Содержание к диссертации
Введение
1. Исторический анализ известных конструктивных форм транспортных эстакад 10
1.1. Пролётные строения мостов из сборного железобетона 10
1.2. Несущие конструкции транспортных эстакад из сборного железо-бетона над путями рельсового транспорта и автомагистралями 28
1.3. Выводы по главе 1 . 36
2. Новые конструктивные решения транспортных эстакад из сборного железобетона . 39
2.1. Конструкции диафрагм и монтажных соединений продольных балок пролётного строения с поперечными диафрагмами 39
2.2. Усиление приопорных зон пролётных строений транспортной эстакады 48
2.3. Несущие конструкции двухуровневых галерей для возведения над существующими транспортными магистралями 53
2.4. Выводы по главе 2 60
3. Особенности технологии монтажа пролётных строений с поперечными сборными диафрагмами 62
3.1. Структура соединений элементов монтируемых пролётных строе-ний, минимизирующая влияние процесса реконструкции на функционирование надстраиваемой магистрали 62
3.2. Антикоррозионная защита трубчатых соединений 69
3.3. Выводы по главе 3 71
4. Расчётные математические модели для анализа напряжённо- деформированного состояния композитных пролётных строений транспортных эстакад с поперечными сборными диафрагмами 73
4.1. Глобальная конечно-элементная линеаризованная модель пролёт-ного строения со сборными диафрагмами 73
4.2. Конечно-элементная модель стыкового соединения сборных элементов 96
4.3. Выводы по главе 4 104
5. Вычислительная технология учёта нелинейного деформирования железобетона в балочных конструкциях 106
5.1. Разработка расчётного алгоритма анализа деформирования сечений железобетонных несущих элементов 106
5.2. Взаимодействие разработанной вычислительной технологии с линеаризованной расчётной моделью метода конечных элементов 123
5.3. Выводы по главе 5 132
Заключение 133
- Несущие конструкции транспортных эстакад из сборного железо-бетона над путями рельсового транспорта и автомагистралями
- Усиление приопорных зон пролётных строений транспортной эстакады
- Антикоррозионная защита трубчатых соединений
- Конечно-элементная модель стыкового соединения сборных элементов
Введение к работе
Актуальность и степень разработанности темы исследования.
В настоящее время в Российской Федерации и в других странах эксплуатируются и продолжают возводиться городские транспортные эстакады и развязки. Известная для таких объектов городской инфраструктуры идея об эффективности надстройки существующих железнодорожных магистралей, например, Московского узла, автодорожными галереями и даже зданиями более сложной структуры, признаётся вполне перспективной, но требующей существенного развития как конструктивных форм, так и технологий возведения новых инженерных сооружений. Сложившаяся практика показывает, что во многих случаях эстакады различных пролётов, протяжённости и формы в плане сооружаются из монолитного железобетона и сталежелезобетона. Вместе с тем, сборность таких конструкций позволила бы возводить эти сооружения в кратчайшие сроки на наиболее ответственных участках надстраиваемых магистралей, в том числе, при сохраняющемся интенсивном движении транспортных средств, а также там, где недостаточно территорий для организации больших площадок строительства.
Диссертация посвящена вопросам развития конструктивных форм пролётных строений транспортных эстакад-галерей из железобетонных монтажных элементов заводского изготовления, что в целом сводит к минимуму объёмы работ непосредственно на строительных площадках.
Индустриальные методы возведения мостовых конструкций из сборного железобетона определяются заводским изготовлением важнейших несущих элементов мостовых железобетонных конструкций опор и пролётных строений и их поточным монтажом на площадках строительства мостовых переходов и городских транспортных развязок. В то же время, одним из «слабых мест» любых сборных железобетонных конструкций справедливо считаются узлы стыковки монтажных элементов. При этом анализ возможности применения стальных замыкающих трубчатых элементов для соединения монтажных элементов сборных железобетонных пролётных строений автодорожных мостов не проводился. Развитие и обоснование математическим моделированием конструктивных форм железобетонных элементов сборных мостовых конструкций, для стыковки которых применяется техническое решение, сочетающее в себе простоту и сжатые сроки монтажа, а также достаточную несущую способность на стадии эксплуатации, является задачей актуальной и востребованной для практического использования.
В диссертации основой разработки конструктивных решений стала патентная заявка «Композитный несущий блок и монтажное соединение блоков сборной строительной конструкции» МГУПС МИИТ №2012128146/03 с приоритетом от 06.07.2013 г., а одним из результатов
развития указанного инновационного предложения стала подготовленная на базе рассматриваемой диссертационной работы заявка «Пространственная балочная конструкция из сборного железобетона» МГУПС МИИТ №2013152895 с приоритетом от 29.11.2013 г., находящаяся в настоящее время в процессе оформления.
