Содержание к диссертации
Введение
Анализ современного состояния и перспективы применения водопропускных труб на автомобильных дорогах 12
1.1. Конструктивные решения водопропускных труб: история и современные тенденции 12
1.2. Анализ проблем сооружения и эксплуатации водопропускных труб 18
1.3. Анализ конструкций водопропускных труби затрат на их устройство 21
1.4. Обследование полукольцевых водопропускных труб и анализ их состояния 24
1.5. Выводы. Задачи и цели 30
Глава 2. Постановки и решения задач оптимизации и рационального проектирования арочных водопропускных труб 32
2.1. Общие сведения о постановках и методах решения сложных задач оптимизации водопропускных труб 32
2.2. Общая постановка задача оптимизации водопропускных труб 34
2.3. Исследование параметров арки полуэллиптических водопропускных труб 37
2.4. Исследование параметров опорной фундаментной плиты полуэллиптических водопропускных труб 45
2.5. Анализ влияния транспортной нагрузки Н14 на водопропускные трубы в насыпях различной высоты 49
2.6. Варианты рационального использования водопропускных труб эквивалентной площади водопропускного отверстия 53
2.7. Выводы по главе 2 з
Глава 3. Исследование напряжённо-деформированного состояния системы «труба-грунт» и анализ конструкций арочных водопропускных труб 56
3.1 Исследование напряженно-деформированного состояния водопропускных труб в массиве грунта с помощью метода конечных элементов 56
3.2 Расчёт и проектирование арочных полуэллиптических водопропускных труб 66
3.3 Проектирование полукольцевых водопропускных труб с использованием ПК «Лира» и методик СНиП 69
3.4 Проектирование оголовков арочных водопропускных труб 71
3.5 Выводы по главе 3 74
Глава 4. Исследование гидравлической работы водопропускных труб 75
4.1. Цель и задачи исследований 75
4.2. Особенности гидравлической работы водопропускных труб 75
4.3. Применяемые ресурсы и оборудование 77
4.4. Методика проведения эксперимента и обработки результатов 79
4.5. Определение водопропускной способности вариантов водопропускных труб 81
4.5.1 Экспериментальное исследование К-ВПТ 81
4.5.2 Экспериментальное исследование ПЭ-ВПТ 82
4.5.3 Экспериментальное исследование ПК-ВПТ 82
4.5.4 Исследование площадей потоков моделей труб 91
4.5.5 Определение расхода вариантов водопропускных труб 92
4.6. Оценка сходимости полученных результатов 94
4.6.1 Показания ультразвукового расходомера 94
4.6.2 Анализ нормативных величин водопропускной способности 96
4.6.3 Расчёт водопропускной способности по инженерной методике 97 4.7. Влияние шероховатости фундаментной плиты на расход полуэллиптической водопропускной трубы 101
4.8. Конструктивный ряд водопропускных труб эквивалентной водопропускной способности 102
4.9. Оценка энергии потока воды вариантов водопропускных труб 105
4.10. Выводы по главе 4 107
Глава 5. Организация производства полуэллиптических водопропускных труб и анализ технико-экономических показателей 108
5.1. Состояние производственной площадки цеха железобетонных изделий ГУП ДСУ-3 108
5.2. Подготовка производственной площадки для полуэллиптических водопропускных труб 110
5.3. Организация производства полуэллиптических водопропускных труб 114
5.4. Анализ и оценка стоимости проектных решений 118
5.5. Состояние проекта и перспективы внедрения полуэллиптических водопропускных труб 124
5.6. Выводы по главе 5 125
Список литературы .
- Анализ конструкций водопропускных труби затрат на их устройство
- Исследование параметров арки полуэллиптических водопропускных труб
- Расчёт и проектирование арочных полуэллиптических водопропускных труб
- Определение водопропускной способности вариантов водопропускных труб
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. По данным Федерального дорожного агентства на автомобильных дорогах (АД) Российской Федерации установлено 440 560 водопропускных труб (ВПТ), из них: 46 427 - на федеральных АД; 394 133 - на региональных АД. В среднем на каждый километр АД приходится 1,25 ВПТ. Несмотря на значительный рост применения металлических гофрированных и полимерных труб, доля круглых (К) бетонных и железобетонных (ЖБ) ВПТ превышает 95 %. При строительстве ВПТ используется 9+Т1% всего материала, расходуемого на искусственные сооружения. Более 90 % труб - малые К-ВПТ с диаметром отверстий )=0,5+-1,5 м.
