Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса. постановка задач и выбор методов исследования 12
1.1. Опыт и перспективы применения фибробетонных конструкций в различных областях подземного и городского строительства 12
1.2. Анализ методов расчета и результатов исследования конструкций из фибробетона 21
1.3. Особенности статического расчета сталефибробетонных конструкций 32
1.4. Состояние нормативной базы проектирования подземных сооружений из фибробетона 33
1.5. Постановка задач и выбор методов исследования 35
1.6. Выводы 37
2. Теоретические исследования работы сборных сталефибробетонных обделок 39
2.1. Возможные варианты математической модели сборной сталефибробетонной обделки и их анализ. Выбор рабочих моделей 39
2.2. Исследование особенностей статической работы сталефибробетона как конструкционного материала 41
2.3. Теоретические исследования статической работы сборных сталефибробетонных обделок 46
2.4. Выводы 75
3. Экспериментальные исследования физико-механических свойств сталефибробетона 76
3.1. Цель и задачи экспериментальных исследований 76
3.2. Методика экспериментальных исследований 78
3.3. Экспериментальное определение физико-механических свойств сталефибробетона для расчета подземных конструкций 85
3.4. Анализ результатов экспериментальных исследований 92
3.5. Выводы 93
4. Методика расчета сталефибробетонных тоннельных конструкций 95
4.1. Исходные предпосылки и расчетная модель 95
4.2. Алгоритм и программа расчета сталефибробетонных тоннельных конструкций 98
4.3. Пример расчета сборной сталефибробетоиной обделки (на примере перегонного тоннеля Омского метрополитена) 113
4.4. Выводы 132
5. Рекомендации по проектированию сталефибробетонных тоннельных конструкций 134
5.1. Выбор рационального типа фибры для армирования обделок... 134
5.2. Учет особенностей СФБ при конструировании тоннельных обделок 136
5.3. Проект экспериментальной конструкции сборной сталефибробетоиной обделки метрополитена 139
5.4. Выводы 141
Заключение 142
- Анализ методов расчета и результатов исследования конструкций из фибробетона
- Исследование особенностей статической работы сталефибробетона как конструкционного материала
- Экспериментальное определение физико-механических свойств сталефибробетона для расчета подземных конструкций
- Алгоритм и программа расчета сталефибробетонных тоннельных конструкций
Введение к работе
Актуальность работы.
В настоящее время одним из превалирующих и развиваемых направлений в области транспортного тоннелестроения является технология щитовой проходки, применение которой обусловлено комплексным освоением подземного пространства в городах и мегаполисах в сложных инженерно-геологических, гидрогеологических и градос'фоительных условиях, развитием транспортной и коммунальной инфраструктуры, а также связано с применением инновационных технологий в строительстве и технике.
Одной из особенностей щитового способа проходки является возведение тоннельной обделки непосредственно в процессе создания выработки без использования временной крепи, при этом обделка является неотъемлемым звеном в строительном процессе. Обделка здесь, кроме функции крепи выполняет функцию опоры для щитовых домкратов при его продвижении. В большинстве случаев при щитовой проходке используются сборные конструкции тоннельных обделок из железобетона, как экономически эффективные.
Многолетний опыт сооружения и эксплуатации тоннелей с обделками из железобетона показывает, что эти конструкции подвержены образованию дефектов, связанных с недостаточной прочностью бетона в неармировапных зонах, наличие которых неизбежно по эксплуатационным требованиям, а также дефектов и трещин, связанных с особенностью монтажа колец обделки и технологии щитовой проходки. Большинство дефектов и трещин образуется на технологических и монтажных стадиях, например, при выемке блоков из форм, при перемещении к месту складирования. Особое место среди технологических стадий занимает передвижка проходческого щита, при которой в блоках, особенно при наличии уступов между смежными кольцами, возникают значительные растягивающие напряжения, прогноз которых представляет собой весьма сложную задачу.
Для обеспечения, регламентированных нормативными документами, эксплуатационных показателей тоннельной конструкции, необходимо устранять возникшие дефекты в обделке, выполнять ремонт или даже замену блоков, что не всегда возможно сделать с надлежащим качеством, особенно при наличии дефектов с внешней стороны обделки. Кроме того, выполнение мероприятий по ремонту требует дополнительных затрат времени и финансовых ресурсов.
Таким образом, для предупреждения образования дефектов в тоннельных обделках, необходимо совершенствование их конструкции, технологии изготовления и монтажа блоков.
Вопросами повышения качества, эффективного армирования сборных конструкций тоннельных обделок в разное время занимались такие организации и научные институты как Научно-исследовательский центр «Тоннели и метрополитены» (НИЦ «ТМ») филиал ОАО ЦНИИС, ОАО «Метрогипротранс», ОАО «Ленметрогипротранс», МАДИ, МИИТ, ТПИ и другие научные институты, отраслевые организации и строительные ВУЗы.