Объект исследования - конструктивно-технические решения сборных железобетонных конструкций для мостовых сооружений.
Предмет исследования - стыковые соединения монтажных элементов сборных железобетонных пролетных строений автодорожных мостов.
Цель и задачи работы.
Целью диссертационной работы является разработка и обоснование конструктивных форм монтажных элементов сборных железобетонных пролётных строений автодорожных эстакад-галерей, стыкуемых с помощью стальных замыкающих трубчатых элементов, и разработка оптимальной по размерности расчётной математической модели таких монтажных соединений.
В работе решены следующие задачи:
выполнен анализ существующих конструктивных решений сборных железобетонных автодорожных пролётных строений мостов и двухуровневых эстакад в целом;
изучены применяемые и перспективные решения стыковых соединений сборных железобетонных конструкций для последующей разработки новых конструкций монтажных элементов;
разработаны новые конструктивные формы железобетонных монтажных элементов, стыкуемых с помощью стальных замыкающих трубчатых элементов, для пролётных строений автодорожных эстакад с промежуточными поперечными диафрагмами и для надстройки существующих магистралей эстакадами второго уровня и галереями;
разработаны расчётные математические пространственные модели автодорожного пролётного строения с промежуточными поперечными диафрагмами для оценки работы промежуточных поперечных диафрагм;
разработана оптимальная по размерности расчётная математическая пространственная модель замыкающего трубчатого элемента для оценки напряженно-деформированного состояния стальных замыкающих трубчатых элементов;
разработано программно-математическое обеспечение для расчёта поперечных сечений железобетонных элементов на косой изгиб и плоский поперечный изгиб с учетом требований действующих нормативных документов;
раскрыто влияние промежуточных поперечных диафрагм на перераспределение усилий между главными балками пролётного строения;
предложена последовательность монтажа новых сборных конструкций железобетонных пролётных строений, сводящая к минимуму
ограничения движения поездов по надстраиваемой магистрали в процессе строительства. Научная новизна работы.
Проведен анализ возможности стыковки монтажных элементов железобетонного пролётного строения при помощи стальных замыкающих трубчатых элементов без омоноличивания стыкового соединения.
Разработаны пространственные математические модели нового железобетонного пролётного строения автодорожного моста с промежуточными сборными поперечными железобетонными диафрагмами для оценки общей работы конструкции, для выявления наиболее нагруженных монтажных элементов и для моделирования работы новых стыковых соединений.
Разработаны геометрические и структурные характеристики монтажных элементов эстакады-галереи для надстраивания действующей магистрали с минимальным ограничением движения по ней транспорта. Методология и методы исследования.
Методологической базой исследований является анализ литературных источников по конструкциям сборных железобетонных мостовых сооружений.
В теоретических и численных исследованиях, выполненных в работе, использованы общие методы теории упругости и теории железобетона, методы математического моделирования конструктивных элементов.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций определяется соответствием результатам экспериментальных и теоретических исследований в данной области других авторов, известным принципам построения расчетных моделей метода конечных элементов, требованиям действующих нормативных документов, а также результатам, полученных с использованием сертифицированного программного обеспечения.
Практическая значимость и реализация работы.
Предложенные в диссертационной работе новые монтажные элементы для транспортных сооружений, включающих сборный железобетон, предназначены для изготовления на заводах железобетонных мостовых конструкций и могут использоваться для разработки новых технических решений мостовых сооружений и модификации существующих типовых проектов балочных железобетонных пролетных строений.
Конструкция стыкового соединения, использованного при разработке новых монтажных элементов, сводит к минимуму объёмы работ по омоноличиванию стыков, что существенно повышает темпы возведения мостового сооружения в целом.
Геометрия и технология установки разработанных монтажных элементов не требуют какого-либо нестандартного оборудования или специальной квалификации персонала на площадке строительства.
Разработанные расчётные математические модели пролётных строений автодорожных мостовых сооружений из сборного железобетона могут быть использованы проектными организациями, занимающихся проектированием мостовых конструкций, а также учреждениями, ведущими научное сопровождение проектирования объектов транспортного строительства.
С помощью компьютерных программ, разработанных в диссертации, и сертифицированных программ проведен сравнительный анализ пространственных расчётных схем сборных железобетонных пролётных строений мостов для нескольких уровней сгущения сетки конечных элементов. На основании серии проведённых расчётов были выработаны практические рекомендации по выбору оптимального уровня сгущения сетки конечных элементов в зависимости от задач конкретного расчёта.
