Содержание к диссертации
Стр.
ВВЩЕНИЕ 5
1 ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ НОВЫХ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕС
КИХ СИСТШ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ
Современные требования, предъявляемые к разработке конструктивно-технологических систем 17
Цели разработки и внешне-коммуникационные связи конструктивно-технологической системы
Особенности расчетов конструктивно-технологических систем "пролетное строение" 66
Цели и задачи исследования 81
2 РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА КОНСТРУКЦИЙ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ
ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ 84
Структурная модель и расчетная схема пролетного строения .84
Расчет конструкций конструктивно-технологической системы "пролетное строение" 131
Пространственный расчет железобетонных пролетных строений, находящихся под воздействием нестационарных температурных факторов 168
Расчет железобетонных пролетных строений методом статистического моделирования * 186
3 РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ 196
Структурные модели 1%
Моделирование технологического процесса с использованием методов теории массового обслуживания 209
Использование методов моделирования и программного обеспечения системы 6Р^$ДЛя расчетов технологических параметров конструктивно-технологической системы "про-
Стр.
„летное строение" 218
3.4 Расчет допусков 229
4 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕ
ШЕНИЙ АВТОДОРОЖНЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ
Общая характеристика 241
Пролетные строения, монтируемые из линейных элементов 244
Пролетные строения, монтируемые из составных по длине блоков коробчатого сечения - 275
Роль "принципа целостности" в разработке конструктивно-технологических систем автодорожных железобетонных пролетных строений ................................ 280
5 РЕАЛИЗАЦИЯ ПРИНЦИПОВ РАЗРАБОТКИ НОВЫХ КОНСТРУКТИВНО-
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЖ НА ПРИМЕРЕ НЕРАЗРЕЗНЫХ ПРЕД
ВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ АВТОДОРОЖНЫХ
ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ ПРК-ЦНЙИС 289
Общая характеристика ЙТС ПРК-ЦНИИС - 289
Принципы разработки 298
Структурная модель и функциональные свойства конструктивно-технологической системы 302
Аспект развития (генезис) 316
Исследования расчетных схем и разработка методов расчета -^
Исследование вопросов технологии 401
Результаты опытного строительства и перспектива дальнейшего применения ПРК-ЦНИИС 417
ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ . 443
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 447
ПРИЛОЖЕНИЕ I.
Документы, подтверждающие эффективность диссертацион-
Стр.
ной работы ^81
ПРИЛОЖЕНИЕ II.
Данные о строительстве железобетонных мостов в
ЧССР 491
ПРИЛОЖЕНИЕ III.
Данные о строительстве железобетонных пролетных
строений в ФРГ '..... 496
ПРИЛОЖЕНИЕ ІУ.
Данные о строительстве железобетонных пролетных
строений в СССР 512
ПРИЛОЖЕНИЕ У.
Мосты с пролетными строениями ПРК-ЦНЙЙС 538
Введение к работе
Основные направления развития транспортного строительства СССР определены решениями ХХУІ съезда КПСС, Пленумов ЦК КПСС, Постановлениями ЦК КПСС и Совета Министров СССР по вопросам научно - технического прогресса.
Проблемы транспорта СССР в условиях интенсивно развивающейся экономики страны являются чрезвычайно актуальными и требуют, в частности, увеличения темпов строительства автодорожной сети, модернизации железнодорожного транспорта и, как следствие, роста эффективности мостостроения.
В связи с этим весьма актуальной становится проблема создания новых конструкций мостов и технологических процессов их возведения с целью снижения стоимости и материалоёмкости, повышения качества искусственных сооружений и производительности труда.
Исследованию этой проблемы применительно к разработке новых железобетонных пролётных строений посвящена настоящая работа.
В современных условиях, когда непрерывно растут требования, предъявляемые к транспортным сооружениям, и информация о научных и технических достижениях, усложняются структурные и функциональные элементы новых инженерных решений, а эффективность их разработки становится зависимой от многофакторных исследований, связанных, в основном, с необходимостью целостного охвата различных технико-экономических задач, которые бы позволили создавать конструкции, эффективные на стадии широкого внедрения. Для решения этих задач необходимы новые методы и принципы разра-
ботки железобетонных пролётных строєний как конструктивно-технологических систем, использующие достижения других областей науки и, прежде всего, применение системного подхода к проектированию.