Одно из возможных направлений при совершенствовании тоннельных конструкций - применение конструкционных материалов, обладающих повышенными характеристиками прочности, трещиностойкости, позволяющих свести к минимуму или исключить полностью дефекты в элементах конструкции, а также улучшить другие эксплуатационные качества, такие как коррозионную стойкость, огнестойкость и др.
В мировой практике перспективным и интенсивно развиваемым направлением совершенствования железобетонных конструкций является применение фибробетонов (ФБ) - композитных материалов на основе бетона, в которых в качестве армирования используется специально изготовленное волокно - фибра, равномерно и дисперсно распределяемая в объеме бетона-матрицы.
Фибробетоны (ФБ) нашли широкое применение в конструкциях промышленных полов, банковских хранилищ, дорожных и аэродромных покрытий, меньше ФБ распространены в областях строительства мостов и тоннелей.
Особую важность представляют исследования сталефибробетонов (СФБ) -фибробетонов на основе стальной фибры, которые, как показал анализ литературных источников, обладают наибольшей несущей способностью, прочностью и трещиностойкостью по сравнению с другими видами ФБ на основе неметаллической фибры.
Перспективной областью исследований являются ФБ на основе макро-синтетической фибры. Современные технологии производства макро-синтетической фибры позволяют получить волокно, при добавлении которого в бетон возможно получить ФБ конкурентоспособный СФБ как по прочностным, так и по экономическим показателям. Фибробетоны на основе макро-синтетической фибры не подвержены коррозии, обладают прочностью сопоставимой с прочностью СФБ. Однако, на сегодняшний день существует целый ряд вопросов, требующих анализа и комплексных научных исследований, например, повышенная ползучесть макро-синтетической фибры при действии длительных нагрузок и другие, без решения которых .
Обобщая опыт выполненных исследований можно выделить следующие основные преимущества ФБ перед бетонами и железобетонами: повышенная прочность на растяжение и сжатие, износостойкость, водонепроницаемость, морозостойкость, коррозионная стойкость и др.
В тоннелестроении использование ФБ представляет особый интерес.
При применении ФБ в сборных обделках возможны следующие положительные эффекты: исключение или снижение трудозатрат на изготовление арматурных каркасов для армирования блоков, их установку и фиксацию в проектном положении в оснастке; повышение степени механизации и автоматизации процесса изготовления блоков, что позволяет существенно (в 10...30 раз) повысить производственные мощности, особенно необходимые при строительстве протяженных тоннелей; - возможно сокращение количества заводских площадей, рассчитанных на складирование и изготовление арматурных каркасов.
Таким образом, с учетом вышеизложенного целью диссертационной работы является разработка методики определения эффективных конструктивных параметров сборных обделок транспортных тоннелей и метрополитенов из сталефибробетона и рекомендаций по проектированию таких конструкций.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
Выполнить анализ существующих подходов к проектированию ФБ конструкций и состояния нормативной по ФБ конструкциям;
Определить типы фибры для исследований с учетом степени и перспективности их использования в конструкциях транспортных тоннелей;
Разработать математическую модель статической работы СФБ на основе феноменологического подхода к исследованию физико-механических свойств материала;
Экспериментальным путем определить физико-механические характеристики СФБ, учитывая при этом характер работы СФБ до и после образования трещин;
Выполнить сравнительный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований математической и физической модели СФБ, на основании которого произвести уточнение математической модели статической работы материала;
С использованием полученных физико-механических характеристик и уточненной математической модели материала разработать математическую модель сборной СФБ обделки тоннеля и исследовать ее напряженно-деформированное состояние (НДС) для различных случаев нагружения;
На основании проведенных исследований разработать методику расчета сборных СФБ обделок тоннелей;
8. Дать рекомендации по проектированию тоннельных конструкций из ФБ, которые должны включать рекомендации по выбору рационального типа фибры для тоннельных конструкций и рекомендации по назначению конструктивных параметров сборных ФБ обделок кругового очертания.
Методика исследований.
Для решения поставленных задач использовался комплексный подход, предполагающий проведение теоретических и экспериментальных исследований. Теоретические исследования выполнены с использованием пространственных и плоских численных моделей методом конечных элементов (МКЭ), реализованным в программных комплексах (ПК) «Z_Soil» и «Лира», которые позволяют решать задачи геомеханики и задачи механики твердого деформируемого тела и нелинейной механики разрушения. Данный метод был выбран исходя из необходимости комплексной оценки НДС обделки в грунтовом массиве и учета физической нелинейности при математическом моделировании статической работы материала и конструкции обделки.
Экспериментальные исследования с участием автора, проведены в лаборатории технологии изготовления железобетонных тоннельных конструкций филиала ОАО ЦНИИС «НИЦ «Тоннели и метрополитены», имеющей большой опыт в испытании бетонных, железобетонных и других конструкций.
В процессе выполнения экспериментальных исследований СФБ образцов, осуществлялась синхронная непрерывная запись контролируемых параметров.
При обработке результатов экспериментальных исследований использовались методы математической статистики.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Разработана математическая модель статической работы СФБ с учетом физической нелинейности.