Подана заявка в Роспатент РФ на изобретение «Пространственная балочная конструкция из сборного железобетона» № 2013152895 с приоритетом от 29.11.2013 г.
Апробация работы. Основные научные положения работы доложены:
-на научно-практической конференции «Неделя науки-2010. Наука -транспорту» (МИИТ). Москва 2010 г.
- на 69 Научно-методической конференции (МАДИ). Москва 2011 г.,
-на научно-практической конференции «Неделя науки-2013. Наука -
транспорту» (МИИТ). Москва 2013 г. На защиту выносятся:
новые конструктивные решения автодорожного сборного железобетонного пролётного строения с промежуточными поперечными диафрагмами, двухуровневой эстакады-галереи из сборного железобетона и варианта усиления надопорной зоны пролётного строения из сборного железобетона, в которых для стыковки монтажных элементов используются стальные замыкающие трубчатые элементы без омоно-личивания стыкового соединения;
новая расчётная математическая модель пролётного строения с промежуточными поперечными диафрагмами, в которой диафрагмы моделируются стержневыми конечными элементами без учёта замыкающих трубчатых элементов;
новая расчётная математическая модель пролётного строения с промежуточными поперечными диафрагмами, в которой диафрагмы моделируются пластинчатыми конечными элементами, а замыкающие трубчатые элементы моделируются стержневыми конечными элементами;
новая расчётная математическая модель замыкающего трубчатого элемента, в которой стыкуемые монтажные элементы моделируются стержневыми конечными элементами эквивалентной жесткости и
пластинчатыми конечными элементами; - результаты сравнительного анализа разработанных расчётных математических моделей. Публикации.
По материалам выполненных исследований опубликовано 6 работ, из них 4 в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ для кандидатских диссертаций. Объём работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего в себя 93 наименования. Общий объём диссертации составляет 170 страниц печатного текста, включая 71 рисунок, 10 таблиц и 6 приложений.
Несущие конструкции транспортных эстакад из сборного железо-бетона над путями рельсового транспорта и автомагистралями
Эффективные конструкции из сборного железобетона применимы для надстройки существующих транспортных магистралей вторым уровнем. Такая задача приобрела актуальность в последние годы для крупных городов нашей страны, в первую очередь для московского транспортного узла. Очевидно, что конструкция транспортной эстакады, возводимой, например, над действующей железнодорожной линией, помимо приемлемой стоимости сооружения, должна отвечать следующим требованиям: 1. Возведение конструкции должно в минимальной степени влиять на работу существующих магистралей. 2. Конструкция должна предусматривать возможность устройства проезжей части переменной ширины для организации развязок и промежуточных съездов. 3. Необходимо обеспечить безопасное функционирование надстраиваемых магистралей в режимах их нормальной эксплуатации и защиту возводимых конструкций от каскадных процессов разрушения при аварийных воздействиях техногенного и природного характера, а также от последствий террористических актов.
В работе В.М. Фридкина «Критерии технического регулирования проектных решений инженерных сооружений, возводимых в мегаполисах и крупных городах России над путями железнодорожного транспорта» (подготовлена к печати в журнале «Вестник МГСУ») приведен подробный перечень критериев технического регулирования таких линейно-протяженных конструкций, возводимых над действующими магистралями, на основе действующих отечественных нормативных документов и мировой практики эксплуатации аналогичных конструкций, к которым отнесены, в числе прочего, «…совмещённые переходы через водные преграды, а также совмещённые эстакады, включая транспортные развязки в городах и на выходах из крупных городов с двумя и более ярусами проезда для нескольких видов транспорта – автомобильного, железнодорожного, метрополитена, монорельсового, пешеходного, трамвая».
Относительная новизна самой потребности в подобных конструкциях и специфика их возведения предопределяют ограниченное число известных реализованных проектов в этой области. Среди первых городов, где появилась сеть двух и трехуровневых улиц и городских дорог можно назвать города Чикаго и Атланту, США. В центральной части этих городов в начале XX века остро встала проблема пропускной способности улиц. Для этого в Атланте в 20-е годы были сооружены бетонные эстакады [87], в результате нижний уровень стал использоваться преимущественно для служебного и грузового движения, а верхний стал основным. В настоящее время эта зона стала преимущественно торгово-пешеходной, поскольку границы города существенно расширились, и отпала необходимость использования этой территории по прямому назначению.
