Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Процесс формообразования строительных конструкций инженерных сооружений
1.1 Циклический характер процесса формообразования 50
1.2 Этапы циклов в процессе формообразования 52
1.3 Особенности циклов формообразования 60
1.4 Информационная среда создания и развития конструктивных форм 72
1.5 Выводы по главе 1 74
ГЛАВА 2. Система принципов формообразования строительных конструкций и особенности ее применения для проектирования сложных линейно-протяженных сооружений
2.1 Система принципов формообразования 77
2.2 Принцип безопасности 89
2.3 Принцип самосохранения 96
2.4 Принцип управляемости 102
2.5 Принцип композиции конструкционных материалов 108
2.6 Принцип структурирования 109
2.7 Принцип энергоемкости 117
2.8 Принцип объединения технологий 121
2.9 Примеры реализации принципов формообразования при разработке новых технических решений несущих элементов металлических, сталежелезобетонных и железобетонных конструкций
2.9.1 Цепные несущие элементы из универсального листового проката высокопрочных сталей 124
2.9.2 «Двухстержневые» пояса главных ферм сквозных металлических пролетных строений мостов 133
2.9.3 Композитный несущий элемент строительных конструкций 146
2.9.4 Вертикальные завесы из свай-оболочек и буровых свай 158
2.10 Выводы по главе 2 167
ГЛАВА 3. Общие особенности формообразования большепролетных сооружений
3.1 Важнейшие особенности большепролетных сооружений 170
3.2 Области возможных пролетов линейно-протяженных сооружений, определяемые ,из условий прочности и общей устойчивости.несущих элементов 173
3.3 О понятии «большой пролет сооружения» 181
3.4 Обобщенные неравенства ограничений пролета линейно-протяженных сооружений по условиям прочности и общей устойчивости несущих элементов 184
3.5 Примеры определения области возможных пролетов линейно-
протяженных конструкций 185
3.6 Выводы по главе 3 206
ГЛАВА 4. Конструктивные формы висячих мостов и методика интерактивного численного анализа их прочности и деформативности
4.1 Возможные направления развития конструктивных форм висячих мостов с учетом особенностей сопротивления системы висячего моста временным нагрузкам и воздействиям 208
4.2 Расчетные сочетания нагрузок 213
4.3 Методика определения усилий в кабеле 215
4.4 Расчетное сопротивление кабеля как агрегата из проволок 220
4.5 Геометрические параметры конструкции кабеля 226
4.6 Постоянные нагрузки на кабель 227
4.7 Постоянные нагрузки, равномерно распределенные вдоль пролета 228
4.8 Обобщение полученных формул 232
4.9 Временная вертикальная нагрузка на балку жесткости 233
4.10 Алгоритм определения расчетных параметров однопролетного висячего моста при заданной величине его пролета 239
4.11 Алгоритм определения области существования конструктивной формы однопролетного висячего моста с вертикальными подвесками 239
4.12 Алгоритм определения параметров бокового пролета и пилона трехпролетного висячего моста 241
4.13 Алгоритм приближенной оценки геометрических параметров и усилий в висячих мостах при нормативных вертикальных нагрузках 250
4.14. Выводы по главе 4 252
ГЛАВА 5. Особенности выбора конструктивных форм для линейно-протяженных сооружений больших и сверхбольших пролетов
5.1 Конкуренция между мостами вантовых и висячих систем 254
5.2 Конкуренты мостов больших и сверхбольших пролетов 267
5.3 Концепция совмещенного висячего моста сверхбольшого пролета 275
5.4 Выводы по главе 5 282
ГЛАВА 6. Особенности разработки и выбора конструктивных форм для транспортных эстакад
6.1 Области применения транспортных эстакад 283
6.2 Анализ параметров конструктивных форм эстакад для скоростного пассажирского транспорта 298
6.3 Особенности разработки конструктивных форм пролетных строений эстакад для отечественных монорельсовых транспортных систем 307
6.4 Проблема разработки и выбора конструктивных форм для сверхпротяженных железнодорожных эстакад и виадуков
6.4.1 Разработка новых технических решений металлических опор 315
6.4.2 Конструкционные материалы 317
6.4.3 Типы сечений несущих элементов опор 319
6.4.4 Структура каркаса опоры 321
6.4.5 Сталежелезобетонные пролетные строения эстакад 326