На основании проведенных экспериментальных исследований установлены зависимости «Нагрузка-прогиб» для составов СФБ с различными типами стальной фибры, характеризующие особенности работы СФБ до и после образования трещин.
Разработана математическая модель сборной СФБ обделки тоннеля.
4. Разработана методика и алгоритм расчета СФБ тоннельных конструкций, реализованных в прикладной программе «NLSFRC».
Практическую ценность в настоящей работе представляют:
Физико-механические характеристики СФБ, определенные в результате экспериментальных исследований.
Методика и алгоритм расчета СФБ тоннельных конструкций.
Рекомендации по выбору типа стальной фибры.
Рекомендации по назначению конструктивных параметров сборных обделок из ФБ.
Достоверность полученных результатов обоснована: использованием математических моделей, в которых учитывается фактическая работа материала и конструкции на основании феноменологической модели; применением для теоретических исследований нескольких методов, реализованных в разных программных комплексах конечно-элементного анализа и высокой хорошей сходимостью их результатов; учетом при проведении теоретических и экспериментальных исследований положений отечественных и зарубежных нормативных документов, а также мирового опыта в рассмотренной области исследований; высокой сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, которые были подтверждены сравнительными испытаниями и расчетами, с расхождением в контролируемых параметрах не более 10%.
Апробация работы.
Результаты исследований и основные научные положения диссертационной работы докладывались: на семинаре «Научно-технический прогресс в транспортном строительстве», ОАО ЦНИИС, Москва, 15 мая 2009 г. на научно-технической конференции ГОУ «СибАДИ», Омск, 9-11 декабря 2009 г. на Всероссийской научно-практической конференции «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рацио- нального природопользования», Омск, 19-21 мая 2010 г. на Международной научно-практической конференции «Пути решения проблем дорожной отрасли СНГ и перспективы развития мостостроения», Омск, 7-9 июля 2010 г. на Международной научно-технической конференции «Основные направления развития инновационных технологий при строительстве тоннелей и освоении подземного пространства крупных мегаполисов», Москва, 18-21 октября 2010 г. на заседаниях Секции НИЦ «Тоннели и метрополитены» Ученого совета ОАО ЦНИИС, Москва, 2008 - 2010 гг.
Реализация результатов.
Результаты теоретических, экспериментальных исследований и разработанная методика реализованы:
При проектировании перегонного тоннеля Омского метрополитена на стадии обоснования проектных решений, в рамках утвержденного в 2004 г. комплекса мероприятий по внедрению СФБ на объектах Омского метрополитена;
При поверочных расчетах сталефибронабрызг-бетонной крепи автодорожного тоннеля №1 первой очереди строительства Дублера Курортного проспекта от р. Агура до ул. Земляничная в г. Сочи, в составе комплекса строительных объектов Зимней Олимпиады 2014 года.
В соответствии с проведенными исследованиями и расчетным обоснованием, отделом подземных сооружений ООО «НПО «Мостовик» (г. Омск) с участием автора, был разработан проект экспериментальной конструкции сборной СФБ обделки перегонного тоннеля метрополитена ст. «Кристалл» - ст. «Заречная» на первом пусковом участке первой линии Омского метрополитена.
Публикации.
Основные положения диссертационной работы опубликованы в 6 печатных работах, включая 2 работы опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
Русанов В.Е. Опыт проектирования сборных обделок из сталефибробе-тона. // Транспортное тоннелестроение. Современный опыт и перспективные разработки. Сборник научных трудов, выпуск № 248 под ред. В.Е. Меркина -М.: ОАО ЦНИИС, 2008. - С.42-83.
Русанов В.Е. Современный опыт и условия эффективного использования сталефибробетона в тоннельных обделках. // Материалы 63-й научно-технической конференции. - Омск: СибАДИ, 2009. - С.304-308.
Русанов В.Е. Особенности расчета сборных сталефибробетонных обделок тоннелей метрополитена. // Проблемы надежности и эффективности тоннельных конструкций. Сборник научных трудов, выпуск № 254 под ред. В.Е. Меркина - М.: ОАО ЦНИИС, 2009. - С.44-82.
Русанов В.Е. К оценке эффективности применения фибробетона в сборных тоннельных обделках. // Транспортное строительство. №3, 2010. - С.13-16.
Русанов В.Е. Определение прочностных и деформативных свойств сталефибробетона для расчета тоннельных обделок. // Вестник МГСУ. №2, 2010. — С.189-197.
Русанов В.Е. Проектирование тоннельных конструкций из фибробетона (современные подходы). // Труды международной научно-технической конференции «Основные направления развития инновационных технологий при строительстве тоннелей и освоении подземного пространства крупных мегаполисов». - М.: «ТИМР», 2010. - С.89-92.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из Введения, пяти глав, Заключения, библиографического списка и трех приложений. Общий объем работы 159 стр., включая 88 иллюстраций и 18 таблиц. Библиографический список содержит 237 источников, в т.ч. 66 иностранных.