К числу основных преимуществ ЖБ К-ВПТ следует отнести универсальность вариантов возможного использования, высокую технологичность изготовления, малую трудоёмкость производства и монтажа. В современных условиях к этому необходимо добавить повсеместное наличие производственных площадок ЖБ конструкций. При многих неоспоримых достоинствах К-ВПТ имеет ряд существенных недостатков, среди которых, прежде всего, следует отметить отсутствие явной альтернативы, как следствие рост стоимости из-за ограниченности номенклатуры производимых изделий, сложность устройства гидроизоляции и механизированного уплотнения грунта в трудно уплотняемых пазухах (ТУП) насыпи ниже диаметра поперечного сечения ВПТ - последнее обстоятельство приводит к неравномерности осадок и необходимости преждевременного ремонта дорожного покрытия.
Полукольцевые (ПК) арочные (АР) ВПТ, запроектированные ВлГУ в 1995 г., позволяют эффективно решить проблему наличия ТУП и равномерного уплотнения грунта насыпи вокруг труб. ПК-ВПТ состоит из верхней полуцилиндрической арки и нижней опорной фундаментной плиты. Дополнительным преимуществом ПК-ВПТ является снижение строительной высоты на 25%. Однако, материалоёмкость ПК-ВПТ на =20% больше К-ВПТ той же площади водопропускного отверстия (ПВПО).
Необходимость замены большого числа ВПТ (по экспертным оценкам - не менее 30% от их общего числа) на дорогах нечерноземных регионов РФ определяются двумя обстоятельствами:
во-первых, последние 15+-18 лет, вследствие недофинансирования дорожного комплекса, практически не выполнялась плановая замена ВПТ;
во-вторых, эксплуатация ВПТ в экстремальных условиях из-за возросших интенсивности и величины транспортных нагрузок.
Таким образом, рассмотрение в данной диссертационной работе рациональных ЖБ арочных ВПТ является актуальной и перспективной темой исследований.
Целью работы являются поиск и разработка рациональных конструктивных решений ЖБ АР-ВПТ, обеспечивающих снижение материалоёмкости и повышение эксплуатационной надёжности при сохранении малой трудоёмкости изготовления и строительства.
Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи:
выполнить аналитический обзор опыта проектирования, строительства и эксплуатации ВПТ различных конструктивно-технологических параметров;
сформулировать задачи оптимизации и выбора рациональных параметров АР-ВПТ, разработать расчётные схемы (PC) и с их помощью исследовать напряжённо-деформированное состояние (НДС) элементов ВПТ;
выполнить экспериментальные и аналитические (по существующим инженерным методикам) исследования гидравлических характеристик ВПТ;
предложить варианты конструктивных рядов (КР) ВПТ с убывающей строительной высотой, эквивалентных по ПВПО и водопропускной способности (ВПС), обосновать условия их рационального использования;
определить экономическую эффективность АР-ВПТ;
сформулировать направления перспективных исследований и инновационной работы по ВПТ.
Объектом исследований являются малые ВПТ в транспортном строительстве, в частности, железобетонные арочные ВПТ для автомобильных дорог.
Предметом исследований являются напряженно-деформированное состояние элементов арочных ВПТ, поведение и деформации дорожной одежды и ВПТ в грунтовом массиве АД насыпи и гидравлические характеристики ВПТ.
Методы исследований. Для решения сформулированных выше задач использованы современные методы аналитических, численных (метод конечных элементов) и физических (экспериментальных)исследований. Блок-схема диссертационной работы представлена на рисунке 1.
Научная новизна работы заключается в следующем:
определены рациональные геометрические и конструктивные параметры ЖБ АР-ВПТ;
установлены закономерности взаимодействия АР-ВПТ грунта насыпи и основания АД, выявлены зависимости НДС элементов АР-ВПТ от их геометрических и конструктивных параметров;
- экспериментально определены гидравлические характеристики вариантов
АР-ВПТ;
- предложены конструктивные ряды по ПВПО и ВПС с убывающей строитель
ной высотой и расчётом обоснованы условия их эффективного использования;
- оценена экономическая эффективность АР-ВПТ, подготовлено и запущено их производство.
