Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ МОДЕЛИ И РАСЧЕТНЫЕ МЕТОДЫ ДЛЯ ОПИСАНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА 11
Обзор и выбор расчётных комплексов МКЗ 36
Решение нелинейных уравнений методом длины дуги 50
Интерфейсные элементы 54
Гиперупругая модель материалов (HYPOELASTIC) 56
2.3.1 Общее представление о модели 56
Двухмерные элементы - две составляющих деформации (плоское деформированное состояние)59
Решение задач физического контакта в MSC.Marc. 60
2.4.1 Представление о задачах физического контакга 60
"Л
Закрытие трещины
Разрушение от сжатия
Автоматическое добавление интерфейсных элементов в сетку 74
Учёт усадки 86
ГЛАВА 3. ТЕСТИРОВАНИЕ РАЗРАБОТАННОЙ МЕТОДИКИ 97
Тестирование модели на неармнрованном бетонном "СТ" образце. 97
Результаты численного моделировании 103
Результаты экспериментальных испытаний 110
Численное моделирование МКЭ 113
ГЛАВА 4. ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННОЙ МЕТОДИКИ ДЛЯ РАСЧЁТА РЕАЛЬНОГО ЖЕЛЕЗОБЕТОННОГО РИГЕЛЯ 132
4.1 Общая часть 132
Описание .моделей МКЭ 138
Задачи КЭ моделей и нх общее описание 138
НДС ригеля от проектной расчётной нагрузки и необходимость в реконструкции 147
Расчёт НДС ригеля после усилении 149
Сводная таблица результатов 152
4.5. Выводы 154
ЛИТЕРАТУРА 158
А.1 Дополнительные результаты по модели №2.1 167
А.2 Дополнительные результаты по модели №2.2 168
А.З Дополнительные результаты по модели №2.3 170
ПРИЛОЖЕНИЕ (Б) 173
Введение к работе
Мосты относятся к конструкциям, которые эксплуатируются в сложных условиях, что оказывает значительное влияние на процессы развития и накопление повреждений. В процессе эксплуатации в мостовых железобетонных конструкциях образуются трещины и другие повреждения, которые в зависимости от своего характера и размеров могут оказывать существенное влияние на их прочность и долговечность. В случае возникновения значительных трещин в элементах мостовых конструкций, которые по длине и раскрытию превышают допустимые, необходимо оценить несущую способность элемента с повреждениями, прогнозировать их дальнейшее развитие и напряженно-деформированное состояние элемента после устранения повреждений и реконструкции.
В реальной конструкции могут одновременно присутствовать и развиваться трещины разных типов: силовые, температурно-влажностные и пр. Необходимо принимать во внимание проявление нелинейных свойств бетона, которые оказывают существенное влияние на развитие трещин и характер их распределения, а также то, что процесс трещинообразования носит многоуровневый характер.
Современная теория расчёта мостовых железобетонных конструкций должна позволять обоснованно использовать резервы несущей способности, связанные с ограниченным развитием пластических деформаций и других проявлений физической или геометрической нелинейности материалов в мостовых конструкциях. Одним из основных направлений теории расчета мостовых конструкций, в частности, железобетонных является разработка методов их расчета, адекватно учитывающих действительные условия работы конструкции, как при эксплуатационных нагрузках, так и в предельном состоянии.
В настоящее время метод конечных элементов (МКЭ) активно используется для расчета мостовых конструкций, однако, расчёт конструкций из железобетона всё ещё вызывает сложности, связанные с учетом его физических
особенностей.
Проблемы, возникающие при расчете по МКЭ, связанны с тем, что бетон имеет разные прочностные свойства при сжатии и растяжении; в процессе эксплуатации в нем возникают трещины, вызывающие перераспределение усилий, помимо этого ключевую роль в работе железобетона играет арматура, которая при определённых усилиях может проскальзывать в теле бетона, что существенно влияет на процессы трещинообразования. Многие расчетные комплексы, включающие модели ортотропных материалов, не позволяют учитывать разные пределы прочности бетона при растяжении и сжатии.
В связи с этим, тема диссертации посвящена развитию и внедрению численных методов расчета мостовых железобетонных конструкций, учитывающих действительный нелинейный характер работы бетона и арматуры под нагрузкой, образование и развитие трещин и особенности работы железобетонных элементов с трещинами, является актуальной.
Цель и задачи исследований.
Целью диссертационной работы является создание эффективной численной методики и программных средств для расчета напряженно- деформированного состояния железобетонных конструкций наиболее полно отражающей физическое поведение железобетона.
В соответствии с поставленной целью определены задачи исследований: анализ существующих методов расчета и результатов испытаний железобетонных конструкций с учетом нелинейного деформирования бетона и трещинообразования; разработка методики определения НДС пространственных железобетонных конструкций, основанной на методе конечных элементов, позволяющей учитывать силы сцепления бетона с арматурой, проскальзывание арматуры и концентрацию напряжений в арматуре в районе трещин, влияние прочностные свойства бетона на растяжение и сжатие с учетом нелинейного
поведения бетона, а также моделировать процессы образования и развития трещин на каждом шаге нагружения;
сравнение предлагаемого способа расчета с экспериментальными данными и существующими способами расчета изгибаемых железобетонных конструкций с учетом образования трещин;
Методика исследований.