6.4.6 Технические требования к сверхпротяженным железнодорожным эстакадам для высокоскоростного пассажирского движения 336
6.5 Выводы по главе 6 343
ГЛАВА 7. Возможности математического моделирования процессов разрушения большепролетных сооружений
7.1 О методе расчета строительных конструкций по предельным состояниям 345
7.2 Энергетический «портрет» конструкции 355
7.3 Алгоритм поиска экстремумов энергетических функционалов строительных конструкций 367
7.4 Энергетические критерии разрушения конструкций 369
7.5 Выводы по главе 7 373
Заключение 375
Библиографический указатель
- Этапы циклов в процессе формообразования
- Принцип композиции конструкционных материалов
- Области возможных пролетов линейно-протяженных сооружений, определяемые ,из условий прочности и общей устойчивости.несущих элементов
- Методика определения усилий в кабеле
Введение к работе
1.1. Актуальность проблемы В начале XXI века четко проявляются новые тенденции в создании строительных конструкций для ответственных сооружений различного назначения и в учете специфических особенностей их безопасной длительной эксплуатации. Имеют место:
- увеличение размеров перекрываемых пролетов пространственных и
линейно-протяженных сооружений (возводятся общественные здания с
пролетами до 200 м и более, например, спортивные арены, плавательные
бассейны, велотреки, атриумы, выставочные и рыночные павильоны,
проектируются мосты с главными пролетами свыше 2... 3 км);
увеличение высоты сооружений: высота жилых и многофункциональных зданий в городах достигает 150...200 м, а зданий-«небоскребов» - 300...508 м; строятся «небоскребы» высотой до 808 м, проектируются - высотой до 1200... 1500 м; высота ряда существующих антенных сооружений находится в интервале 400...1000 м, высота вытяжных башен химических предприятий находится в области размеров до 400...600 м; в Австралии проектируется башня высотой 1000 м для комплекса оранжерей и энергоустановок;
усиление внимания к архитектуре возводимых сооружений, интерес к отражению в их облике современных тенденций развития архитектуры, поиск новых архитектурных направлений, опирающийся на достижения науки и строительных технологий;
- потребность в проведении реконструкции промышленных зданий для
реализации в них современных технологических процессов - с новой
номенклатурой выпускаемой продукции, с заменой основного оборудования и,
возможно, с изменением конструктивных схем каркаса сооружения;
- проявление низкой «живучести» некоторых построенных в последние три
десятилетия XX века и даже позже большепролетных и высотных зданий при
реализации природных и техногенных опасностей, в том числе -
террористических угроз, а также, в ряде случаев, при недостаточном внимании
проектировщиков и строителей к специфическим требованиям обеспечения
надежности сооружений, вмещающих и ежедневно размещающих в себе
одновременно сотни, тысячи и десятки тысяч человек;
- значительный и все нарастающий износ сооружений, возведенных во
второй половине XX века и раньше, не оправдавших надежд на их «безбедное»
существование в течение многих десятилетий и требующих незамедлительной
реконструкции, а в большинстве случаев - сноса и замены;
- понимание необходимости развития транспортной сети России в северном
и северо-восточном направлениях в северо-западной европейской и азиатской
частях страны; усиление, в связи с этим, интереса к разработке современных
технических решений сверхпротяженных железнодорожных эстакад - в
составе намечаемых трансконтинентальных магистралей, которые должны в
XXI веке пройти, по возможности, кратчайшими трассами по территории
России, включая горные районы, на протяжении тысяч километров (с
примыкающими однопутными линиями в зоны крупных месторождений углеводородов, угля, руд металлов) в труднодоступной малонаселенной местности, в том числе в условиях сурового климата, болот, тайги, тундры, вечной мерзлоты, требующих пересечения мостами и (или) подводными тоннелями сложнейших речных и морских преград;