В Чикаго подобные улицы, возникшие в это же время, до сих пор используются по прямому назначению, при этом нижний уровень не имеет доступа для пешеходов и служит преимущественно для сквозного скоростного проезда автотранспорта, верхний – как обычные улицы [82]. Кроме того, в Чикаго существуют эстакады над улицами для линий метрополитена (рисунок 1.19). Такие эстакады сооружены в конце XIX века и эксплуатируются по настоящее время, но, в отличие от рассмотренных выше, они выполнены из металлических конструкций. Необходимо отметить, что осуществление таких проектов было невозможно без прекращения движения по надстраиваемой магистрали на время проведения работ.
К настоящему времени во многих крупных городах известны многоуровневые транспортные магистрали, своего рода, галерейные системы. Среди них значительную долю занимают железобетонные конструкции. Часто конструкция опор таких магистралей, например, в городах Мехико (Мексика) и Манила (Филиппины), представляет собой монолитную железобетонную раму, возводимую над магистралью 1 уровня (рисунок 1.20). На такие рамы устанавливаются в продольном направлении балки пролётных строений второго уровня. В Москве при сооружении участка монорельсовой транспортной системы над трамвайной линией использовалась следующая конструкция: на опоры, возведенные по обеим сторонам трамвайной линии, устанавливалась поперечная балка, на которую затем были уложены ходовые балки монорельса. Однако проведение строительных работ в 2002 г. потребовало прекращения движения трамваев на данном участке в течение нескольких месяцев (рисунок 1.21).
В то же время, в некоторых случаях такие конструкции сооружаются без прекращения движения по магистрали 1 уровня (рисунок 1.22). Такие примеры известны в Японии, где чрезвычайно высокая плотность городской застройки, с одной стороны, создает потребность в широком развитии многоуровневых транспортных эстакад, а с другой стороны, требует при их возведении или реконструкции минимально ограничивать движение на существующих транспортных путях. К примеру, при сооружении такой эстакады на магистрали «Аритас» за 4 года движение по действующей магистрали, остающейся на первом уровне, перекрывалось лишь 27 раз в ночь с субботы на воскресенье, в общей сложности на 348 часов [84].
Как отмечается в [84], на магистрали «Аритас» опоры сооружались из монолитного железобетона, где позволяло место на строительной площадке. В стесненных условиях монтировались стальные колонны, для чего требовалось перекрыть одну полосу движения. Затем, движение по магистрали останавливалось для установки на опоры стальных поперечных балок коробчатого сечения длиной 33 м, перекрывающих проезжую часть. Продольные балки устанавливались с минимальным ограничением движения двумя способами [84]: 1. Продольная балка устанавливалась на подмости параллельно действующей магистрали и затем сдвигалась в поперечном направлении по поперечным балкам в проектное положение. 2. Продольная балка перемещалась вдоль трассы до установки в проектное положение на многоосных транспортерах. В крупных городах Японии, в том числе, в Токио, железнодорожные пути проходят, как правило, по каменным или более современным железобетонным эстакадам. При этом пространство под эстакадой может использоваться максимально возможным образом вплоть до возведения зданий под пролётными строениями. Существуют конструкции таких эстакад из сборного железобетона, где опоры разнесены по сторонам пролётного строения, что конструктивно допускает движение транспорта на нижнем уровне (рисунок 1.23). Вместе с тем, такого использования пространства под железнодорожными эстакадами на практике не наблюдалось [89].
