО 2 при повышении температуры, однако, фактически при поперечном к течению расположении двух и более ростверков на конструкциях зависает большая масса льда, связанная в тепловом отношении с водой через железобетон ЛЗО 2, свай 4 и диафрагм-стяжек 7. Эти конструкции являются проводниками тепла в зависший лед от воды, имеющей зимой положительную температуру. В результате колебания температуры льда и, следовательно, давление на стенки будут чрезвычайно малы.
Предлагаемое техническое решение позволило преодолеть противоречия, которые возникали в результате применения технических решений [38,40,52] отдельно или в сочетаниях, приводящих к достижению ограниченных положительных результатов.
Так, например, для более мощных опор в мостах с пролетами более 140, м либо при ширине проезжей части более 20 м, либо на северных реках, где мощные ледовые нагрузки, очевидным решением было бы увеличение числа свай при одновременном увеличении размеров в плане ЛЗО. Практически такое решение неосуществимо, так как, привело бы к существенному увеличению веса ЛЗО (более 500 т) и невозможности ее изготовления в надводном положении с последующим опусканием в проектное положение, при котором ее нижний конец постоянно должен находиться в воде.
Чтобы ликвидировать это противоречие предлагается опора из двух й более ростверков, расположенных друг за другом по течению и рядом, поперек к течению, причем для увеличения несущей способности опоры при навале ледяных полей ростверки соединены распорками, а один из них служит дистанционным ледорезом.
Второе новое техническое решение снимает противоречие, возникающее при увеличении габаритов ЛЗО, другим способом. Предлагается членение ЛЗО на две автономные секции. При этом полость каждой секции содержит одну или несколько свай, каждая секция или несколько смежных секций выполнены автономными с общей плитой ростверка, причем вертикальный зазор между секциями меньше или равен 20мм.
Мостовая опора включает три и более ростверков 1, которые снабжены ЛЗО 2, разделенной диафрагмами-стяжками 3 на секции, причем диафрагмы-стяжки 3 установлены с горизонтальным воздушным зазором не менее 20 см относительно низа плиты ростверка5, при этом нижний конец их постоянно погружен в воду.
Полость каждой секции содержит одну или несколько свай 4, а каждая секция или несколько секций выполнены автономными с общей плитой ростверка 5, а вертикальный зазор 6 между смежными диафрагмами-стяжками 3 меньше или равен 20 мм.
Мостовая опора работает следующим образом.
В период ледостава уровень воды в реках, как правило, понижается. Вместе с ним опускается окружающий опору ледяной покров, но между Сваями 4, а также в зазорах 6 между секциями ЛЗО 2 он зависает. В зазоре 6 между смежными секциями в процессе льдообразования возникает давление на стенки в связи с увеличением объема замерзающей воды на 9%, но поскольку величина зазора ограничена (20 мм) каждая из автономных секций ЛЗО способна воспринять эти незначительные деформации без разрушения.
Зависший между сваями 4 лед в секциях ЛЗО 2 при повышении температуры может оказать давление на ее стенки изнутри. Но это давление воспринимают диафрагмы-стяжки 3, которые соединяют противоположные стенки ЛЗО 2. Кроме того, находясь нижним концом постоянно в воде, имеющей зимой положительную температуру, и являясь проводниками тепла, они поднимают тепло вверх. Также тепло поднимается вверх по телу свай. В результате в секциях ЛЗО 2 создается более мягкий микроклимат. Оттоку тепла из полости в окружающую среду препятствует плита 5 ростверка 1 и сами стенки ЛЗО 2. При наличии разницы в температуре внутреннего воздуха в полостях соседних секций внутри ЛЗО 2 происходит его перетекание из отсека в отсек через горизонтальный зазор между верхом диафрагм-стяжёк 3 и нижней поверхностью плиты ростверка 5. В результате зимой в отсеках лед появиться позднее, а после появления будет расти медленнее, чем в реке. Кроме того, при понижении уровня воды в реке такая конструкция способствует формированию в полости малотеплопроводного, многослойного льда, который препятствует дальнейшему росту толщины льда на поверхности воды.