Для решения поставленных задач был использован комплексный подход, включающий в себя анализ существующих методов и расчетных комплексов метода конечных элементов (МКЭ), выбор оптимальных программных средств на базе М8С.8ой\уаге, применение и разработка интерфейсных конечных элементов, входящих в состав элементной базы расчётного комплекса МБ С. Маге. При этом подробно рассматриваются основные характеристики системы "бетон-арматура" и нелинейные особенности этих материалов. Для проверки получаемых результатов использовались данные натурных испытаний.
Проведено обоснование расчетной модели МКЭ совместно с моделью материала, позволяющей задавать нелинейные ветви, как для сжатия, так и для растяжения путем тестирования на основе известных теоретических (СНиП 5201-2003) и экспериментальных решений.
Научная новизна работы
Впервые в РФ разработаны пространственные конечно-элементные модели, основанные на сочетании интерфейсных и твердотельных элементов, применении моделей, учитывающих нелинейные свойства материала и решении задачи физического контакта для расчета и исследования НДС железобетонных мостовых конструкций;
Разработана численная методика, позволяющая получать объемную картину трещинообразования в мостовых железобетонных элементах на каждом шаге
нагружения и показывать её развитие, а также определять причины возникновения образовавшихся трещин в этих конструкциях; Разработана методика определения НДС в мостовых железобетонных конструкциях, позволяющая учитывать совокупность таких особенностей, как нелинейность бетона, трещинообразование, сложное армирование, сцепление арматуры с бетоном и усадка.
Практическая ценность
Разработана методика расчета, которая позволяет определять НДС различных железобетонных элементов транспортных сооружений, в том числе массивных элементов не стрежневого типа с учетом процессов трещинообразования и других важных физических особенностей железобетона.
Разработана программа, позволяющая значительно упростить и ускорить процесс подготовки КЭ сетки для расчёта по предлагаемой методике. Разработаны рекомендации по применению методики расчета к анализу трещиностойкости в мостовых железобетонных конструкциях.
Достоверность положений и выводов
диссертации обеспечивается:
строгостью исходных предпосылок применяемых методов исследований; сравнением результатов тестовых расчетов и известных экспериментальных данных;
сопоставлением с известными положениями строительной механики, теории упругости, механики разрушения и теории железобетона; квалифицированным использованием известного лицензионного комплекса МКЭ - МБС.Магс.
На защиту выносятся:
результаты анализа отечественных и зарубежных методов определения НДС железобетонных конструкций;
« методика разработки моделей метода конечных элементов для расчета напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций мостовых сооружений, реализованная с использованием программного комплекса MSC.Marc;
результаты проверки достоверности разработанной методики;
результаты применения разработанной методики при определении причин возникновения дефектов в железобетонном ригеле, находящимся в стадии эксплуатации и определение его НДС с учетом имеющихся дефектов.
Реализация результатов.
Результаты работы нашли применение:
при разработке вариантов усиления ригеля по заданию ООО «lilil»Абсида», находящегося в стадии эксплуатации в ОАО «РусГидро -Чебоксарская ГЭС»;
при выполнении НИР кафедры по ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России».
в учебном процессе кафедры строительной механики МАДИ.
Апробация работы
Основные положения работы, результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались и обсуждались на конференциях: Форум MSC 2008 (одиннадцатой Российской конференции пользователей MSC), Форум MSC 2009 (двенадцатой Российской конференции пользователей MSC), на ежегодных научно-технических конференциях МАДИ, а также на кафедрах «строительной механики» и «мостов и транспортных тоннелей» МАДИ.
Публикации,
По результатам исследования опубликованы три печатные работы в профильных изданиях, в том числе одна в журнале, находящемся в списке ВАК РФ, в которых отражены все основные положения диссертационной работы.
Клейн В.Г., Колтаков П.В. Моделирование процесса образования дефектов в железобетонных балках с использованием МКЭ / Вестник МАДИ (ГТУ). - Вып. 2(17). - 2009. - С. 86-89.
Клейн В.Г., Колтаков П.В. Метод конечных элементов при расчётах железобетонных конструкций с учётом дефектов / Транспортное строительство, №10. - М., 2009. - С. 26-28.
Клейн В.Г., Колтаков П.В. Расчёт железобетонных конструкций с учётом дефектов методом конечных элементов / Строительные конструкции зданий и сооружений дорожного сервиса: сб. науч. тр. МАДИ (ГТУ). - 2009. - С. 51-61.
Структура и объем работы
Диссертация содержит 175 стр., 107 иллюстраций, 8 таблиц и включает введение, 4 главы, заключение, список литературы из 136 наименований и 2 приложения.
Диссертационная работа выполнена на кафедре строительной механики Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ).