Усиление приопорных зон пролётных строений транспортной эстакады
Разрезные балочные пролётные строения, в том числе, новые конструктивные формы, рассмотренные в разделе 2.1, при всех преимуществах статически определимой схемы работы и относительной простоте монтажа, имеют повышенную строительную высоту для увеличения изгибной жесткости в средней зоне пролёта [74]. Для снижения строительной высоты однопролётные балки объединяют в продольном направлении в неразрезную структуру. В главе 1 рассматривался ряд известных способов создания неразрезной схемы работы для сборных железобетонных пролётных строений. Так, весьма распространено соединение выпусков рабочей арматуры в надопорной зоне балок смежных пролётов с дальнейшим омоноличиванием этой зоны, а также последующий пропуск по специальным каналам по длине всего мостового перехода пучков напрягаемой арматуры [80]. Вместе с тем, объём трудозатрат, связанных со стыковкой арматуры и монолитными работами, можно существенно сократить с помощью дополнительных конструктивных элементов, объединяемых в единую структуру трубчатым монтажным соединением [26]. Такие монтажные элементы делают возможным развитие рассмотренной в разделе 2.1 конструктивной формы в «упруго защемлённую», что должно способствовать более равномерному распределению изгибающих моментов от постоянной и временной нагрузки по всей длине мостового перехода. Поскольку рассматривается объединение пролётных строений перекрёстной структуры, то можно говорить о повышении совместной работы несущих элементов по всей площади сооружения. Дополнительные монтажные элементы, служащие для решения поставленной выше задачи, включают в себя: специальные надопорные железобетонные балки, воспринимающие значи тельную часть временной нагрузки в надопорных зонах и перераспределя ющую её между смежными продольными главными балками смежных про летов, металлические надопорные стяжки, служащие для недопущения темпера турных деформаций продольных главных балок смежных пролётов, металлические болты, служащие для крепления стяжек к главным балкам подобно замыкающим трубчатым элементам [26]. Принципиально создание упруго защемлённой конструкции из пролётных строений перекрёстной структуры представляет собой объединение в зоне опоры двух соседних главных балок одного пролёта и соосных с ними двух главных балок смежного пролёта с помощью дополнительной короткой железобетонной балки (рисунок 2.6). Этот монтажный элемент должен быть установлен на ригель опоры в средней зоне своего пролёта между главными балками параллельно их осям. Такая балка консольно выступает в каждый из смежных пролётов, перекрывая менее половины длины каждого смежного пролёта. Балка должна быть объединена с двух сторон с примыкающими главными балками соседних пролётов с помощью поперечных диафрагм, аналогичных подробно рассмотренных в разде ле 2.1. Соединение этой балки с диафрагмами осуществляется аналогично главным балкам с помощью замыкающих трубчатых элементов [26]. При этом целесообразно объединять диафрагмы с обеих сторон стенки через общие сквозные отверстия в ней. Рассматриваемая балка имеет двутавровое или тавровое сечение, в зависимости от условий работы (рисунок 2.7).
Если рассматривать поперечное сечение пролётного строения, балка должна свободно размещаться в пространстве, ограниченном стенками и плитами главных балок. Следовательно, эта балка имеет строительную высоту меньшую, чем, у главных балок на высоту плиты главных балок с необходимыми допусками. При этом в плане плиты главных балок частично перекрывают плиту дополнительной балки, что дает возможность объединить их в этом месте с помощью монтажного соединения [26].
Объединённые главные балки и дополнительные балки располагаются на ригеле общей промежуточной опоры. Количество монтажных соединений плит стыкуемых балок и поперечных диафрагм, необходимое для передачи усилия с главных балок на дополнительную балку, определяется в соответствии с расчётом. Оставшееся пространство между плитами соседних главных балок (над плитой дополнительной балки) может быть омоноличено и дополнительно включено в работу конструкции. Подобным образом объединяются все главные балки поперек моста, формируя упруго защемлённую структуру.
Необходимо отметить, что температурные деформации главных балок такой конструкции при перекрытии значительных пролётов могут вызывать чрезмерные дополнительные поперечные усилия в замыкающих трубчатых элементах между главными балками и дополнительной балкой, а также в поперечных диафрагмах. Для недопущения таких деформаций главных балок дополнительно могут быть применены металлические стяжки, объединяющие соосные балки соседних пролётов (рисунок 2.8). Крепление таких стяжек с обеих сторон стенок главных балок осуществляется металлическими болтами, проходящими через сквозные отверстия в стенках главных балок с помощью закладных деталей, аналогичных [26]. На концах металлических болтов приварены шайбы.
Необходимое количество монтажных отверстий и геометрические размеры стяжек могут быть определены расчетом. Такие отверстия могут располагаться как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости стяжки. Такое конструктивное решение технически оправдано для прямых участков трассы. Поперечный шов между плитами главных балок смежных пролетов заделывается для герметизации Т-образным металлическим профилем. В данном разделе был предложен способ создания упруго защемлённого пролётного строения перекрёстной структуры из сборного железобетона с помощью дополнительных монтажных элементов. Объединение монтажных элементов балок пролётных строений в упруго защемлённую схему предложенным способом позволяет: снизить строительную высоту конструкции, обойтись без омоноличивания надопорного стыка главных балок с объединением арматурных выпусков, что существенно повышает темпы возведения конструкции. Технология монтажа такого узла конструкции подробно рассмотрена в главе 3. Пролётные строения перекрёстной структуры из сборных железобетонных элементов (следовательно, пониженной строительной высоты) могут также найти применение в конструкции транспортных эстакад, надстраиваемых над действующими магистралями. Задача надстраивания действующих магистралей вторым уровнем может быть успешно решена применением сборных конструкций из железобетонных монтажных элементов, создаваемых по аналогии с рассмотренными в предыдущих разделах данной главы. К преимуществам такой конструкции относятся: технологичная стыковка монтажных элементов с помощью универсального монтажного соединения [26], большое количество однотипных и одинаковых монтажных элементов, что удобно для рассматриваемых линейно-протяженных конструкций, посколь ку упрощает промышленное производство элементов и поточный метод возведения, пониженная строительная высота пролётных строений, благодаря использованию перекрёстной структуры из совместно работающих продольных ребристых балок и поперечных диафрагм.