Анализ существующих
конструктивных и
технологических решений BI IT
Анализ опыта проектирования,
строительства и эксплуатации
Анализ результатов
обследования
эксплуатируемых ВПТ
*
Ян <
Постановка задачи оптимизации конструкции элементов ВПТ
I —
=
8 и
в 9
I а
в Ц
і* ~
S 3
о G
1 с
Исследование работы ВПТ в массиве грунта АД насыпи
О S
о _
|в|
е-щ 5, 1 g і S І g
О Ю Г!
Расчёт и проектирование арочных ВПТ
зн Д о « S я
а 1
Р!
1=1 р
Он я
Проведение гидравлических испытаний моделей вариантов КР ВПТ
Определение гидравлических характеристик ВПТ в соответствии с инженерными методиками
Оценка сходимости результатов испытаний
Предложение КР по ВПС ири безнапорном режиме гидравлической рабо і ы
Организация производственной площадки и запуск опытного производства
Оценка экономической эффективности изготовления и применения разработанных рациональных арочных ВПТ
Выводы. Формулировка перспективных направлений дальнейшей исследовательской и инновационной работы.
Рисунок 1 - Блок-схема диссертационного исследования
Достоверность результатов, полученных аналитическими, численными и экспериментальными исследованиями, обеспечена использованием действующих нормативных и научно обоснованных инженерных методик расчётов, применением международных сертифицированных программных продуктов для расчёта и проектирования ЖБ конструкций, использованием современной измерительной техники и сертифицированного экспериментального оборудования, статистической обработкой данных и сопоставлением их с результатами инженерных расчётов и материалами других официальных источников.
Практическая значимость работы. Конструкции ВПТ, запроектированные с учётом результатов проведённых исследований, обеспечивают снижение материалоёмкости арочных ВПТ (25+37 %), снижение себестоимости их производства (20+35 %) и повышение эксплуатационной надёжности ВПТ на АД. Это позволяет снизить стоимость строительства и эксплуатации АД, повысить безопасность и комфортность автомобильного движения.
Результаты исследований использованы при разработке технической документации на ВПТ по заказу ГУП ДСУ-3 (п. Мелехово, Владимирская область), организации производства арочных ВПТ на производственной площадке ГУП ДСУ-3, при исполнении государственного контракта на выполнение НИОКР № ЮЗЗОр/18342 ООО «НПФ Поиск-М» (г. Владимир) с Фондом содействия развитию малых предприятий в научно-технической сфере.
На защиту выносятся:
решение задач оптимизации и выбора рациональных параметров элементов арочных ВПТ, результаты анализа рациональных проектных решений и исследований НДС ВПТ при работе в массиве грунта АД насыпи;
результаты экспериментального исследования гидравлических характеристик круглой и арочных ВПТ;
конструктивные ряды ВПТ эквивалентных по ПВПО и ВПС с убывающей строительной высотой, обоснованные расчётом условия рационального использования их вариантов;
оценка эффективности применения вариантов КР ВПТ и объединения элементов ВПТ для повышения эксплуатационной надёжности;
оценка экономической эффективности производства и применения арочных ВПТ с рациональными конструктивными параметрами.
Апробация результатов исследования. Основные положения и результаты исследований докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на: международной научно-практической конференции (НПК) НПК «Новые дороги России», г. Пенза, 2011 г.; НПК в рамках всероссийского конкурса «ЭВРИКА2011», г. Новочеркасск, 2011 г.; I Международной НПК «Технические науки - основа современной инновационной системы», г. Йошкар-Ола, 2012 г.; НПК VII Всероссийской выставки «Научно-техническое творчество молодёжи», г. Москва, ВВЦ, 2012 г.; НПК ВлГУ 2010+2013 гг.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 17 работ, в том числе -5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, получено 6 патентов.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов и предложений, библиографического списка из 174 наименований и приложений, общим объёмом 158 страниц. Содержит 125 страницу основного текста, 82 рисунка, 30 таблиц.
Анализ конструкций водопропускных труби затрат на их устройство
Конструкции ЖБ ВПТ и технологии их производства постоянно совершенствуются. Специалистами Воронежского филиала ОАО «ГипродорНИИ» было предложено проектное решение ВПТ для дорожного строительства с предварительно напряжённой спиральной арматурой [88].