большая потребность в создании принципиально новых по уровням обеспечения безопасности и долговечности инженерных барьеров в составе комплексных природно-техногенных мультибарьеров для развития атомной (в том числе атомно-водородной) промышленности и энергетики, для захоронения высокоактивных и среднеактивных атомных отходов и отработавшего ядерного топлива, а также других вредных долгоживущих веществ, порождаемых атомной, химической и нефтехимической отраслями промышленности;
необходимость, в связи с нарастанием террористической угрозы, пересмотра концепции возведения промышленных и защитных сооружений: подземных, приземных и пространственных большепролетных надземных -над существующими ядерными, химическими и другими промышленными объектами, как возможными мишенями для изощренных террористических атак;
- развитие идей и разработка пионерных проектов дальнейшего изучения и
освоения уже в первой половине XXI века дна морей и океанов на глубинах от
десятков метров до 500...3000 м, в том числе путем создания подводных
стационарных объектов для добычи углеводородов на участках шельфов,
извлечения полезных минералов из океанских вод и создания для реализации
этих планов новых сооружений и транспортных средств;
- осознание большинством ученых и инженеров, а также многими
политиками необходимости реализации всех проектов XXI века в условиях
нарастающего влияния на экономику, в том числе и на условия производства,
глобального изменения климата Земли при исключительной сложности
разработки теоретических моделей для прогнозирования природных процессов
с учетом техногенных (антропогенных) факторов;
проявление, в той или иной мере для всех регионов России, последствий глобальных изменений климата, что, в первую очередь, связано с увеличением расчетных расходов стока сезонных осадков, отступлением вечной мерзлоты, увеличением высоты уровня моря, опасностью нарастания активности карстовых, карстово-суффозионных и оползневых процессов, увеличением расчетных скоростей ветра, изменением частоты возникновения и интенсивности смерчей и шквалов;
уточнение оценок сейсмотектонической активности отдельных регионов России (в сторону увеличения сейсмичности площадок строительства) и потребность возведения в таких районах ответственных сооружений;
- наличие научно обоснованной, хотя и маловероятной в течение
ожидаемых (или планируемых) сроков службы сооружений, опасности
столкновений Земли с космическими телами с характерными размерами
порядка (как минимум) нескольких десятков или сотен метров, что может
привести к неблагоприятным сейсмологическим и климатологическим последствиям, в том числе и для наиболее ответственных инженерных объектов на территории всех регионов России; для наиболее важных объектов при их проектировании это обстоятельство должно влиять на обеспечение достаточного уровня живучести строительных конструкций;
увеличение потребности в проведении квалифицированной научно-технической экспертизы проектов строительства и реконструкции сложных инженерных сооружений, для чего необходимо развитие принципов объективной оценки безопасности и эффективности разрабатываемых технических решений с учетом реалий XXI века;
необходимость совершенствования учебного процесса в вузах для выпуска новых поколений инженеров-строителей, хорошо подготовленных к инженерной и организационной деятельности в специфических условиях России первых десятилетий XXI века.
От строительной науки в связи с перечисленными выше обстоятельствами, требующими расширения поиска новых технических решений, сейчас и далее следует ожидать, в первую очередь, увеличение внимания к методологическим аспектам инженерного творчества. Невозможно замыкаться только в экстраполяции проверенного практикой применения известных технических решений на более сложные условия возведения и эксплуатации новых объектов. Опасно предлагать и не вполне обоснованные новые технические решения при создании ряда современных ответственных инженерных сооружений, пусть даже, на первый взгляд, и удовлетворяющие технологическим и социальным заказам инвестиционных программ. Такие программы не всегда далеко просчитаны, и, возможно, вытекают из желания получить в кратчайшие сроки сверхвысокие прибыли без тщательного анализа длительных экологических, экономических и социальных последствий эксплуатации возведенных объектов.