Диссертация выполнена в Филиале ОАО «ЦНИИС» НИЦ «Тоннели и метрополитены».
1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ И ВЫБОР МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ
Анализ методов расчета и результатов исследования конструкций из фибробетона
Как правило, расчет строительных конструкций, в том числе из фибробетона, предполагает: (1) создание расчетной схемы конструкции, в которой в зависимости от методики расчета, по-разному учитываются нагрузки, воздействия, граничные условия и т.д.; (2) определение напряжений, внутренних усилий в элементах конструкции и деформаций системы; (3) расчет элементов по прочности, трещиностойкости, на местные воздействия и т.д.
Как правило тип материала не влияет на геометрические параметры расчетной схемы. В инженерной практике большинство задач решается в линейно-упругой постановке, при этом физическая сущность применяемого материала не влияет на результат, так как в расчете достаточно использовать только деформационные характеристики материала из предположения его упругой работы, такие как модуль упругости Е и коэффициент Пуассона ц.
Такой подход оправдан с точки зрения простоты применения, возможности аналитического решения задач в более простом виде, но при этом не позволяет точно оценить НДС конструкции.
В последнее время в инженерной практике расчета бетонных и железобетонных конструкций развиваются и применяются методики расчета с учетом физической нелинейности материала, которые реализуются как в аналитическом виде, например методика расчета по нелинейной деформационной модели СП 52-101-2003, так и в численном виде в различных ПК, реализующих численные методы, например: метод конечных элементов (МКЭ), метод граничных разностей (МГР) и другие.
Как показывают исследования в области ФБ конструкций, проведенные европейскими, американскими и японскими учеными, например [173, 186, 191, 201, 204, 215-219, 235], наибольшей эффективности конструкций можно добиться только правильно оценив ее НДС с учетом физической нелинейности материала на стадии определения внутренних усилий и при расчете конструкции на внутренние усилия по предельным состояниям.
В отечественной практике проектирования ФБ конструкций этому вопросу не уделено должного внимания. Расчеты ФБ конструкций выполняют по аналогии с железобетонными конструкциям, то есть учитывая только линейно-упругие свойства материала. В связи с существующим подходом в отечественной инженерной практике при расчете ФБ конструкций, аналогичным подходу, используемому при расчете железобетонных конструкций, анализ методов расчета обделок тоннелей из ФБ целесообразно начать с общепринятых методов расчета обделок тоннелей.
Методам расчета тоннельных обделок посвящены работы многих отечественных и зарубежных исследователей, среди которых необходимо отметить работы: О.Ю.Антонова [1, 5], Л.С. Афендикова [12-14], Б.П.Бодрова [16], О.Е.Бугаевой [18], Н.С.Булычева [19-22], Б.Н.Виноградова, Л.А.Воробьева [27], Б.Г. Галеркина [30], В.А. Гарбера [31-36], В.Г. Голубова [161], Е.А. Демешко [53], М.Г. Дмитриева [55], И.Я. Дормана [56-58], Б.А. Картозия, М.И. Краснова [68], В.Л. Маковского, Л.В. Маковского [90, 91], В.Е. Меркина [95-100, 101], С.А.Орлова [107-110], И. В. Родина [118, 119], К.В. Руппенейта [125-127], Г.Н.Савина [133], В.В.Сальникова, Н.В.Смирнова, Н.Н. Фотиевой [154, 155], В.В. Чеботаева [158-164], С.А. Юфина [169-171], Н. Duddeck [192], J. Erdmann [192], A.M. Muir-Wood [188, 211], W. Wittke [230], O. Zienkiewicz [63] и др.
Большой вклад в развитие теорий и практических методов расчета подземных сооружений и тоннельных обделок внесли ученые и специалисты таких научных институтов, организаций и строительных ВУЗов как: Филиал ОАО ЦНИИС «НИЦ «Тоннели и метрополитены» (НИЦ «ТМ»), ОАО «Метроги-протранс», ОАО «Ленметрогипротранс», «МИИТ», «МАДИ», «ТПИ», «ЛИ-ИЖТ», «НИИЖТ» и другие.
В НИЦ «ТМ» разработка и совершенствование методик расчета сборных обделок тоннелей с учетом особенностей новых конструкций ведется с начала применения сборного железобетона в отечественном метро- и тоннелестроении. За это время было проведено большое число испытаний обделок на кольцевых стендах, испытаний моделей обделок и их элементов, в том числе исследовано множество конструкций обделок с различными видами стыков.
Среди разработанных НИЦ «ТМ» методик расчета следует отметить методику В.В. Чеботаева и А.А. Кубышкина, в основе которой заложен алгоритм псевдо-пространственного расчета обделки с учетом работы стыков [69]. Расчетная схема представляет собой стержневую систему с моделированием грунта в виде упругих связей в узлах. Эпюра упругого отпора задается в исходных данных. Для учета перевязки стыков параллельно выполняются расчеты двух колец со смещенными стыками, при этом алгоритмом предусматривается учет совместности деформаций узлов расчетной схемы в соответствии с особенностями конструкции. Эта методика использовалась и хорошо себя зарекомендовала при расчетах таких транспортных сооружений как перегонные тоннели метрополитенов в городах: Омске, Казани, Екатеринбурге, Челябинске; Мини-метро, Лефортовского тоннеля, комплекса Серебряноборских тоннелей в г. Москве; при поверочных расчетах обделки перегонного тоннеля метрополитена на участке «Размыв» в г. Санкт-Петербурге и в рамках других объектов.