Главными аспектами рассматриваемой проблемы, представляющей крупную народнохозяйственную задачу по созданию надёжных и эко' номичных транспортных сооружений, следует считать следующие:
выявление требований и принципиальных положений разработки новых конструктивно-технологических систем железобетонных пролётных строений;
теоретическое обобщение, развитие, разработка и внедрение способов формализованного описания конструкций и технологических процессов, методов их расчёта,учитывающих совместную работу всех элементов конструктивно-технологической системы;
обоснование, исследование и разработка принципов проектирования конструктивно-технологических систем железобетонных пролётных строений и их реализация в практике мостостроения.
Целью работы является повышение эффективности железобетонных пролётных строений на основе принципов разработки новых инженерных решений, как конструктивно-технологических систем, и новых методов расчёта конструкций и технологических процессовs которые учитывают взаимосвязь элементов системы и её эволюцию на стадиях изготовления, возведения и эксплуатации.
В диссертации на основе методологии системного подхода, анализа структурных моделей и связей конструктивно - технологических систем, новых исследований в области теории расчёта мостов и прогрессивных конструктивных решений выполнено теоретическое обобщение,в результате чего обоснованы, разработаны и внедрены
принципы создания новых конструктивно - технологических систем,
что открывает новое научное направление , дающее возможность существенно повысить эффективность строительства железобетонных мостов.
Основная часть исследования выполнялась по планам научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ Минтрансстроя: ИС-03-74 р.2 ; ИС-Х-3-76 р.9; ИС-Х-77 р.1; ИС-Х-3-78 р.8; ИС-Х-3-80 р.І; ИС-ХІ-3-8І р.4 ; ИС-ХІ-8І р.2; ИС-ХІ-3-82/039 р.1 -отраслевая программа 0.55.00.193.02.01.02.011 ; и по планам ЦНИИС - РИС-04-7І. Опытное строительство проводилось по планам Госстроя СССР и Минтрансстроя в соответствии с техническими заданиями, разработанными по темам 302-К-ЙС, 305-К-ИС, ЗЮ-К-ИС. Руководителем этих разделов и тем являлся автор диссертации.Исследованиям предшествовали и сопутствовали проектные работы по созданию новых конструкций железобетонных пролётных строений и технологии их строительства, в которых автор принимал непосредственное участие.
В 1957 г. им, совместно с инж. Журавлёвым А.Я. и Елисавет-ским Э.Г., было запроектировано первое в СССР сборное неразрезное железобетонное пролётное строение машинного изготовления - ИКМИ, собираемое навесной сборкой на перемещаемых консольных подмостях. Были разработаны принципы монтажа и технология машинного изготовления вибропрессованием.Проект был премирован на конкурсе Госстроя СССР [ 61 J .В 1961 г. по предложению автора, под его руководством и участием был разработан первый в СССР типовой проект "Сборного железобетонного пролётного строения рамно-неразрезной системы с пролётами 80 м.", собираемого продольной надвижкой,навесной сборкой и сборкой на перемещаемых подмостях [222] ,а в 1962 г. - типовой проект "Сборного железобетонного пролётного
строения неразрезной системы пролетом 60 и 80 м", собираемого навесной сборкой [223]. Диссертант активно участвовал в разработке и строительстве первых в СССР бездиафрагменных пролетных строений, построенных на Московской кольцевой автомобильной дороге. Он является соавтором конструкции ПРК-ЦНИНС, руководителем и автором всех разделов и технических заданий, связанных с разработкой автодорожных пролетных строений этой системы, принимал активное участие в проектировании и внедрении этой системы в практику строительства. Диссертант был консультантом, руководителем и участником экспериментальных и опытных работ, связанных с проектированием и строительством ряда новых конструкций железобетонных пролетных строений, разработанных Гипротрансмостом, Со-юздорпроектом, К.Ф.Союздорпроекта, СКБ Главмостостроя, Ленгипро-трансмостом, Гипродорнии и др. организациями.
Диссертационная работа состоит из пяти глав.
В первой главе анализируются основные, проблемы разработки железобетонных пролетных строений на основе методологии системного подхода к проектированию. Рассмотрены обобщенные структурные модели конструктивно-технологических систем (КТС) и их внешне-коммуникационные связи, которые могут быть условно разделены на два уровня. К первому отнесены директивные требования, требования по охране окружающей среды и тенденции развития мостостроения. К второму - материальная основа научных, проектных и строительных организаций, архитектурно-планировочные требования, и условия эксплуатации. Определены требования, предъявляемые системным подходом к расчету элементов КТС. Показано, что расчеты конструкции и технологических процессов должны учитывать условия их работы в" качестве подсистем КТС, быть адекватными структурам и расчетным схемам. В связи с этим- расчеты конструкции условно разделены на два взаимно связанных уровня. Первый определяет па-
раметры сооружения в зависимости от методов строительства и условий эксплуатации, второй учитывает долговременные процессы и внешние климатические факторы. Рассмотрена роль случайных моделей в расчетах конструктивной и технологической подсистем, сформулированы цели и задачи исследования.
