Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор конструктивных решений криволинейных эстакад со сталежелезобетонными пролетными строениями и применяемых методов расчета при их проектировании. Постановка цели и задач диссертации применительно к условиям Ирана 14
1.1. Особенности климатических условий Ирана, влияющих на работу сталежелезобетонных конструкций пролетных строений мостов 14
1.2. Обзор конструкций сталежелезобетонных городских эстакад в мировой практике и в Иране 1.2.1. Разновидности сталежелезобетонных пролетных строений 15
1.2.2. Диафрагмы в разветвляющихся сталежелезобетонных пролетных строениях эстакад 20
1.2.3. Общие сведения о конструкциии криволинейных сталежелезобетонных эстакад 31
1.2.4. Способы объединения железобетонной плиты со стальными балками 1.2.4.1. Средства и способы объединения железобетона и стали 33
1.2.4.2. Объединение упорами особой формы 36
1.2.4.3. Особености гибких стержневых и ленточных упоров 40
1.2.5. Особенности опор сталежелезобетонных эстакад с разветвляющимся пролетными строениями 45
1.2.6. Исследуемые типы диафрагм в местах разделения пролетных строений 50
1.3. Нагрузки, принимаемые в Иране для проектирования сталежелезобетонных мостов 52
1.4. Обзор методов расчета и исследований криволинейных
разделяющихся эстакад и других сложных конструкций 54
Выводы по главе 58
ГЛАВА 2. Компьютерное моделирование разветвляющегося пролетного строения для проведения исследований
2.1. Последовательность разработки модели исследований и проведения расчетов в программном комплексе FEMAP & NASTRAN 60
2.3. Описание пространственной конечно-элементной модели разветвляющейся конструкции пролетного строения 66
Выводы по главе 79
Глава 3. Особенности работы узлов объединения железобетонной плиты с главными балками и диафрагмами 81
3.1.Общие сведения 81
3.2. Объект исследования и его конечно-элементная аппроксимация 82
3.3. Анализ и сравнение полученных результатов 87
Выводы по главе 91
Глава 4. Результаты исследований работы диафрагм, расположенных в месте разветвления сталежелезобетонных пролетных строений эстакад 93
4.1. Общие сведения 93
4.2. Влияние воздействия временной подвижной нагрузки на работу диафрагм 94
4.3. Влияние конструкции диафрагм на работу зоны разветвления пролетных строений 104
4.4.Влияние способа опирання диафрагм на их работу 115
4.5.Влияние толщины диафрагм 122
4.6.Влияние железобетонной плиты на работу диафрагм 124
4.7.Влияние температуры на работу сплошностенчатых диафрагм 128
Общие выводы и рекомендации 141
Литература
- Диафрагмы в разветвляющихся сталежелезобетонных пролетных строениях эстакад
- Особенности опор сталежелезобетонных эстакад с разветвляющимся пролетными строениями
- Описание пространственной конечно-элементной модели разветвляющейся конструкции пролетного строения
- Влияние конструкции диафрагм на работу зоны разветвления пролетных строений
Введение к работе
Актуальность темы. Развитие транспортной сети в Иране идет по пути увеличения объема строительства мостовых сооружений, в том числе и в городах, где наблюдается непрерывной рост числа автотранспортных средств. Как показывает практика многих стран решение транспортных проблем в городах связано со строительством транспортных развязок в нескольких уровнях и модернизацией существующих пересечений. И в одном и другом случаях неизбежно возведение эстакад с разветвлениями пролетных строений. В таких сложных конструкциях, диафрагмы, и особенно в местах разветвления пролетного строения, играют важную роль в распределении усилий от внешних нагрузок.
При практическом проектировании назначение параметров диафрагм производится зачастую без учета их совестной работы с пролетными строениями. В этой связи исследование работы диафрагм позволяет получить результаты, способствующие корректному проектированию сталежелезобетонных несущих конструкций, широко применяемых в условиях современного Ирана.
Цель и задачи диссертационной работы. Цель диссертации состоит в выявлении особенностей работы опорных диафрагм в местах разделения сталежелезобетонных криволинейных пролетных строений городских эстакад в условиях сухого и жаркого климата Ирана с выработкой рекомендаций для проектирования и совершенствования норм проектирования сложных транспортных сооружений Ирана.