За рубежом в инженерной практике широко применяется методика разработанная Мыором-Вудом [211] и ее модификации [188]. Особенность методики заключается в том, что модель обделки представляется в виде замкнутого кольца без стыков в упругой среде. Влияние стыков на работу конструкции учитывается уменьшением момента инерции сечения кольца в зависимости от количества продольных стыков и их геометрических параметров. Данная методика хорошо зарекомендовала себя на практике и дает хорошую сходимость результатов для сборных круговых обделок с перевязкой продольных стыков (высокоточные водонепроницаемые обделки, в том числе трапециевидной формы). Методика использовалась при проектировании тоннелей под Ла-Маншем (CTRL), тоннелей на скоростной железной дороге (London High Speed 1, CTRL Section 2) в Великобритании, перегонные тоннели Юбилейной линии Лондонского метрополитена, а также при расчете других тоннелей.
В последнее время, в связи с развитием аппаратного и программного обеспечения, большое распространение получили методики численного анализа систем «обделка - грунтовый массив» с применением МКЭ, МКР, метода дискретных элементов (МДЭ) и других численных методов. Использование таких методик позволяет решать задачи механики сплошной среды в плоской и пространственной постановке.
В инженерной практике, благодаря развитию вычислительной техники появилась тенденция к выполнению расчетов бетонных и железобетонных конструкций с учетом физической нелинейности конструкционного материала. Как правило, учет физической нелинейности производится с использованием расчетных диаграмм состояния материала «а-є».
Здесь необходимо отметить метод д.т.н. В.А. Гарбера (НИЦ «ТМ») [31-36], позволяющий рассчитывать конструкции подземных сооружений произвольного очертания на воздействие любого вида нагружения с учетом нелинейности работы вмещающего грунтового массива и материалов конструкции.
В основе метода лежит разработанная автором нелинейная имитационная модель работы подземной конструкции («модель ЦНИИС»), которая предоставляет следующие возможности: моделирование от одно- до четырехслоинои конструкции с различными материалами слоев; учет сдвига между слоями; учет физически нелинейных свойств материалов с помощью диаграммы «а-є»; учет пластических шарниров, образующихся в ходе расчета; учет стадий нагружения конструкции с пересчетом матрицы жесткости.
Исследование особенностей статической работы сталефибробетона как конструкционного материала
Исследованиями работы сборных тоннельных обделок кругового очертания, сооружаемых щитовым способом, занимались ученые и специалисты многих стран. Наиболее известные методики расчета тоннельных обделок, применяемые в настоящее время в инженерной практике: 1. Метод «Метропроекта» («Метрогипротранса»); 2. Псевдо-пространственный метод расчета сборных обделок кругового очертания НИЦ «ТМ» (к.т.н. В.В. Чеботаев, к.т.н. А.А. Кубышкин) 3. Методика нелинейного расчета подземных конструкций НИЦ «ТМ» (д.т.н. В.А. Гарбера); 4. Методика Дуддека - Эрдмана (Duddeck - Erdmann); 5. Методика Мьюра-Вуда, адаптированная Кёртисом (Curtis - Muir-Wood). Перечисленные методики применяются для тоннельных обделок, выпол ненных из различных конструкционных материалов. В последнее время в инженерной практике широко используют численные математические модели тоннельных обделок на основе МКЭ. Для проведения сравнительных теоретических исследований, а также для повышения достоверности результатов численных экспериментов, были выбраны две методики из приведенного списка - методика д.т.н. В.А. Гарбера, методика Кёртиса - Мыора-Вуда и две КЭ модели, разработанные автором. Методика д.т.н. В.А. Гарбера использовалась в работе в связи с возможностью учета физической нелинейности материала при определении внутренних усилий в обделке. Основные положения методики изложены в работах [31, 34- 36]. Данная методика неоднократно применялась при расчетных обоснованиях конструкций перегонных тоннелей и станций метрополитенов Москвы, Санкт-Петербурга, а также при расчете других подземных конструкций. Общеизвестной и широко применяемой методикой в зарубежной инженерной практике является аналитическая методика Кёртиса - Мьюра-Вуда. С использованием данной методики расчетами были обоснованы такие конструкции как: ж.д. тоннели под Ла-Маншем, в том числе ж.