Во второй главе приводятся результаты разработанных методов расчета конструкций железобетонных пролетных строений. Рассмотрены структурные модели и расчетные схемы, метод расчета конструкции как подсистемы конструктивно-технологической системы, методика расчета термоупругих напряжений и расчет железобетонных сечений с использованием метода статистических испытаний (Метод Монте-Карло).
В структуре подсистемы "конструкция" расчетная схема занимает доминирующее положение. Она связана двухсторонними связями со всеми элементами первого уровня и подсистемой "технология". Назначение расчетной схемы включает три фазы: выбор, оценку и реализацию. Как правило, конструкция описывается спектром расчетных схем, которые могут быть представлены в виде иерархического дерева, имеющего три уровня. Особое место в оценке выбора расчетной схемы принадлежит ее конструктивной устойчивости.
Метод расчета конструкций железобетонных пролетных строений как элемента КТО был предложен автором в 1965 г. и разрабатывался им до 1972 г. В последующем он развивался автором совместно с Крыловым А.В. Метод использует численные методы и создавался с целью автоматизировать в пределах требований технологии проектирования конструктивно-технологических систем расчеты железобетонных пролетных строений. Его отличительной особенностью является новый подход к решению задачи по определению напряженно-деформированного состояния сечения, комбинированного по материалу с учетом усадки и ползучести бетона, и расчет железобетонных
пролетных строений, в том числе и статически неопределимых, с изменяемой в процессе монтажа схемой, с учетом основных конструктивно-технологических факторов. Оценка и проверка метода проводилась в процессе его разработки и развития. Теоретические исследования предусматривали проведение численных экспериментов, сравнение с другими методами, оценку влияния допущений на результаты. Программы расчета многократно проверялись в процессе реального проектирования. Экспериментальная проверка выполнялась на модели, балках и построенных мостах. Метод реализован в программах расчета на ЭВМ, благодаря чему нашел широкое применение в исследованиях и практике проектирования мостов.
Методика пространственного расчета железобетонных пролетных строений, находящихся под воздействием нестационарных температурных факторов, использует численные методы (конечных разностей) расчета термоулругих напряжений и методы пространственного расчета плитно-балочных конструкций. Разработаны программы, которые применялись при проектировании ряда крупных мостовых сооружений.
Метод статистических испытаний (метод Монте-Карло>) был впервые для целей проектирования мостов применен автором в 1969 г. В диссертации рассмотрена его реализация в методе расчета железобетонных предварительно напряженных мостов на трещино-стойкость и перемещения. Постановка задачи и ее решение определились требованиями оценки надежности конструкции по предельным состояниям, что требует знания как средних напряжений и деформаций, так и их интервалов достоверности. Была составлена программа, которая использовалась в исследовательских целях.
В третьей главе приводятся результаты разработанных методов расчета технологических систем и расчет допусков.
Структурная модель подсистемы "технология" представлена в виде орграфа и соответствующих матриц смежности и инцидентности.
Полнота системы определяется ее основными элементами. Технологическая подсистема оценивается двумя группами технико-экономических критериев. Первая характеризует стоимость и объемные количественные показатели. Вторая - динамику подсистемы и ее элементов, взаимодействие и взаимное влияние последних в процессе функционирования. В этом случае моделировать технологическую систему и оценивать ее состояние возможно на основе методов теории массового обслуживания. В диссертации модель технологической подсистемы рассматривается как многоканальная система. Рассмотрена прямая, обратная и смешанная задачи. Исследована модель подсистемы "технология" применительно к конкретным условиям монтажа ПРК-ЦНИЙС на перемещаемых агрегатах, Решение задачи выполнено с использованием общецелевой системы предназначенной для моделирования задач теории массового обслуживания. Составлены соответствующие программы расчета.