Широко применяется сталефибробетон [11, 14, 63, 72, 79, 143,160], позволяющий добиться значительного улучшения прочностных и деформационных характеристик ЖБ ВПТ и восприятия динамических нагрузок. В России сталефибробе-тон, предложенный профессором В. П. Некрасовым, ведёт свою историю с 1907 г. [46]. Большой научный и практический вклад в этом направлении внесли Ю. М. Баженов [6], Г. И. Бердичевский, А. С. Бочарников [24], И. В. Волков [26, 27], Ф.
В течение последних нескольких десятков лет в нашей стране и за рубежом активно применяются металлические гофрированные трубы (МГТ) [3, 96, 131, 173]. Исследовательские работы по ним проводили А. А. Герцог [32], В. И. Гнедовский, Г. К. Клейн, К. Х. Толмачёв [71]. Стремительное развитие МГТ в нашей стране связано, в первую очередь, с инициативой возрождения этих конструкций профессором Н. М. Колоколовым (ЦНИИС) [74, 75] и активным участием в исследовательской и проектной работе О. А. Янковского [123, 161, 174], К. Б. Щербиной [171], Р. Е. Подвального [123, 163], А. С. Потапова [9, 130, 163], Е. А. Артамонова [174], Р. С. Клейнер [174], А. Л. Брик и др.
Наибольший вклад в развитие теории и практики строительства МГТ на дорогах СССР внесли в 70-х годах специалисты ЦНИИСа и его Новосибирского филиала, Ленгипротрансмоста, НИИ мостов ЛИИЖТа [88, 174] и др.
Основными преимуществами МГТ являются: низкая потребность конструктивного материала; возможность монтажа ВПТ без привлечения подъёмной техники – это особенно важно при строительстве дорог в северных регионах России. Применение МГТ в этих условиях позволяет существенно снизить стоимость и трудоёмкость строительства ВПТ [130, 163].
Однако, как показывает опыт эксплуатации ВПТ, МГТ имеют ряд существенных недостатков [4, 47] - об этом свидетельствуют материалы обследований, проведенных А. И. Кондратюком[76], Э. Г. Храковским, Б. И. Нечаевым, К. Б. Щербиной [171], Г. С. Рояк [141], В. П. Польевко, М. Д. Харит, А. И. Сазыкиным, В. П. Чернявским[168], С. А. Фейтельманом, П. Д. Стрельниковым, Г. С. Шестопё-ровым [170], С. А. Шульманом, С. С. Ткаченкои др.
Применение местного материала во многих регионах нашей страны для МГТ невозможно, а использование привозного конструкционного материала часто экономически нецелесообразно [139].
Кроме того, при эксплуатации МГТ:
1. На внутреннюю поверхность ВПТ весьма неблагоприятное воздействие оказывают взвешенные в воде и перекатываемые по дну водотока твёрдые минеральные частицы, в особенности, частицы кварцевого песка, быстро истирающие защитный слой цинка и активизирующие электрохимическую коррозию [76, 141, 168, 170];
2. Вследствие значительной гибкости конструкции, встречаются случаи изменения формы и размеров поперечного сечения МГТ, как правило, из-за не качественного уплотнения грунта засыпки, ненадлежащей эксплуатации ВПТ [129, 170].
Предпринимаются попытки применения ВПТ из синтетических и композитных (полимербетоны, стеклопластики, поливинилхлорид и др.) материалов. Исследованиями в данном направлении в СССР занимались специалисты Ленгипро-трансмота, Союздорнии, Мосгипротранса и др. В настоящее время в России производством труб из композитных материалов, в том числе для транспортного строительства, занимаются ОАО «СТЕКЛОНиТ», зарубежная компания «HOBAS» и др. Однако, данные конструкции имеют весьма ограниченное применение ввиду специфических свойств используемых материалов. Несмотря на привлекательные свойства сопротивления водопроницаемости и агрессивной химической среде, а также значительное сокращение трудовых затрат при изготовлении и монтаже, конструкции из синтетических и композиционных материалов под действием внешней среды обладают свойствами быстрого старения и изменения физико-механических характеристик, либо недостаточной жёсткостью и др.