Для успешного использования рассмотренных в разделе 2.1 пролётных строений в качестве перекрытия над действующей магистралью необходимо разработать специфическую конструкцию опор, расположенных по краям проезжей части, а также предложить вариант защиты магистрали первого уровня от аварийных воздействий техногенного и природного характера. С этой целью в настоящем разделе рассмотрены следующие железобетонные монтажные элементы (рисунок 2.9): опорные стойки для прямых и кривых в плане участков трассы, ригель для установки опорных частей пролётных строений без существенного увеличения строительной высоты, блоки сборных защитных стен, ограждающих надстраиваемую магистраль первого уровня, вспомогательные монтажные элементы, обеспечивающие нормальную эксплуатацию транспортного сооружения.
Антикоррозионная защита трубчатых соединений
Наиболее распространенный вид коррозии металла – ржавление, представляющий собой окисление железа в среде с высокой влажностью [19, 61, 83]. Предотвращение образования ржавчины возможно при герметизации металла, когда исключается взаимодействие с влагой и воздухом. Изобретение [26] предполагает ряд мероприятий по герметизации выполненного трубчатого соединения монтажных элементов.
Во-первых, внутренняя часть замыкающего трубчатого элемента должна быть после установки заполнена бетоном для повышения прочности соединения (см. раздел 3.1). При этом, согласно действующему Своду правил [62] и ГОСТ [18], марка водонепроницаемости заполнителя должна быть не ниже марки бетона монтажных элементов.
Во-вторых, предполагается обваривание по контуру стыка между закладной деталью и замыкающим элементом с обеих сторон соединения. Поскольку в этом случае имеем два соосных трубчатых элемента, герметично сваренные по контуру с двух торцов, то допускается не наносить защитное покрытие на соприкасающиеся поверхности этих элементов в соответствии с п. 5.5.7 Свода правил [62]. Как отмечалось в разделе 3.1, перед установкой в проектное положение, эти поверхности должны быть очищены от возможных следов ржавчины или иной коррозии. В-третьих, необходимо выполнить антикоррозионную защиту получившегося сварного шва и торца соединения. Это возможно двумя способами: 1. Нанесение защитного покрытия (металлического и лакокрасочного) на открытые металлические части и сварные швы в соответствии со Сводом правил [62], как для обычных строительных металлоконструкций. 2. Создание специального защитного слоя поверх соединения. Этот способ представляется менее трудоёмким по сравнению с первым, однако в конструкции необходимо предусмотреть пространство около соединения под толщину защитного слоя. В то же время, такой защитный слой позволяет полностью скрыть из вида монтажные соединения, что важно при учёте эстетической составляющей. Выбор определенного способа герметизации соединения задается конкретными условиями строительства. Большинство новых конструктивных форм, представленных в главе 2, не содержат скрытых негерметичных полостей, периодическое обследование которых на предмет коррозионной повреждённости и восстановление защитного покрытия в процессе эксплуатации было бы затруднительно. Исключение составляет опорная стойка двухуровневой эстакады (рисунок 2.12). В этом узле центральное цилиндрическое отверстие, либо труба, установленная для усиления в это отверстие, а также зона сопряжения блоков защитной стены с опорной стойкой должны быть обработаны защитным покрытием на весь срок службы конструкции, поскольку доступ в эти области в дальнейшем станет невозможен. Это требование соответствует нормативным документам [18, 62]. Обработка открытых металлических стяжек (см. раздел 3.2) также проводится согласно действующим нормативным документам, как обычных металлических изделий.
Косвенно на коррозионную стойкость соединения влияют и используемые материалы. К примеру, высокопрочные бетоны обеспечивают лучшую защиту от коррозии [84]. Однако применение таких дорогостоящих материалов может быть целесообразно в первую очередь ради повышения прочностных характеристик конструкции. Поэтому улучшенная сопротивляемость коррозии этих инновационных материалов рассматривается лишь как дополнительное, но не определяющее преимущество их использования.
Таким образом, коррозионная стойкость монтажного соединения [26] в значительной мере зависит от герметичности его элементов в сочетании с нанесением обычно применяемых для открытых металлических закладных деталей защитных покрытий. В данном разделе было показано, как можно выполнить эти условия в соответствии с действующими нормативными документами.