Одним из важнейших вопросов технологии является назначение допусков, которые в ряде случаев рассчитываются при проектировании. Рассмотрены расчеты допусков применительно к монтажу пролетных строений навесной сборкой и сборкой на перемещаемых монтажных агрегатах. Проведен анализ результатов применения такого подхода и показана его эффективность на примере проектирования пролетных строений ПРК-ЦНИИС.
В четвертой главе рассмотрены результаты анализа существующих конструктивно-технологических решений автодорожных железобетонных пролетных строений. Проанализирована роль "Принципа целостности" в разработке конкретных конструктивно-технологических систем. Рассмотрены две группы пролетных строений. Первая - монтируемая из линейных элементов, вторая - из составных по длине блоков коробчатого сечения. Принципы разработки и конструктивно-технологические решения обеих групп связаны между собой слабо.
Они имеют общие области применения и используют в некоторых процессах единое технологическое оборудование. Основу первой группы составляют типовые решения по вып. 384 и 710. Рассмотрены принципы разработки этих проектов, их структура и функциональные связи, аспект развития. Оценена реальность принятых при разработке проектов принципов и прогнозируемых параметров. Рассмотрены конструкции второй группы. На основе проведенного анализа показано, что применяемые в СССР железобетонные пролетные строения отличаются разнообразием, имеют, как правило, хорошие показатели по расходу бетона и строятся современными методами и средствами. Однако, они не образуют единую конструктивно-технологическую систему, что нарушает "Принцип целостности" и, в связи с этим, ухудшает интегральные характеристики системы, сдерживает рост ее эффективности, отрицательно влияет на показатели качества, трудоемкости и темпов монтажа, ухудшая средние их значения и увеличивая отклонения этих показателей от среднего. В связи с этим, на основе накопленного опыта, предлагается перейти от существующего дифференцированного подхода к разработке конструкций к созданию на основе "Принципа целостности" интегральной КТС железобетонных пролетных строений, объединяющей обе группы конструктивно-технологических решений.
В пятой главе приведены результаты реализации принципов разработки новых конструктивно-технологических систем на примере неразрезных предварительно напряженных железобетонных автодорожных пролетных строений ПРК-ЦНИИС. Рассмотрены принципы разработки ПРК-ЦНИИС. Их структурные модели, функциональные связи -, аспекты развития, расчетные схемы, методы расчета конструкции и технологических процессов. Проведен анализ широкого опытного строительства и его технико-экономической эффективности.
ПРК-ЦНИИС разрабатывалась как конструктивно-технологическая
система. Она включает сборное неразрезное предварительно напряженное пролетное строение, технологию изготовления и монтажа, а также соответствующее оборудование. Создание ПРК-ЦНЙИС потребовало разработки принципов проектирования и строительства, существенной переработки аналогов, а по большому комплексу вопросов -создания новых решений. Основой разработки являются научно-исследовательские и экспериментально-опытные работы, цели которых определились принципами и методологией системного подхода к проектированию. Исследования проводились по четырем направлениям. Изучались: конструкция блока ПРК и неразрезного пролетного строения, технология изготовления сборных элементов и их монтажа. Применительно к разработке ПРК-ОДИИС принцип целостности объединил 15 основных конструктивно-технологических принципов. Блок ПРК разрабатывался с учетом требований всех элементов КТС и положенных в основу проектирования принципов. Основу функциональных связей системы составляют отношения координации. В работе проанализированы аспекты развития системы и роль аналогов. Экспериментальные исследования проводились на маломасштабной модели из полимербето-на, опытных балках, экспериментальном пролетном строении ЦНИИС с пролетами 2x25 м. В процессе строительства и при эксплуатации реальных сооружений изучались плоские и пространственные расчетные схемы. Определялась их зависимость от конструкции пролетного строения и его деталей, напрягаемых элементов, перемещаемых агрегатов, технологии изготовления и монтажа. Показано, что динамика формирования расчетной схемы зависит от технологии и последовательности преднапряжения, конструкции пролетного строения и агрегата. Исследование расчетных схем пространственной работы проводилось с целью эффективного использования при проектировании известных методов и программ расчета на ЭВМ. Экспериментально-теоретические
исследования расчетных схем явились основой методов и программ расчета. Разработка технологических процессов строительства и оборудования основывалась на экспериментально-теоретических исследованиях опалубки и технологии метода-отпечатка, группового склеивания и монтажного агрегата.