Встречаются случаи использования в качестве ВПТ «отходов» из других отраслей промышленности, бывших в употреблении конструкций, отработавших свой профильный ресурс, однако имеющих достаточный запас надёжности для использования в АД строительстве [15]. Например, на Севере Западной Сибири в качестве ВПТ используют отслужившие свой ресурс трубы магистральных газопроводов, диаметром 8101420 мм.
Рассмотрим подробнее варианты конструкций ЖБ ВПТ. Около 90 % ЖБ ВПТ имеют круглое очертание [2, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 74, 88, 114, 163, 174] - рисунок 1.2. В СССР большой вклад в расширение областей применения бетонных и ЖБ ВПТ внесли специалисты секции типового проектирования Ленгипротрансмоста, возглавляемой выдающимся учёным и конструктором Н. Г. Базилевским. В 1936 г. были разработаны первые типовые конструкции ЖБ ВПТ круглого (К-ВПТ) сечения диаметром 12 м и длиной секции 1 м, в 1962 г. предложены типовые унифицированные сборные ЖБ К-ВПТ.
Исследование параметров арки полуэллиптических водопропускных труб
Весьма важной является проблема повышения эксплуатационной надёжности и долговечности, в частности, ЖБ ВПТ [13, 45, 49, 67, 82, 102, 105, 125, 172]. Повреждения элементов ЖБ ВПТ имеют силовой (трещины, сколы и т.д.), деформационный (неравномерность осадок, расхождение элементов и т.д.), либо коррозионный характер («оголённая» арматура, «шелушение» и растрескивание бетона и т.д.). Существенный вклад в поисках решения проблем по этому направлению внесли Р.Е. Подвальный [123, 174], А. С. Потапов [9, 174], В. А. Ярошенко, П. М. Зелевич [115], О. В. Андреев, М. А. Малышев [92], А. Г. Прокопович и др.
Основными причинами силовых повреждений ВПТ, заметно проявившиеся в последние годы, являются: значительное увеличение транспортных потоков; использование современных большегрузных машин с осевой нагрузкой, превышающей проектную для ВПТ. Следует отметить, что большинство существующих ВПТ не соответствует современным строительным нормам по транспортной нагрузке [39, 155]. Деформационные повреждения ВПТ могут являться следствием силовых воздействий, а также процессов, происходящих в грунтовой среде и не связанных с действием внешней нагрузки [62, 65, 73, 77, 95, 101, 124].
Наиболее распространёнными видами повреждений, возникающих в ходе эксплуатации ВПТ, являются неравномерность осадки звеньев ВПТ, их «растяжка» вдоль оси, а также сдвиг и крен оголовков. «Растяжка» трубы вдоль оси – самый распространённый дефект ВПТ. Ему сопутствует разрушение гидроизоляционного покрытия, что способствует активной фильтрации воды в тело дорожной насыпи. При значительной «растяжке» звеньев происходит: вымывание грунта основания сооружения и дорожной насыпи – это приводит к дополнительным, часто, неравномерным осадкам и разрушению дорожной одежды; активное перемещение частиц грунта по ВПТ, что, как правило, увеличивает заиливание ВПТ или износ водотока.
Осадки и «растяжки» ВПТ развиваются с момента отсыпки насыпи. Их основная часть приходиться на первые два-три года эксплуатации ВПТ. Затем процессы происходящие в грунтовой среде затухают. Наиболее подвержены влиянию деформационных повреждений ВПТ, работающие в суровых климатических условиях с большими амплитудами изменения температур, на обводнённых и слабых грунтах и др.
Причиной появления коррозионных повреждений является агрессивная хло-ридосодержащая среда. Основными источниками агрессивного хлоридного воздействия на ВПТ являются средства-антиобледенители, морская вода или солевой туман, характерный для приморских районов [92, 111, 154, 160, 161].
Коррозионные повреждения носят необратимый характер и способны значительно менять механические свойства материала конструкций и условия их работы в грунтовой среде. Величина повреждений зависят от вида напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкции, характера воздействия внешней среды на материал ВПТ и других факторов. В результате – снижение прочности и деформационных характеристик ВПТ.
Следует отметить, что методы проектирования и расчёта ВПТ не учитывают некоторые факторы реальной работы конструкции, оказывающей влияние на НДС элементов сооружения. Однако, разрушение ВПТ происходит крайне редко. Для корректного проектирования и расчёта ВПТ специалисты отрасли предлагают учитывать не предельное состояние окружающей грунтовой среды, а условия взаимодействия системы «грунтовая среда - сооружение» и работу по деформированной схеме (учёт геометрической нелинейности) конструкции.