Для достижения отмеченной цели необходимо в рамках настоящей диссертационной работы решить следующие задачи:
-
Определить наиболее характерную для условий Ирана схему разделяющегося сталежелезобетонного пролетного криволинейной эстакады со столбчатыми опорами, создать конечно-элементную модель с различными по конструкции опорными диафрагмами.
-
Провести исследования по сравнению работы стержневых и гребенчатых упоров в составе характерного для условий Ирана сталежелезобетонного пролетного строения и выдать рекомендации по целесообразности применения тех или других упоров для объединения железобетонной плиты со стальными главными балками и диафрагмами.
-
Провести расчеты по оценке напряженного состояния опорных диафрагм в местах разделения сталежелезобетонных пролетных строений на базе программного комплекса метода конечных элементов при различных случаях загружения временными подвижными нагрузками и различных конструкциях диафрагм для выработки рекомендаций по их применению.
-
Провести оценку роли железобетонной плиты проезжей части в работе опорных диафрагм в зоне разделения исследуемых пролетных строений.
-
Оценить роль температурных воздействий на общее напряженное состояние диафрагм в зонах разделения сталежелезобетонных пролетных строений.
-
Сформулировать рекомендации для проектирования опорных диафрагм сталежелезобетонных пролетных строений разделяющихся криволинейных эстакад на столбчатых опорах для условий Ирана.
-
Представить предложения по совершенствованию норм Ирана в части проектирования сталежелезобетонных пролетных строений сложного очертания в плане.
Объект исследования. Диафрагмы в месте разветвления сталежелезобетонных пролетных строениях эстакад.
Методика исследования. Расчётно-теоретическая, основанная на российском, иранском и другом зарубежном опыте проектирования и строительства городских надземных транспортных сооружений.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Для проведения исследования особенностей работы диафрагм в зоне разветвления пролетных строений эстакад применен программный комплекс FEMAP&NASTRAN, который позволяет быстро получать необходимые результаты по усилиям, напряжениям и общей картине напряженного состояния исследуемых зон разветвления.
-
Созданы обобщенные конечно-элементные модели сталежелезобетонных пролетных строениях с разветвлениями, позволивщие определять усилия и напряжения в любых зонах разветвляющихся эстакад с учетом нелинейной работы материалов.
-
Впервые получены результаты по области применения гребенчатых и стержневых упоров для объединения железобетонной плиты со стальными главными балками и диафрагмами пролетных строений.
-
Впервые проведены параметрические исследования работы диафрагм в месте разветвления сталежелезобетонных пролетных строений эстакад в условиях Ирана.
-
Определено влияние всех компонентов напряженного состояния сталежелезобетонных диафрагм в месте разветвления пролетных строений при различных граничных условиях и загружениях временной нагрузкой по нормам Ирана и температурных воздействиях, характерных для условий Ирана.
-
Установлены коэффициенты надежности по нагрузке при расчете диафрагм в местах разветвлений пролетных строений.
-
Сформулированы рекомендации по проектированию сталежелезобетонных диафрагм в местах разветвления пролетных строений эстакад с учетом специфики условий Ирана.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:
-
Полученные автором результаты исследований особенностей работы диафрагм в местах разветвления сталежелезобетонных пролетных строений эстакад могут быть использованы на практике при разработке проектов в Иране.
-
Разработанная конечно-элементная модель разветвляющегося сталежелезобетонного пролетного строения может быть использована на практике при проведении дальнейших исследований работы мостовых сооружений.
-
Результаты исследований автора будут способствовать совершенствованию проектирования сложных транспортных сооружений в Иране.
Личный вклад автора. Диссертационная работа полностью выполнена её автором: Личный вклад автора состоит в следующем:
проведен сбор и анализ исходных данных по запроектированным и построенным сталежелезобетонным эстакадам;
разработана конечно-элементная модель выбранного типа разветвляющегося пролетного строения;
проведены исследования по выявлению особенностей работы стержневых и гребенчатых упоров для объединения железобетонной плиты с главными балками и диафрагмами;
проведены параметрические исследования особенностей работы диафрагм в местах разделения пролетных строений под действием нормативных подвижных нагрузок и температуры;
сформулированы рекомендации и предложения по проектированию диафрагм в местах разделения сталежелезобетонных пролетных строений эстакад для условий Ирана.