д. тоннели второй очереди строительства со сборной обделкой из СФБ блоков; перегонные тоннели Юбилейной линии Лондонского метрополитена (London Jubilee Metro Line) и другие. Таким образом, методика представляет большой интерес для выполнения сравнительных исследований. Общие положения методики Кёртиса - Мьюра-Вуда освещены в работах [188, 211]. Третий вариант рабочей модели основан на решении контактной задачи механики сплошной среды, реализованной с использованием ПК «Z_Soil». Математическая модель для исследования статической работы сборной СФБ обделки выполнена в предположении плоских деформаций и представляет собой систему из четырехузловых континуальных КЭ. Модель включает: фрагмент грунтового массива шириной 40 м, высотой от 24,8 м до 47,8 м, в зависимости от глубины заложения тоннеля в расчетной схеме; конструкцию обделки; интерфейсные элементы, моделирующие работу радиальных стыков в обделке; граничные условия для контура фрагмента грунтового массива; функции, описывающие этапы возведения обделки. Четвертая математическая модель обделки представляет собой КЭ систему для решения плоской задачи «балка-стенка» с использованием ПК «Лира». Модель включает конструкцию обделки, состоящую из четырехузловых континуальных КЭ. Моделирование работы вмещающего грунта осуществлено путем установки в каждый узел на внешнем контуре обделки упругих опор (пружин) одностороннего действия. В процессе расчета положение зон упругого отпора и безотпорной зоны определялось автоматически. Стыки в расчетной схеме моделировались объединением перемещений узлов в зоне стыка в направлении соответствующих степеней свободы. Таким образом, были использованы четыре рабочие модели для проведения сравнительных теоретических исследований статической работы сборной СФБ обделки: 1. Модель Ml - в соответствии с методикой д.т.н. В.А. Гарбера; 2. Модель М2 - в соответствии с методикой Мыора-Вуда - Кёртиса; 3. Модель МЗ - КЭ модель «обделка-грунт» (сплошная среда); 4. Модель М4 - КЭ модель «обделка-грунт» (узловые связи). Для более точного учета характера работы сборной СФБ обделки, при моделировании учитывалась физическая нелинейность конструкционного материала. В связи с этим, возникла необходимость исследования статической работы СФБ и создание математической модели работы СФБ. Для исследования работы материала использовался метод численного анализа на основе МКЭ. Учитывая особенности реализации рабочих моделей сборной обделки МЗ, М4 , были разработаны две модели статической работы СФБ, ориентированные на два разных программных комплекса, реализующих МКЭ. Математическая модель статической работы СФБ, ориентированная на ITK«Z_Soil» представляет собой пространственную КЭ модель балки размерами 15x15x60 см, с центральным пролетом 45 см. Для описания закона деформирования материала при действии внешних нагрузок при моделировании балки, был выбран упругопластический критерий прочности Кулона-Мора (Mohr-Coulomb) с адаптированными параметрами. Выбор данного критерия обоснован возможностью настройки исходных пара метров модели из предположения равенства поглощающих энергий и прочно стных показателей СФБ для балок испытанных экспериментально и балок, ис следованных теоретически. нагрузка Таким образом, основному численному эксперименту предшествовала серия вспомогательных (тестовых) экспериментов, в ходе которых были установлены параметры модели, при которых достигается достаточная сходимость результатов теоретических и экспериментальных исследований. Для моделирования балки использовались стандартные восьмиузловые КЭ сплошной среды (Рис. 2.1). Математическая модель работы материала была разработана и адаптирована для СФБ со стальной фиброй типа 1 с дозировкой 60 кг/м3 (СФБ 1-60). Для адаптации рассмотренной математической модели СФБ 1 -60 к другим составам СФБ необходимо использовать подход, описанный в настоящем разделе с изменением соответствующих физико-механических параметров и проведением тестовых расчетов для их уточнения. С учетом полученных в ходе экспериментальных исследований (Глава 3) результатов, в качестве исходных были заданы следующие физико-механические параметры материала: - начальный модуль упругости Е = 43 ГПа; - коэффициент Пуассона у— 0,2; - расчетное сопротивление СФБ на осевое сжатие Rfb = 25000 кПа; - эквивалентная прочность СФБ на растяжение Rfbt = 1885 кПа; - угол внутреннего трения (критерий Кулона-Мора) ф = 45; - удельное сцепление (критерий Кулона-Мора) с = 6000 кПа.
Экспериментальное определение физико-механических свойств сталефибробетона для расчета подземных конструкций
В мировой практике прочностные и деформативные характеристики различных материалов определяются испытаниями, порядок которых регламентируется соответствующими нормативными документами. В отечественной системе нормативных документов для этих целей существуют Государственные Стандарты (ГОСТ), нормирующие порядок определения прочностных показателей различных природных и искусственных материалов, таких как: сталь, бетон, цемент, кирпич, грунт, горные породы, древесина, клеи, лакокрасочные материалы и другие.