Работы по изучению и разработке моделей деформирования различных элементов конструкций при комплексном воздействии нагрузок и агрессивных сред ведутся во многих научных центрах страны под руководством В. М. Бондаренко [12], Ю. М. Боженова [6], В. И. Соломатова [154], В. И. Римшина, И. Г. Овчинникова [109, 110], В. А. Игнатьева, Б. В. Гусева, В. Ф. Степановой, А. М. Пухонто [133], В. Д. Черкасова, Р. Б. Санжаровского, П. Г. Комохова, В. В. Петрова, В. К. Иноземцева, Е. А. Гузеева [41], В. П. Селяева [144] и др.
Таким образом, сравнение вариантов конструкций при проектировании новой трубы, реконструкции или капитальном ремонте существующей трубы, учёт реальных эксплуатационных условий работы ВПТ как с экономической, так и инженерной точки зрения является важной частью оптимизации технического решения [103].
Анализ конструкций водопропускных труб и затрат на их устройство В условиях стремительной глобализации мировой экономической системы, масштаб и уровень прогрессивного развития современных стран определяется несколькими ключевыми факторами. Одним из важнейших условий эффективного роста во всех отраслях народного хозяйства является скоростное, бесперебойное и безопасное транспортное сообщение.
Расчёт и проектирование арочных полуэллиптических водопропускных труб
С учётом изложенных обстоятельств и с целью упрощения реально сложной задачи ОПК ВПТ, примем следующую стратегию оптимизации арочных ВПТ, исследуемых в настоящей работе: для КО – примем стоимостной скалярный критерий оценки (ЛКО): /1(X) = f(X) = Си + ajxGij min, (2.1) число материалов, используемых при изготовлении Мэлементов ВПТ. Предполагается, что КО (все минимизируемые) строительно-монтажных f2(X) и дополнительных земляных /з(Х) работ, транспортных /А(Х) и эксплуатационных(- расходов и другие КО учитываются на стадии проектирования АД. В качестве ВП принята поэлементная декомпозиция: - ВП для полуэллиптической (ПЭ) оболочки: соотношение осей оболочки (ПЭО) при условии minx1 Х1 тахх1; Х2 = до - толщина оболочки при условии тіпх2 Х2 тахх2; для учёта ФО будем использовать метод отображений в допустимую область путём выполнения проектно-корректировочного расчёта (внутренняя задача ОПК) с помощью программного комплекса «Лира 9.4» и её подсистемы «Лир-АРМ», позволяющих обеспечить выполнение действующих нормативных требований по первой и второй группе предельных состояний.
Принятые решения по КО и ФО не могут вызывать сомнений и возражений - это общепринятая практика преодоления «проклятия» «много-» [7, 16].
Декомпозиция по ВП требует дополнительного обоснования. Предварительно отметим, что сопряжение полуэллиптической оболочки ПЭО и ОП выполняется по шарнирной расчётной схеме и замкнутый контур ПЭ-ВПТ имеет (с позиций статики строительной механики) одну лишнюю связь, т.е. является один раз статически неопределимой системой. Формально, передача усилий с ПЭО на ОП выполняется через «шарнирное» соединение с эксцентриситетом (см. ниже) – в этой связи перемещения шарниров «имеют место быть». Однако, эксцентриситет – не велик, а осевое растяжение ОП – ничтожно мало [42], поэтому, в первом приближении, этими величинами можно пренебречь.
В окончательном(расчётно-проектировочном) расчёте оценка НДС ПЭ-ВПТ выполняется с использованием комплексной расчётной схемы МКЭ с аналитической оценкой допущений, используемых при декомпозиции.