Степень достоверности проведённых исследований
Степень достоверности полученных результатов подтверждается следующими фактами:
-
при моделировании исследуемых конструкций применен аппарат метода конечных элементов, который в течение многих лет и многими исследователями подтвердил наилучшее приближение расчетных моделей к реальным конструкциям;
-
при учете свойств примененных материалов – стали и железобетона, использованы нормативные показатели, принятые в Иране;
-
для расчетных моделей приняты реальные условия функционирования транспортных сооружений, работающих в условиях Ирана;
-
рецензирование опубликованных результатов проведено известными высококвалифицированными специалистами в области исследования работы мостов, в том числе сталежелезобетонных;
-
получены положительные заключения официальных оппонентов, являющихся авторитетными учеными в области сталежелезобетонных мостов.
Апробация работы. Работа была заслушена на заседаниях кафедры мостов и транспортных тоннелей МАДИ в 2011, 2012 и 2013 годах, доложена на международной научно-практической конференции в Новосибирске в 2012 г., а также ее основное содержание было сообщено на научно-исследовательской конференции МАДИ в январе 2013 г.
Диафрагмы в разветвляющихся сталежелезобетонных пролетных строениях эстакад
Для условий Ирана понятие технико-экономической эффективности весьма сложно. За количественную оценку технико-экономической эффективности часто применяют приведенную стоимость сооружения, получаемую из строительной стоимости с учетом эксплуатационных расходов (уменьшенных в несколько раз поправкой на отдаленность капиталовложений), трудоемкости и продолжительности строительства.
В настоящее время в Иране, а также в зарубежном и российском мостостроении получили широкое развитие сталежелезобетонные пролетные строения, которые рассматриваются как современный вид мостовых конструкций для автодорожных и городских металлических эстакад.
Технико-экономические показатели сталежелезобетонных пролетных строений представляют интерес в сопоставлении с показателями стальных и железобетонных мостовых конструкций.
Согласно литературным источником по показателю расхода металла автодорожные сталежелезобетонные пролетные строения эффективны до пролета длиной до 105м [17,19,110]. В Иране граничный пролет равен 60...80м. Сопоставление сталежелезобетонных пролетных строений с железобетонными представляет определенные трудности. Расход стали на сталежелезобетонные пролетные строения в 1,5...2 раза выше, чем на железобетонные, но расход бетона на единицу длины здесь почти не зависит от величины пролета, в то время как в железобетонных пролетных строениях он увеличивается с ростом пролета. Соответственно возрастает конкурентоспособность сталежелезобетонных пролетных строений с ростом пролета. Сталежелезобетонные пролетные строения имеют преимущественное применение при езде поверху. Принципиальным организационным недостатком применения сталежелезобетонных пролетных строений является необходимость привлечения к изготовлению их элементов двух заводов - стальных и железобетонных конструкций, тем не менее заводское изготовления блоков сборной железобетонной плиты пока для Ирана представляется более приемлемым, чем использование монолитной плиты или изготовление железобетонных блоков на месте строительство либо полигоне.
Сталежелезобетонные пролетные строения эстакад компонуют из двутавровых или коробчатых балок, поверх которых устраивают железобетонную плиту проезжей части. При конструировании пролетных строений стараются обеспечить такие пролеты железобетонной плиты, чтобы ее толщина не превосходила 0,20...0,35 м. Уменьшению сечений плиты и увеличению ее пролетов способствует предварительное напряжение.