При исследовании свойств композиционных материалов применяется, как правило, два вида моделей: 1. Феноменологическая, рассматривающая композит как квазиизотропную систему, к которой применимы традиционные для механики твердых деформируемых тел методы сплошной среды. В этом случае параметры модели определяются на основе лабораторных исследований и испытаний с применением методов планирования эксперимента и математической статистики; 2. Структурная, которая базируется па элементах структурного анализа и предполагает выражение механических характеристик композита через аналогичные показатели материала матрицы и армирующих волокон, коэффициенты фибрового армирования, геометрические размеры фибры и другие макроскопические параметры. В отечественной строительной практике наибольшее развитие и распространение нашла структурная модель фибробетона по аналогии с железобетоном, позволяющая на основе свойств исходных составляющих определять необходимые прочностные и деформативные характеристики. Такой подход довольно сложен и зависит от множества факторов, но при этом он является наиболее удобным при решении задач оптимального проектирования фибробетон-ных конструкций. Феноменологический подход получил широкое распространение в зарубежной строительной практике и хорошо себя зарекомендовал. Мировой опыт проектирования сталефибробетонных конструкций показывает, что применение феноменологического подхода при определении физико-механических свойств фибробетонов позволяет наиболее полно учитывать все влияющие факторы, эффективно использовать материал и создавать рациональные фибробетонные конструкции. Таким образом, учитывая накопленный опыт, в настоящей работе было принято решение выполнить экспериментальные исследования контрольных образцов из СФБ с целью определения физико-механических свойств материала, для их использования в дальнейших теоретических исследованиях. При проведении лабораторных испытаний для бетонных (БМ) и СФБ образцов определялись: (1) призменная и кубиковая прочности; (2) модуль упругости на сжатие; (3) прочность на растяжение при изгибе; (4) зависимости «нагрузка - прогиб»; (5) эквивалентная прочность на растяжение при работе ста-лефибробетона с трещинами. Экспериментальным исследованиям предшествовала отработка методики проведения испытаний, которая базировалась на методике испытания образцов-балок по ГОСТ 10180, адаптированной с учетом особенностей работы СФБ. Использованная методика испытаний имела следующие отличия: 1. Моментом завершения испытания образца считалось достижение величины прогиба 3,5 мм в центре пролета. 2. В процессе загружения образцов, измерение величины прикладываемой на образец нагрузки и соответствующего ей прогиба, осуществлялось непрерывно синхронно, с записью информации на электронный носитель. Таким образом, проведение экспериментальных исследований было обосновано необходимостью: - Исследовать характер работы СФБ до и после образования трещин. - Определить физико-механические характеристики СФБ с учетом особенностей работы материала для разных стадий трещинообразования. - Оценить влияние типа и дозировки фибры на прочностные и деформа-тивные характеристики СФБ. - Подтвердить адекватность разработанной математической модели статической работы СФБ (Глава 2). Основные экспериментальные исследования с участием автора проводились в лаборатории технологий изготовления ж.б. тоннельных конструкций («ТИЖБТК») НИЦ «ТМ» под руководством зав. лабораторией к.т.н. В.М. Цынкова. Лабораторные испытания по определению призменной прочности (на сжатие), модуля деформации и коэффициента Пуассона СФБ были выполнены в Испытательном центре строительных материалов и продукции строительства ЦНИИС-ТЕСТ (ИЦ "ЦНИИС-ТЕСТ") под руководством зав. лабораторией к.т.н. A.M. Тарасова. Исследования производились в два этапа: 1. испытания бетонных и СФБ образцов с разной дозировкой стальной фибры одного типа; 2. испытания бетонных и СФБ образцов с одинаковой дозировкой стальной фибры разных типов. За основу методики испытаний образцов-балок на чистый изгиб была взята методика ГОСТ 10180. При изготовлении образцов-балок использовались: цемент; щебень фракции до 20 мм; песок; суперпластификатор, добавки, микрокремнезем, вода и стальная фибра четырех видов (Рис. 3.1): Тип 1 - стальная фибра из холоднотянутой проволоки прямая с отгибами; Тип 2 - стальная фибра из холоднотянутой проволоки прямая обжатая по длине с отгибами; Тип 3 - стальная фибра из холоднотянутой проволоки волнистая; Тип 4 - стальная фибра фрезерованная из слябов; Использовалась бетонная смесь с одинаковой подвижностью для всех образцов, с осадкой конуса ОК=3...4 см. Для испытаний было изготовлено семь серий контрольных образцов - балок из бетона-матрицы (БМ) и СФБ, по 3 образца в каждой серии. В качестве БМ был использован тяжелый бетон класса В45.
Алгоритм и программа расчета сталефибробетонных тоннельных конструкций
В соответствии с проведенным анализом литературных источников, теоретическими и экспериментальными исследованиям было установлено, что в настоящее время в отечественной практике отсутствуют методики расчета сборных тоннельных обделок из сталефибробетона, учитывающие особенности работы материала такие как: повышенную трещиностойкость, пластичность, способность сохранять несущую способность при значительных деформациях.
В отечественном тоннелестроении, до настоящего времени, опыт применения сталефибробетона в тоннельных обделках показал экономическую нецелесообразность таких конструкций в связи с большим расходом фибры (80-120 кг/м ) при изготовлении блоков и, соответственно, более высокой стоимостью по сравнению с железобетонными конструкциями.