Изучение теории и анализ опыта проектирования ЖБ конструкций позволили установить, что определяющую роль в материалоёмкости (см. 2.1) арочных оболочек и плит имеет возникающие при внешнем воздействии изгибающий момент (Mи). При проектировании следует различать две принципиальных проектных ситуации: 1. Высота насыпи в месте установки ВПТ достаточная (рисунок 2.2а), чтобы строительный подъём трубы не лимитировал выбор варианта ВПТ и т.п.; 2. Высота насыпи над ВПТ не достаточная (рисунок 2.2б, в), чтобы выполнять условия п. 1 – тогда возникает необходимость решать многокритериальную задачу ОПК и учитывать стоимости строительно-монтажных и дополнительных земляных работ, транспортные и эксплуатационные расходы и т.п.; Решение, возникающей в п. 2, многокритериальной задачи оптимизации ВПТ с позиций теории ОПК – весьма сложная и не имеющая однозначного решения задача [7, 16, 43]. В этой связи, основываясь на опыте и рекомендациях профессоров В.П. Валуйских [23], И.Б. Лазарева [86], Я. И. Олькова и И. С. Холопова [112], будем рекомендовать (имея ввиду, что все ЛКО – стоимостные показатели) для получения обобщённого (интегрального) КО (ОКО) F(X) использовании метода линейной свёртки КО fк(X), к= 1, 2, …, К: F(X) = fe[dfe x fk(X)] - min , (2.2) где dк– коэффициенты «важности» ЛКО, коэффициенты «отдалённости» финансовых затрат и т.п., которые, как правило, назначаются на основании экспертных оценок, либо экономических теорий.
Отметим, что в проектной практике решение задачи (2.2) выполняется крайне редко по объективным (отсутствие конструктивной альтернативы), либо по субъективным (недостаточная информированность и квалификация проектировщика) причинам, что приводит к снижению экономической эффективности проектных решений и увеличению финансовых затрат на строительстве АД.
Исследование параметров арки полуэллиптических водопропускных труб Как отмечено в п. 1.3, наибольшее распространение на АД России получили круглые железобетонные ВПТ. Недостатки К-ВПТ представлены в главе 1. Рассмотрим арочные ЖБ ВПТ, выполненные из полуэллиптической оболочки и опорной фундаментной плиты. Как известно [42], арочные системы позволяют значительно уменьшить изгибающие моменты Ми и добиться рационального использования прочностных свойств бетона и ЖБ. Арочные ВПТ позволяют уменьшить строительный подъём трубы, что является особенно важным для большинства нечерноземных регионов России, имеющих преимущественно равнинный рельеф местности.
Как известно из курса ЖБ конструкций [8], бетон обладает высокой прочностью при действии сжимающих усилий, и низкой – при растягивающих, возникающих в частности при действии Ми. При изготовлении изгибаемых или внецен-тренно загруженных элементов используется железобетон с установленной рабочей арматурой в растянутой зоне. Следовательно, именно растягивающие усилия оказывают определяющее значение на материалоёмкость ЖБ изделий.
Согласно курсу строительной механики [42], рационально будет работать арка, ось которой будет близка к кривой давления внешней нагрузки. Отсюда возникает необходимость поиска геометрических параметров оси арки ВПТ, которым будет соответствовать минимальное значение экстремального Ми.
В соответствии с действующими строительными нормами [39, 150, 155], при расчёте ВПТ учитывается три схемы загружения: действие постоянной нагрузки от давления массива вышележащего грунта АД насыпи; постоянная нагрузка в сочетании с временной распределённой нагрузки от транспорта, приложенной симметрично по ширине ВПТ, и приложенной асимметрично – на половину ширины ВПТ [44, 50, 70] – рисунок 2.3.
Анализируя соотношения вертикальных и горизонтальных составляющих нагрузок для различных высот насыпи, были выдвинуты рабочие гипотезы о форме оси арки (полуэллиптическая – ПЭ) и выполнены предварительные исследования зависимости Ми от геометрических параметров оси [18, 20, 21, 22].
Проанализированы результаты расчётов для вариантов, эквивалентных по водопропускной площади К-ВПТ диаметром 1 м. При исследовании варьировался параметр x1=a/b – соотношение осей ПЭ арки. Расчёты НДС элементов производился МКЭ с помощью ПК «Лира 9.4». Расчётная МКЭ-схема приведена на рисунке 2.4. При x1=a/b=1 ПЭ арка «вырождается» в полукольцо, следовательно ПК-ВПТ является частным случаем ПЭ-ВПТ.