Железобетонная плита проезжей части толщиной до 0,15 м без предварительного напряжения получается в тех случаях, когда ее пролеты не превышают З...3,5 м. Такое положение достигается например, при устройстве в поперечном сечении сварных двутавровых балок с шагом 6...9 м, между которыми предусматриваются вспомогательные прогоны, выполняемые обычно из прокатных профилей [49]. При этом плита посредством жестких или гибких упоров объединяется с верхними поясами главных балок. Для улучшения распределения нагрузки между главными балками, а также для обеспечения устойчивости балок на монтаже в поперечных сечениях пролетных строений с шагом 3...6 м устраивают решетчатые поперечные связи. Высота пролетных строений с несколькими одностенчатыми балками в неразрезной системе составляет 1/15-1/30L, где L- длина пролета.
При весьма большой ширине проезжей части (до 30 м) возможно устройство в поперечном сечении пролетного строения только двух одностенчатых балок [75-78,79,105]. Плиту проезжей части в этом случае опирают на главные и поперечные сплошностенчатые балки и объединяют с ними для обеспечения совместной работы. Шаг поперечных балок назначают длиной от 3 до 7 м, а расстояние между главными балками - до 20...23 м (рис. 1.1).
В неразрезных пролетных строениях железобетонная плита попадает в растянутую зону в надопорных участках, где действуют отрицательные моменты. Для предотвращения опасного воздействия растягивающих усилий на плиту применяют специальные конструктивные решения.
Диафрагмы в пролетных строениях мостов выполняют две основные функции, а именно обеспечивают неизменяемость контура в опорных сечениях и способствуют улучшению распределения временной подвижной нагрузки между основным несущими элементами. Кроме того, опорные диафрагмы воспринимают опорные реакции в случае расположения опорных частей непосредственно под диафрагмами и служат домкратными балками при замене опорных частей или при выполнении каких-либо работ на стадиях монтажа и эксплуатации, требующих поддомкрачивания главных балок пролетных строений. В общем случае шаг расположения диафрагм определяется расчетом [17-19,44-46].
В современных конструкциях эстакад, имеющих в своем составе ветви, разделяющие потоки движения, роль диафрагм становится более существенной. Это связано с необходимостью обеспечивать сопряжение с отходящими от основного пролетного строения шириной Bi ветвями с шириной В2-В4 (рис. 1.2).
На практике встречаются в основном два вида разветвляющихся пролетных строений эстакад: в одном случае разделение пролетного строения происходит на две независимые ветви (рис. 1.2, а), а в другом - на три такие ветви (рис. 1.2, б). При этом и пролетное строение основного хода, и отходящие от места ответвления более узкие пролетные строения чаще всего криволинейны в плане, имеют косое опирание и несимметричное поперечное сечение за счет виражей.
Особенности опор сталежелезобетонных эстакад с разветвляющимся пролетными строениями
Развитие современной вычислительной техники и программного обеспечения, а также новых методов строительной механики послужило мощным импульсом для разработки универсальных методов расчёта конструкций с большими возможностями в части обработки неограниченного объема математических операций.
Большинство задач строительной механики, связанных с исследованием напряженно-деформированного состояния конструкций и их элементов (стержней, пластин, оболочек), сводится, как правило, к решению одного или нескольких дифференциальных уравнений равновесия элемента, соответственно с одним или несколькими неизвестными. Для решения задач могут быть использованы следующие методы [12-20,22,29-36,44,45,52,62,65-69,79-90,93,100,106,111,112]: 1. вариационные методы, которые дают приближенные аналитические выражения искомой функции (функции перемещений или внутренних усилий); 2. численные методы, которые дают значения искомой функции при тех или иных значениях аргумента. К первым методам относятся вариационные методы Ритца, Бубнова-Галеркина, Трефца и другие. Преимущество вариационных методов заключается в том, что задача сводится обычно к решению системы двух, трех, редко четырёх уравнений, которые дают хорошее приближение к действительному состоянию сооружения.
К вторым методам относятся численные методы, классификация которых базируется на методе дискретизации, с помощью которого непрерывная математическая модель преобразуется в дискретную модель, состоящую из конечного числа степеней свободы.
Метод конечных элементов (МКЭ) [12-20,22,29-36], наиболее распространенный в сравнении с другими методами, имеет наиболее универсальный характер, т. к. не требует аналитических выражений условий задачи и, следовательно, для параметров напряженно-деформированного состояния в данной области приходится вычислять эти величины во всех узлах стыковки элементов. Последовательность процедур алгоритма МКЭ может быть представлена в следующем виде:
Определение деформаций и напряжений. Метод конечных элементов получил широкое распространение в расчётах прочности конструкций и за сравнительно короткое время превратился в один из самых эффективных численных методов.