В данной главе рассмотрены вопросы, касающиеся технологии монтажа новых конструктивных форм из сборного железобетона, предложенных в главе 2. Кроме того, представлены меры антикоррозионной защиты трубчатых соединений, с помощью которых выполнена стыковка основных несущих элементов таких конструкций. Из материалов главы 3 следуют выводы:
1. Монтаж новых конструктивных элементов и их стыковка с помощью трубчатых соединений [26] могут быть выполнены в сжатые сроки персоналом современных мостостроительных организаций, поскольку эта технология не требует длительного переобучения специалистов или освоения принципиально нового монтажного оборудования.
2. Предложенная последовательность сборки конструктивных элементов железобетонной эстакады над действующей магистралью допускает ограничения движения лишь на время предоставления «окон» для монтажа ригелей и на время монтажа пролётных строений.
3. В трубчатых соединениях, используемых для стыковки основных несущих элементов рассматриваемых конструкций, требуется специальная антикоррозионная обработка только двух торцевых зон на каждое соединение. Это связано с конструктивными особенностями такого соединения. Обработка открытых участков соединения, а также конструкции в целом может быть проведена рядом апробированных стандартных способов в соответствии с действующими нормативными документами.
Конечно-элементная модель стыкового соединения сборных элементов
В настоящем разделе рассмотрены вопросы моделирования работы универсального монтажного соединения [26] сборных железобетонных монтажных элементов по методу конечных элементов. Ввиду новизны такого способа соединения представлены принципиальные подходы к моделированию его работы в составе элементов мостовых конструкций. Вопросы оптимального конструирования под конкретные условия выходят за рамки данного исследования.
Решение задачи построения корректной конечно-элементной модели трубчатого соединения элементов пролётного строения проведено на примере модели пролётного строения перекрёстной структуры, разработанной в разделе 4.1. Расчёт по этой модели в комплексе «Катран» показал наиболее нагруженные поперечные диафрагмы. Определим напряжения в замыкающих трубчатых элементах монтажных соединений этих диафрагм. Корректность разработанной модели стыка оценивается по общим подходам к правильности генерации конечно-элементных сеток с учетом условий работы реального конструктивного элемента.
Моделируемые замыкающие трубчатые элементы монтажного соединения [26] (ключевой элемент данной задачи) представляют собой отрезки стальных труб стандартного сечения [16], т.е. цилиндрические оболочки. Следовательно, работу таких деталей корректно представляют пластинчатые конечные элементы. Как показывает практика расчётов подобных осесимметричных оболочек, приемлемая точность решения (погрешность определения максимального перемещения равна 3,1 %) достигается при разбиении поперечного сечения цилиндрической оболочки более чем на 20 конечных элементов [27]. В этом случае наблюдается достаточно гладкая аппроксимация окружности ломаной, составленной из пластинчатых конечных элементов. В продольном направлении при моделировании прямоугольными конечными элементами соотношение их сторон (продольное к поперечному направлениям) не должно превышать отношения 2:1.
Геометрические характеристики стандартных труб для нашего расчётного случая приведены в разделе 4.1. Замыкающие трубчатые элементы моделируются пластинчатыми конечными элементами в соответствии со своими реальными размерами. Размеры одного такого конечного элемента составляют в обоих направлениях порядка 1 см.
Бетон ребра продольной балки и полки поперечной диафрагмы моделируется по расчётным предпосылкам, сформулированным для всей конструкции в разделе 4.1, т.е. пластинчатыми конечными элементами, расположенными на срединной плоскости этих частей конструкции. Расстояние между этими плоскостями для нашей задачи составляет 20 см (геометрические размеры этой конструкции приведены в разделе 4.1).
Для учета отпора сжатого бетона стыкуемых блоков по всей их реальной толщине впервые применен подход, предложенный в диссертационной работе Шейн Аунг Туна [76] для моделирования работы тоннельной обделки в грунтовом массиве. Данный подход состоит в том, что взаимодействие внешней сплошной среды с цилиндрической оболочкой может быть эквивалентно представлено радиальными стержневыми конечными элементами со специально вычисленной эквивалентной жесткостью (рисунок 4.14). Эти элементы объединены жестким передаточным стержнем, проходящим по оси оболочки.