Температурные и усадочные напряжения в стенках льдозащитнои оболочки при ее возведении
Важным технологическим моментом, определяющим трещиностойкость ЛЗО, является погружение ее в воду. После такого погружения нижняя часть ЛЗО оказывается в воде, а верхняя - на воздухе, и под влиянием перепада температур в ней возникают температурные напряжения.
Наибольшие температурные напряжения возникают в холодный период года, особенно при отсутствии ледяного покрова, сглаживающего температурные перепады по высоте [89].
При исследовании температурного режима и термонапряженного состояния были приняты следующие предпосылки: а) температура воздуха внутри ЛЗО равна температуре наружного воздуха; б) уровень воды внутри ЛЗО совпадает с уровнем воды в реке.
В данном случае, как и на стадии бетонирования, оценка трещиностойкости производилась в два этапа. На первом из них были проведены исследования температурного режима ЛЗО после погружения ее в воду, определялись расчетные перепады температур. На втором этапе выполнялись расчеты температурных напряжений, а также непосредственная оценка трещиностойкости конструкции.
Исследования температурного режима были выполнены методом математического моделирования на ЭВМ по разработанным ранее в ИТ ОАО ЦНИИС специальным программам.
В расчетах было принято, что погружение ЛЗО в воду производится в холодный период года (в январе) применительно к климатическим условиям г. Игарка Красноярского края. В качестве расчетной схемы рассматривался фрагмент стенки ЛЗО с толщиной 0,8 м и общей высотой 3 м, из которой половина располагалась над уровнем воды, а вторая половина - под этим уровнем.
Остальные исходные данные, принятые для теплофизических расчетов на ЭВМ, были следующие.
1. Теплофизические характеристики - коэффициент теплопроводности (общее значение) - 1,7 ккал/мчС; - объемная теплоемкость (общее значение) - 600 ккал/м3оС;
2. Начальная температура во всей расчетной области принята равной среднемесячной температуре воздуха в январе для г.Игарка, т.е. -28,6 С [78].
3. Граничные условия. В надводной части расчетной области принято: температура воздуха равна -28,6 С, коэффициент теплообмена на поверхности равен 20 ккал/м2чС. В подводной части расчетной области принято: температура воды равна 0 С, а коэффициент теплообмена на поверхности равен400 ккал/м2чС. Некоторые результаты расчетов температурного режима в виде кривых изменения температур в середине стенки ЛЗО после погружения ее в воду в различных сечениях по высоте представлены на Рис.4.4, из которого можно видеть следующее: - через неделю после погружения в воду процесс изменения температур затухает, температурный режим становится установившимся (стационарным); - температура в подводной зоне на глубине более 1 м быстро повышается от -28,6 С до О С (кривая 1); - температура в надводной зоне на высоте более 1 м от уровня воды практически не меняется и остается приблизительно равной среднеянварской температуре воздуха -28,6 С; - перепад температур (после погружения в воду) между подводной и надводной частями ЛЗО менее, чем через 7 суток, возрастает от О С до более, чем 28 С.
Именно этот температурный перепад, точнее, кривая температур по высоте, является главной причиной температурных напряжений в ЛЗО после погружения ее в воду. Для расчета температурных напряжений использованы методики, изложенные в работах [87, 88, 90]. При этом, как и в предыдущем параграфе, принято: коэффициент линейного расширения а = 10"5 1/С, модуль упругости бетона Еб = 3,5 105 кгс/см2. Основные этапы отражены на Рис. 4.5, где слева (Рис. 4.5а) приведена расчетная схема, на Рис. 4.56 - расчетное распределение средних температур горизонтальных слоев по высоте и, наконец, на Рис. 4.5в - эпюры напряжений. При этом сплошной кривой на Рис. 4.5в показаны упругие напряжения, а пунктирной кривой - напряжения с учетом ползучести бетона с коэффициентом релаксации Н = 0,9, определенным согласно [86].
Похожие диссертации на Новые конструкции железобетонных льдозащитных оболочек мостовых опор