Популярность метода, с одной стороны, объясняется его исключительной универсальностью, независимостью конкретного типа рассматриваемой конструкции от способа закрепления и характера нагрузки, а с другой стороны, наличием программ, обеспечивающих автоматизацию операций формирования решения систем алгебраических уравнении и сводящих к минимуму необходимый объем вычислений.
Первоначально МКЭ применяли лишь для научных исследований, вследствие сложности его использования и большими затратами машинного времени, но стремительный прорыв в области высоких технологий за последние десятилетия привёл к высочайшему темпу роста производительности и возможностей персональных компьютеров, что незамедлительно проявилось в применении МКЭ в практике проектирования строительных конструкций. Бурное развитие и широкое применение МКЭ не обошло стороной и мостостроение.
Этот метод быстро завоевал признание благодаря ясному физическому смыслу, наглядности и доступности понимания идей метода. Суть МКЭ сводится к замене исследуемой конструкции совокупностью плоских или пространственных элементов конечных размеров. Элементы между собой соединены только в узлах и имеют заданный закон распределения напряжений или перемещений. Обычно МКЭ использует в форме метода перемещений, и тогда узловые перемещения принимают за основные неизвестные.
Объектами изучения аналитической механики, являются модели механических систем от отдельных частиц, состоящих из достаточно большого числа молекул, до сложных инженерных конструкций. Пространственная конфигурация любой из таких систем описывается числом степеней свободы системы, или, другими словами, обобщенными координатами. Поскольку МКЭ представляет метод дискретизации, то число степеней свободы конечно-элементной модели конечно. Обычно все степени свободы собираются в матричный вектор, называемый вектором степеней свободы или вектором состояния.
В многих научных и проектных организациях для расчёта мостовых конструкций используются основанные на принципах МКЭ различные универсальные программы GER, MAV, КАТРАН (МИИТ); СПРИНТ; ЛИРА, SCAD (НИИАСС); ПРОЧНОСТЬ (КИСИ); STARKJES, ММ-90 (ЦНИИС).
Известны универсальные программные расчётные комплексы (ПРК) зарубежных разработчиков: MIDAS/Civil, SOFISTIK, SAP2000, STAAD.Pro, RM-SPACEFRAME, LUSAS, MSC_NASTRAN, ANSYS, CosmosM, Pro/Engineering, ROBOT-Millennium, R-STAB, GT_STRUDL, TDV и др. [71-83,87,98,100,101,103-108,113], предназначенные для проектирования мостовых конструкции, в том числе их можно использовать для проектирования многоуровневых транспортных развязок. Зарубежные специализированные ПРК ориентированы на действующие национальные нормативные документы по проектированию мостов: EuroCode3 (Европа), BS5400 (Англия), AASHTO (США), GBJ (Китай), Indian Standard (Индия), ЛЪ (Япония) и т.д..
Расчёт сложных мостовых конструкций в современных условиях не является серьезным препятствием для определения в сечениях усилий. Применение сложных программных комплексов на базе численных методов стало обычным явлением для проектировщиков и научных работников во многих странах. Из всех существующих программных комплексов автор использовал комплекс MSN-NASTRAN, поскольку уже имел опыт работы с ним на производстве при выполнении практических расчетов. Это комплекс подтвердил свою корректность при решении задач аналогичного класса и удовлетворительное совпадение с данными приближенными расчетов и экспериментов.
Описание пространственной конечно-элементной модели разветвляющейся конструкции пролетного строения
Одними из важных элементов современных сталежелезобетонных пролетных строений являются упоры, объединяющие верхние пояса главных балок и диафрагм с монолитной железобетонной плитой проезжей части [64]. Стык стальной и железобетонной частей конструкции с помощью упоров обеспечивает их совместную работу за счет передачи через стык сдвигающих и отрывающих усилий в объединенном элементе. Усилия возникают как от силовых, так и от температурных воздействий, усадки и ползучести бетона, что особенно важно учитывать в условиях сухого и жаркого климата Ирана [1,11].