ПРК-ЦНИЙС развивалась как открытая управляемая система. По мере строительства новых сооружений улучшались и модернизировались ее параметры. Однако основные принципы конструкции и технологии, отработанные в процессе ее созданияпрактически не изменялись. К 1984 г. ПРК-ЦНИИС построены и строятся на 9 мостах общей длиной до 10000 п.м и объемом до 60 тыс.м . Процесс внедрения можно разделить на пять этапов. Первый связан с созданием первых конструкций автодорожных пролетных строений с пролетом 42 и 63 м. Второй предусматривал разработку городских эстакад с пролетами 33 и 42 м. Третий определился дальнейшей отработкой конструктивно-технологических решений, позволяющих расширить возможности автоматизации процессов изготовления и монтажа. Четвертый характеризуется созданием типовых проектов. Пятый связан с новыми задачами, возникшими в связи со строительством мостового перехода в г.Киеве. В главе проанализирована технико-экономическая эффективность ПРК-ЦНИЙС.
В конце работы сформулированы выводы, имеются приложения и справки с результатами внедрения. Приведен список использованной литературы.
На защиту выносятся:
Предложения, обоснования, результаты разработки и внедрения "Принципа целостности" и методологии системного подхода к созданию железобетонных пролетных строений как конструктивно-технологических систем.
Структурные модели и выявленные закономерности расчетных
схем, функциональных связей, аспекта развития конструктивно-технологических систем железобетонных пролетных строений.
3. Метод расчета железобетонных пролетных строений, учитыва
ющий:
эволюцию и взаимосвязь основных элементов конструктивно-технологической системы, в том числе и статистическую природу некоторых из них;
долговременные процессы усадки и ползучести бетона;
температурные воздействия.
Методика расчета и выявленные закономерности динамических моделей технологических систем.
Новые автодорожные железобетонные пролетные строения ПРК-ЦНЙЙС, представляющие собой пример разработки конструктивно-технологической системы.
Результаты комплексных теоретических и конструктивно-технологических исследований, включающие:
создание и отработку опытных конструкций;
технологию их строительства;
стенд для проведения долговременных испытаний, имитирующий загружение пролетного строения подвижной нагрузкой;
- выявленные закономерности группового склеивания.
^Материалы диссертации доложены и обсуждены на научно-техни
ческих конференциях МАДИ и КАДИ (1965-1967 г.г.); на совещании-
семинаре по опыту проектирования и строительства автодорожных и
городских мостов с железобетонными пролетными строениями на ВДНХ
СССР (1974 г.); на Всесоюзном симпозиуме "Расчет железобетонных
мостов с учетом влияния усадки и ползучести бетона" в г.Киеве
(1974 г.); на Всесоюзном совещании дорожников (1975 г. г.Новго
род); на Международном конгрессе АИПК в г.Токио (1976 г.); на УІ
Всесоюзном совещании по основным направлениям научно-технического прогресса в дорожном строительстве - Москва, 1976 г.; на Конгрессах ФЙП в Лондоне - 1978 г. и Стокгольме - 1982 г.; на Совещании-семинаре по применению составных клеевых конструкций - Москва, ВДНХ СССР, 1983 г., а также на заседаниях секций Ученого Совета ЦНЙЙС, научно-технических советов Минтрансстроя СССР, Госстроя СССР. Исследования одбрены решениями этих советов. Результаты опытного строительства были положительно оценены приказами по Минтрансстрою. За разработку конструкций ПРК-ЦНИИС присуждена премия Совета Министров СССР.
Отдельные положения диссертации использовались рядом авторов при проведении исследований. Разработанные методы и программы расчетов нашли широкое применение в практике проектирования мостов в Гипротрансмосте, Союздорпроекте, СКВ Главмостостроя, К.Ф. Союздорпроекта, Гипродорнии, Белгипродоре и других организациях. Конструкции ПРК-ЦНИИС широко внедрены в практику строительства мостов, получен значительный технико-экономический эффект.
За разработку новых конструкций железобетонных мостов автор награжден серебряной и бронзовыми медалями ВДНХ СССР, ему присуждена премия Совета Министров СССР.
По материалам диссертации опубликованы работы: [і, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 61, 68, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 100, 101, 102, 106, 108, 129, 137, 138, 139, 140, 142, 143, 144, 145, 146, 147, 149, 160, 216, 217, 218, 222, 223, 233, 239, 240, 249, 250, 251, 252, 258, 254, 255, 256, 257, 258, 259, 260, 261, 262, 263, 264, 265, 266, 267, 268, 269, 280, 309].