Обзорный анализ нормативных и литературных источников, проектной документации, отчетов НИОКР и других источников, позволил сделать вывод о том, что нецелесообразность связана с двумя причинами: 1. применение фрезерованной фибры в тоннельных конструкциях, которая не придает материалу достаточной пластичности, что было доказано экспериментально в настоящей работе; 2. в положениях по проектированию СФБ конструкций существующих нормативных документов заложен слишком высокий запас, т.к. работа СФБ после образования трещин учитывается с ограничением относительных деформаций растяжения аналогично бетону, хотя для СФБ эта величина в 60... 100 раз больше. Таким образом, применение положений существующих нормативных документов по СФБ конструкциям, базирующихся на структурной модели материала, не позволяет учесть фактический характер работы сталефибробетона и эффективно использовать особенности работы этого материала. В связи с этим в НИЦ «ТМ» совместно с ООО «НПО «Мостовик» были начаты исследования, направленные на создание методики расчета сборных сталефибробетонных тоннельных обделок, а также на определение рационального типа стальной фибры для таких конструкций. В настоящей диссертации СФБ был рассмотрен с позиций феноменологической модели, в основу которой заложен экспериментальный подход к исследованию работы материала и определению физико-механических свойств. Теоретические исследования работы сталефибробетонной обделки выполнены с использованием математической модели, учитывающей физическую нелинейность материала на основе разработанной математической модели статической работы СФБ. По результатам теоретических исследований были определены параметры НДС обделки тоннеля из СФБ. Сравнительными расчетами была доказана целесообразность и необходимость учета физической нелинейности при определении внутренних усилий в элементах конструкции, что повышает эффективность использования материала. Экспериментальные исследования позволили детерминировать характер работы сталефибробетона после образования трещин и, таким образом, выявить особенности поведения материала при загружении, деформировании и разрушении. По результатам испытаний были определены физико-механические характеристики материала и построены расчетные диаграммы состояния СФБ, которые использовались в качестве базовых данных для моделирования материала обделки в разработанной методике расчета и являются ее неотъемлемой частью. По результатам теоретических и экспериментальных исследований была разработана методика расчета сборных сталефибробетонных тоннельных обделок и сформулированы рекомендации по выбору рационального типа стальной фибры для тоннельных обделок, назначению эффективных конструктивных параметров. Основные научные и практические результаты настоящей диссертации заключаются в следующем: 1. Мировой современный опыт применения в тоннелестроении СФБ свиде тельствует о его высокой эффективности при изготовлении сборных обделок. Вместе с тем, существующие в отечественной практике методики расчета не в полной мере учитывают особенности работы материала при их проектирова нии. 2. Разработана математическая численная модель статической работы СФБ, в которой предусмотрен учет физически нелинейной работы материала с использованием диаграммы состояния «ст-е». 3. На основе математической модели статической работы СФБ разработана математическая модель конструкции сборной тоннельной обделки из СФБ. 4. Теоретические исследования, выполненные на модели сборной СФБ обделки, показали, что для тоннельных обделок диаметрами 5,5-6,0 м применение СФБ целесообразно как в виде самостоятельного армирования, так и в комбинации со стержневой арматурой, в зависимости от сочетания действующих в сечении нормальной силы N и изгибающего момента М. 5. Результаты проведенных экспериментальных исследований статической работы СФБ на контрольных образцах-балках размерами 15x15x60 см, подтвердили адекватность математической модели статической работы СФБ и позволили описать характер работы материала на разных этапах деформирования, трещинообразования и разрушения, выделить 3 характерных стадии работы материала: 1 — работа СФБ без трещин; 2 - работа СФБ с трещинами, величина раскрытия которых допускается по условиям второй группы предельных состояний; 3 — работа СФБ с трещинами, величина раскрытия которых допускается по условиям первой группы предельных состояний. 6. На основании экспериментально установленных зависимостей «Нагрузка-прогиб», характеризующих энергию, затрачиваемую на деформирование, трещинообразование и разрушение, были определены физико-механические характеристики СФБ с разными типами фибры и построены расчетные диаграммы «сг-е». 7. Разработана методика и алгоритм расчета СФБ тоннельных конструкций, реализованный в прикладной программе «NLSFRC». Данные методика и алгоритм обладают достаточной общностью и могут так же рассматриваться как основа для расчета обделок армированных синтетической фиброй. 8. Разработаны рекомендации по выбору эффективного типа стальной фибры для тоннельных конструкций, а также рекомендации по обоснованию рациональных конструктивных параметров сборных СФБ тоннельных обделок. 9. Результаты исследований учтены НПО «Мостовик» при разработке проекта экспериментальной обделки перегонного тоннеля Омского метрополитена из СФБ. Замена типового варианта армирования обделки на армирование стальной фиброй позволило получить расчетный экономический эффект по стоимости обделки 18% за счет снижения трудозатрат на изготовление арматурных каркасов, что составляет 28,87 млн. руб. на 1 км перегонного тоннеля метрополитена.