Для сталежелезобетонных конструкций выбор типа упоров для объединения железобетонной плиты со стальными балками всегда являлся одной из трудных задач. Несмотря на постоянные поиски эффективных решений и совершенствования конструкции упоров еще не достигнут оптимально высокий уровень взаимодействия железобетона и стали.
Совершенствование конструкции упоров ведется более 60 лет. Наиболее широко применяемыми и простыми в изготовлении являются стержневые упоры Нельсона. Однако для таких упоров характерны некоторые недостатки: повреждаемость при транспортировке и монтаже конструкций, дискретность в передаче сдвигающих усилий и многодельность. Применение современных конструкций гребенчатых упоров обуславливает расширение нормативной базы, разработку рекомендаций по их использованию и выбору оптимальных параметров. Так, уже используются О ДМ 218.4.003-2009 [42]. Следует отметить, что определение характера развития напряжений в бетоне при взаимодействии плиты с гребенчатыми упорами является еще малоизученном вопросом. С этой целью и в рамках проводимых исследований особенностей работы разветвляющихся криволинейных пролетных строений эстакад представлены некоторые полученные данные влияния гребенчатых упоров на особенности взаимной работы стали и железобетона композитных мостовых конструкций.
Объектом исследований являлось балочно-разрезное сталежелезобетонное пролётное строение с двумя главными балками в поперечном сечении с упорами стержневой и гребенчатой конструкции различной компоновки. Была использована заменяющая пространственная конечно-элементная модель (рис.3.1) и коммерческий программный комплекс MSC NASTRAN на ПК [54,73].
Для исследуемых конструкций были заданы длины пролетов: 32, 40, 56 и 64 м. Соответственно высоты главных балок были таковы: 2,0 м, 2,5 м, 3,5 м и 4,0 м. Расстояние между главными балками было принято равным 3,4 м и 5,0 м., высота дополнительного прогона для всех случаев принималась равной 0,5 м Поперечные связи приняты из парных уголков сечением 100x100x10 мм.
Конструкция поперечного сечения принята характерной для большого числа построенных в Иране сталежелезобетонных разрезных пролетных строений. Аналогичные конструктивные решения применяются в России.
Конечно-элементные модели для всех расчётов были созданы на основе одной базовой модели, подвергавшейся впоследствии изменениям, связанным с длиной пролета, расстоянием между стальными балками и прогоном разнотипностью упоров, шагом упоров и их количеством.
Стальные балки, ребра жесткости и дополнительный прогон, как и гребенчатые упоры, состоят из пластичных элементов, преимущественно прямоугольной формы, с заданной толщиной (рис. 3.3). На некоторых менее значимых участках модели пролетного строения толщины пластин приняты осредненно, что позволило сократить общее количество участков с разной толщиной пластин, а также машинные ресурсы и трудозатраты на создание модели. Поперечные связи представлены в виде балочных элементов с заданными размерами и формой поперечного сечения. Прикрепление связей к стальным балкам и прогонам принято жестким, что соответствует действительной работе в случае применения сварки.
Моделирование стальных балок, прогона и поперечных связей Конечно-элементные модели для всех расчетов были созданы на основе одной базовой модели, изменяемой в зависимости от длины пролета, расстояния между стальными балками и прогоном, типа упоров, шага упоров и их количества. Детально проработанная компьютерная конечно-элементная базовая модель состоит из 19605...54072 элементов и 12251...34503 узлов, в зависимости от рассмотренного варианта (таблица 3.1).
При увеличении относительной ширины пролетного строения жесткость в рассмотренном диапазоне параметров несколько увеличивается за счет более эффективного включения железобетонной плиты в работу главных балок. Тип упоров практического влияния на величину прогибов не оказывает.