Применимость предложенной модели для анализа работы замыкающего трубчатого элемента подтверждена проверочным расчётом в комплексе Nastran [57] на модели из объёмных тетраэдрических 10-узловых конечных элементов. Рассмотрена тестовая задача по моделированию рассматриваемого монтажного соединения под действием равномерно распределенной единичной нагрузки. Перемещения, вычисленные по модели Nastran, представлены на рисунке 4.15. Как видно, сходимость результатов по двум тестовым моделям находится в пределах 10 %, при этом отмечена 80-кратная разница в количестве узлов сравниваемых расчетных моделей. После подтверждения достоверности предложенной модели оценим с её помощью напряжения в замыкающих трубчатых элементах двух диафрагм, расположенных в середине пролёта, наиболее нагруженных по изгибающему моменту в соответствии с Приложением Б.
Расчётная схема для определения эквивалентной жесткости стержневых конечных элементов представлена на рисунке 4.19. Рассчитываемая полка диафрагмы имеет две оси симметрии.
Полная расчётная схема стыка представлена на рисунке 4.20. Классы бетона для ребра балки (B35) и диафрагмы (B50) также отражены в эквивалентных жест-костях стержневых конечных элементов.
По полученным результатам (таблица 4.3) видно, что напряжения в стали замыкающих трубчатых элементов не превышают значения расчётного предела прочности для стали 10ХСНД Rs (3500 кг/см2), приведенного в нормах. Для обеспечения большего запаса прочности конструкция поперечных диафрагм допускает применение труб, имеющих больший диаметр или большую толщину стенки, однако назначение параметров монтажных соединений для конкретных условий представляет собой тему отдельного исследования и выходит за рамки настоящей работы.
Заметим, что такая подробная модель стыкового соединения оправдана лишь для исследования работы замыкающего трубчатого элемента. Количество узлов и конечных элементов при этом возрастает более, чем в 2,5 раза, а критерии сравнения предложенных моделей, указанные в разделе 4.1, отличаются менее, чем на 1 % (Таблица 4.4).
В данном разделе была предложена принципиальная расчётная модель стыкового соединения [26], с помощью которой можно определить напряжения, действующие в замыкающих трубчатых элементах этого соединения. Модель сформирована на основе известной практики расчёта элементов со сходными характеристиками и учитывает специфику условий работы моделируемых элементов, что позволяет судить о её достоверности. В разделе приведены общие практические рекомендации по параметрам сгущения конечно-элементной сетки, позволяющие использовать эту модель в расчётах реальных перспективных мостовых конструкций из сборного железобетона, использующих такое монтажное соединение.
В данной главе рассмотрены принципиальные подходы к генерации конечно-элементной сетки расчётной модели новых мостовых конструкций из сборного железобетона, использующих инновационное монтажное соединение [26].
По результатам исследования сделаны следующие практические выводы и рекомендации: 1. Применение промежуточных поперечных диафрагм повышает жесткость пролётного строения и приводит к более равномерному перераспределению усилий между продольными балками. В частности, наблюдается снижение усилий в рабочей арматуре балок. 2. Для оценки общей конфигурации пролётного строения перекрёстной структуры вполне применима разработанная упрощенная модель диафрагмы, в которой стенка диафрагмы моделируется одним стержневым элементом. Незначительная погрешность по сравнению с более точным решением компенсируется значительно меньшим числом узлов и конечных элементов, что существенно при вариантном проектировании. В частности, при практически одинаковых значениях максимальных прогибов и наибольших продольных усилий в рабочей арматуре главных балок отмечена 5-кратная разница в количестве узлов и конечных элементов расчетных моделей (упрощенной и уточненной). 3. Определить наиболее нагруженные диафрагмы позволяет разработанная уточненная модель, использующая пластинчатые конечные элементы для моделирования диафрагмы и стержневые конечные элементы для оценки усилий в замыкающих трубчатых элементах. 4. Разработана подробная модель рассматриваемого нового стыкового соединения, которая позволяет определить напряжения в замыкающих трубчатых элементах этого соединения. В рассмотренном примере эти напряжения не превышают своих предельных значений. Данная модель отличается тем, что стыкуемые монтажные элементы моделируются стержневыми конечными элементами эквивалентной жесткости и пластинчатыми конечными элементами. 5. Рациональный уровень сгущения конечно-элементной сетки, не приводящий к чрезмерному росту размерности задачи, способствует эффективному использованию вычислительной мощности, а в некоторых случаях и уменьшению ошибок, поскольку облегчает контроль над корректностью сгенерированной конечно-элементной сетки. Проведенное исследование подтвердило работоспособность предложенных новых конструктивных форм из сборного железобетона, использующих универсальные монтажные соединения [26]. Предложены варианты расчётных моделей, готовых для практического применения, которые позволяют оценить эффект использования таких конструкций в конкретных условиях строительства.