Определение водопропускной способности вариантов водопропускных труб
Для организации производства ПЭ-ВПТ (по рекомендации ГУП ДСУ-3) ис пользован цех ЖБИ ГУП ДСУ-3. Цех находится под управлением филиала ГУП ДСУ-3 «Ковровское ДРСУ», расположен в посёлке Мелехово Ковровского района Владимирской области на производственной площадке общей площадью более 20 тыс. м2 (рисунок 5.1). Площадь цеха составляет 1500 м2. В непосредственной бли зости от площадки проходит автомобильная дорога Р71 (М7 (Сенинские дворики) – Ковров – Шуя – Кинешма), на расстоянии менее 3 км проходит трасса М7 «Волга». Подъездные пути функционируют круглогодично. Кроме цеха ЖБИ, на территории площадки располагается асфальтовый завод, цех по производству до рожных знаков и другие вспомогательные производства, а также склады готовой продукции.
Основные проблемы работы предприятия заключаются в отсутствии устойчивого спроса на производимую продукцию. Данное положение дел установилось с момента введения системы государственных закупок, основанной на проведении торгов и тендеров. В результате основной потребитель – ГБУ «Владупрадор», был вынужден значительно сократить объёмы заказа продукции, что коснулось также ПК-ВПТ, аналоги которой по набору ТЭП в близлежащих регионах отсутствуют. Кроме ПК-ВПТ, номенклатура изделий цеха включает также ЖБ автопавильоны собственной разработки, дорожные плиты и т.д. Долговременное отсутствие устойчивого спроса на продукцию привело к появлению целого ряда экономических и производственных проблем.
К производственным проблемам относятся: значительный износ оборудования; отсутствие регулярной эксплуатации и, соответственно, технического контроля и т.д. Экономические проблемы заключаются в росте себестоимости продукции ввиду малых объёмов производства, что приводит к увеличению доли производственных и накладных расходов на единицу производимого продукта. В дополнение ко всему, цех имел котельное оборудование, работающее на мазуте, что также способствует удорожанию продукции. В 2012 году выполнено подключение газового отопительного оборудования, что позволило снизить себестоимость изделий.
Возрождение производственного цеха ЖБИ будет возможно при наличии эффективной системы маркетинга и управления. Задача данных служб должна заключаться в выяснении уровня спроса на ту или иную продукцию, потребности потенциальных потребителей, разработке мер быстрого реагирования производства на их запросы, установление продуктивных деловых контактов. Необходимо решение проблемы «одного заказчика», также необходима ликвидация высокой инертности цен, не позволяющей (при существующей системе финансирования АД хозяйства) успешно продвигать продукцию. В настоящее время персонал и подразделение, занимающийся решением поставленных выше задач, отсутствует.
Предлагаемый проект внедрения инновационных арочных ПЭ-ВПТ и ПК-ВПТ даёт шанс «выживания» производства ЖБИ в ДСУ-3.
Одним из основных этапов на пути внедрения предлагаемых арочных ПЭ и ПК-ВПТ является создание производственной оснастки для изготовления элементов ВПТ. С руководством ГУП ДСУ-3 рассмотрены два пути получения опалубочных форм (ОФ) – реконструкция имеющихся и изготовление новых. Было принято решение для ПЭ 10-60 и ПЭ 10-30 разработать и изготовить полный комплект новых ОФ.
Изучив действующие строительные нормативы и методические рекомендации по проектированию и изготовлению ОФ, был сконструирован и запроектирован комплект производственной оснастки для типоразмеров ПЭ-ВПТ ПЭ 10-30 и ПЭ 10-60, в том числе, для элементов оголовка.
Проектирование ОФ, отвечающих требованиям надёжности и экономичности изготовления и эксплуатации, потребовало формулировки отдельной задачи оптимизации и её решения с учётом технологических возможностей специализированного предприятия по изготовлению металлоконструкций г. Коврова (группа компаний «Контекс-Монолит»). При разработке учитывались технологические приёмы изготовления ЖБИ в цехе ГУП ДСУ-3.
Финансирование работ по разработке и изготовлению ОФ производилось из двух источников – средств ГУП ДСУ-3 и ООО «НПФ Поиск-М».
Предприятие ООО «НПФ Поиск-М» было создано в 2010 году при ВлГУ специально под реализацию проекта инновационных ВПТ. Договор на изготовление ОФ был заключен в феврале 2012 года. Опалубочный комплект был изготовлен и передан Ковровскому ДРСУ в июле 2012 г. Процесс изготовления и готовые ОФ представлены на рисунках 5.4 и 5.5.