Из приведенных на. рис. 3.5 графиков видно, что при увеличении длины пролета, величины напряжений в главных балках для разных типов упоров нивелируются. При увеличении пролета железобетонной плиты в поперечном направлении напряжения в верхнем поясе стальной балки при разных пролетах уменьшаются. Для рассмотренных пролетных строений изменение расстояния между главными балками от 3 до 5м ведет к уменьшению нормальных напряжений на 17...20 %. При пролетах 32м и 40м верхний пояс стальной балки при наличии гребенчатых упоров работает более напряженно, чем при пролетах 56м и 64м.
Таким образом, при увеличении длины пролета и уменьшении относительного расстояния между балками, гребенчатые упоры более эффективны, чем стержневые, с точки зрения работы главных балок в середине пролета. Такая же картина в работе главных балок наблюдается в четвертях пролета.
Особый интерес представляют графики распределения напряжений в железобетонной плите. По верхней фибре плиты напряжения в бетоне почти во всех расчетных случаях оказались больше при гребенчатых упорах (рис. 3.6, а), в то время как по нижней фибре при тех же упорах меньше (рис. 3.6, б). Характерно, что разброс напряжений в зависимости от ширины пролетного строения по нижней фибре выше, чем по верхней фибре для сравниваемых типов упоров.
Это может быть объяснено различной работой стержневых и гребенчатых упоров по толщине железобетонной плиты. Стержневые упоры в зонах приварки к верхнему поясу не работают на изгиб, а взаимодействуют с бетоном как жесткие упоры и вызывают местные концентрации напряжения в бетоне.
В верхних зонах плиты стержневые упоры за счет своей дискретности не полностью обеспечивают включение бетона в общую работу объединенного сечения. При гребенчатых упорах железобетонная плита нагружена горизонтальными сжимающими усилиями более равномерно по высоте. За счет передачи усилия через арматуру плиты не концентрируются напряжения на контакте стальной балки с бетоном плиты.
Графики зависимости усилии в арматурных стержнях (рис. 3.7) в плиты показывает, устойчивую тенденцию при пролетах до 40м, когда напряжение в бетоне не очень велико. В продольных арматурных стержнях усилия несколько ниже в случае применения стержневых упоров.
При пролетах 56 м, картина прямо противоположна. Арматура имеет намного большие сжимающие усилия при наличии стержневых упоров. Это объясняется более равномерным взаимодействием гребня с арматурными каркасами. В тоже время, в больших пролетах, в бетоне активнее начинают проявляться эффекты ползучести, что в случае стержневых упоров ведет к росту усилий в арматурных стержнях.
Влияние конструкции диафрагм на работу зоны разветвления пролетных строений
Факт выявления такой картины напряжения в бетоне при расчетном моделировании показывает правильность выбора расчетной схемы и учёта нелинейных свойств материалов и перераспределения внутренних сил с железобетона на металл диафрагм и балок. Таким образом, подтверждается важность и актуальность изучаемой проблемы опорных диафрагм сталежелезобетонных пролетных строений.
Как показали расчеты, конструкция сплошностенчатой диафрагмы существенно влияет на работу железобетонной плиты только на участках между стенкам коробчатых балок. При этом нормальные продольные напряжения уменьшаются ( в 4...5 раз) при переходе от одностенчатой диафрагмы к двухстенчатой {см. рис. 4.27,в). На других участках плиты замены одностенчатой диафрагмы на двухстенчатую практически не меняют уровень напряжений по нижней фибре плиты.
Этот результат говорит о том, что при двухстенчатой диафрагме обеспечивается в пределах коробчатых балок очень жесткий диск в поперечном направлении и железобетонная плита очень в малой степени включается в работу с пролетным строением.
В тоже время этот факт позволяет говорить о том, что сдвоенная диафрагма в опорном сечении неразрезного пролетного строения благоприятно влияет на общую работу пролетного строения на отрицательные изгибающие моменты.
Постановка стержневых связей одиночных и сдвоенных в месте разветвления также уменьшает напряжение в плите, на участке между стенками коробчатых балок, но гораздо в меньшей степени, всего лишь на 35..Л0% (рис.4.27,г).
Изменение толщины (рис. 4.27,д диафрагмы вообще не оказывает влияние на напряженно- деформированное состояние плиты по сравнению с применением двустенчатых диафрагм, что позволяет говорить о неопасных факторах для работы бетона.
Распределение нормальных напряжений oz в железобетонной плите во всех рассмотренных случаях показывает, что даже при наличии нескольких коробчатых балок наблюдается их неравномерность по ширине сечений в промежутке между коробками: напряжения уменьшаются и возрастают в точках над стенками коробчатых балок (см. рис. 4.27).
Неравномерность распределения нормальных напряжений - явление характерное для широких сечений. Чем чаще располагаются коробчатые балки, тем неравномерность меньше. Зафиксированная неравномерность
На напряженное состояние опорных диафрагм влияет и изменение температуры, вызывающее деформации между металлическими балками и железобетонной плитой как в течение суток, так и со сменой времен года. Был проведён нелинейный анализ влияния температурно-климатических факторов на работу элементов конструкции эстакады в зоне разветвления. Для условий Ирана характерны высокие дневные температуры, что оказывает определенное влияние на напряженное состояние 1 сталежелезобетонных конструкций мостов. Температуры, доходящие до + 50С, а иногда и более, вызывают нагрев железобетонной плиты и стальных балок пролетных строений. При этом солнце, являющееся источником нагревания конструкций, достаточно долго находится в зените и благодаря этому разница температур железобетонной плиты и стальных балок может быть принята в пределе равной 50С. Эта разница температур является причиной стеснения деформаций в сечениях, как пролетного строения, так и диафрагм.
В соответствии с российскими нормами, эта же разница принимается равной 30С (СНиП 2.05.03.-84 п.5.10) [60] для случаев, когда температура стали выше, чем бетона плиты и наклон солнечных лучей к горизонту более или равен 30. При этом разности температур между стальной балкой и железобетонной плитой принимаются в соответствии с криволинейной эпюрой. При определении напряжений в железобетонной плите распределение температуры и деформаций (напряжений) по толщине плиты принимается равномерным [42].
В настоящей работе при проведении расчетов допускали, что распределении разницы температур происходит неизменно по длине учитываемых пролетов, что соответствует допущениям российских норм.
Считаем, что в коробчатых многоконтурных балках под единой железобетонной плитой учитывать изменение температуры по высоте стенки не имеет практического смысла. Градиент температуры от поясов балки к середине её высоты связан исключительно с нагревом от солнца. В нашем случае наличие наклонной стенки снижает этот эффект.
Принятое расположение опорных частей вызывает температурные перемещения разветвляющегося пролетного строения в соответствии с рис.4.29, на котором показаны равнодействующие векторов перемещений для каждой серии опорных частей.
Направленияравнодействуюгцих температурных перемещений пролетного строения: 1,2,3 — опорные диафрагмы; - шарнирно-неподвижная опорная часть; - шарнирно-подвижные опорные части При выполнении расчетов не учитывали дополнительные растягивающие напряжения в железобетонной плите из-за саморазогрева бетона вследствие экзотермии и более быстрого охлаждения стальных балок в ночное время. Рассмотрены следующие случаи температурного воздействия на конструкцию, независимо от загружений временной и постоянной нагрузками: 1. Нагрев только железобетонной плиты проезжей части на Д=50С по всей длине эстакады. Моделируется перегрев поверхности плиты от солнечного излучения, при этом металлоконструкция находится в тени. Градиент между железобетонной плитой и стальной балкой принят равным 50 С. 2. Нагрев всей конструкции и железобетонной плиты на Д=50С. Моделируется сезоные изменение температуры от -15 С до +35 С. Линейные температурные перемещения участков эстакады вызывают их изгиб и кручение и, тем самым создается объемное напряжено-деформированные состояние диафрагмы в месте разветвления пролетного строения.
Для аппроксимации железобетонной плиты приняты объемные конечные элементы. Как было показано выше (см. главу 2), это трехмерные элементы сплошной среды, у которых локальная система координат X, Y, Z определяется в терминах трех векторов R,S,T. Координатная система X, Y, Z выбирается так близко к R,S,T насколько это возможно. Поскольку локальные системы координат для конечных элементов для разных участков сложной разветвляющейся конструкции не полностью совпадают с глобальными осями X,Y,Z для пролетного строения, то целесообразно исследовать значения главных напряжений.