1.2 Цель и задачи диссертационной работы
Из предпосылок, изложенных выше в п.п. 1.1, следует выбор цели диссертационной работы: опираясь на исторический опыт развития отечественных металлических строительных конструкций и достижения мостостроения, обобщить и развить методологические концепции создания и выбора для практического применения в сопоставлении с известными техническими решениями новых конструктивных форм инженерных сооружений, в первую очередь - большепролетных и сверхпротяженных объектов транспортной инфраструктуры с учетом специфики природных и социально-экономических условий Российской Федерации.
Для достижения намеченной цели, исходя из опыта инженерной и научной деятельности автора, в диссертации решались следующие задачи.
Ввести систему важнейших понятий, определяющих объекты анализа в теории формообразования строительных конструкций, по принципу «от простого - к сложному»; с помощью такой системы упрощается обеспечение необходимой четкости изложения и обоснования результатов работы.
Раскрыть циклический характер процесса формообразования и развития конструктивных форм, что позволяет наиболее отчетливо выявить этапы перехода от комплекса конструктивных идей к результату их реализации в создаваемых сооружениях.
Построить расширенную систему принципов формообразования строительных конструкций и обосновать в рамках темы диссертации ту группу принципов, которые в наибольшей мере отражают непосредственно процесс конструирования и определяют его результаты.
Рассмотреть особенности формообразования несущих конструкций линейно-протяженных сооружений, перекрывающих большие пролеты, опираясь, в первую очередь, на опыт мостостроения. В связи с постановкой этой задачи рассмотреть определения понятий «большой пролет сооружения» и «область существования пролетов конструктивной формы линейно-протяженного сооружения»; разработать методику и расчетные модели для использования введенных понятий при анализе качества технических решений большепролетных объектов.
Предложить и обосновать новый подход к анализу предельных состояний сооружений по прочности для повышения эффективности применения «принципа безопасности» при проектировании новых и мониторинге существующих сооружений.
Опираясь на выдвинутую систему принципов формообразования, показать возможности применения этих принципов для поиска и обоснования новых конструктивных форм мостов с пролетами в сотни и тысячи метров, сверхпротяженных эстакад, преимущественно для рельсовых видов транспорта, подводных тоннелей и некоторых сооружений - объектов других классов строительных конструкций и других технических систем.
Такая целевая установка диссертации определяет актуальность направленности ее содержания в первую очередь, на разработку методов оценки инновационного уровня технических решений, необходимого для удовлетворения потребностей экономики и техники XXI века в области инженерных сооружений больших пролетов и большой протяженности.
1.3 Научная новизна
- Разработана и обоснована новая обобщенная система критериев формообразования строительных конструкций, как совокупности современных методологических подходов к поиску направлений и к оценке результатов выбора новых конструктивных форм в различных областях строительства, но, в первую очередь, для линейно-протяженных сооружений с большими пролетами или сооружений с очень большим количеством пролетов. Выдвинутые принципы формообразования обеспечивают выполнение многокритериального сопоставительного анализа объектов проектирования на любых стадиях разработки проектной документации. Это должно способствовать формированию при проектировании наиболее конкурентоспособного набора вариантов намечаемых технических решений, включающего
как известные и имеющие опыт практического применения, так и новые конструктивные формы.
- На основе предложенных принципов формообразования рассмотрены
особенности ряда предлагаемых автором новых конструкций:
цепных несущих элементов из универсального листового проката высокопрочных легированных сталей для перекрытия больших пролетов,
композитных (сталежелезобетонных) несущих элементов для различных отраслей строительства и других объектов техники.
- В развитие ранее выполненных автором (или с его участием)
разработок предложены и рассмотрены на основе выдвинутых принципов
формообразования новые концептуальные технические решения:
висячая система совмещенного моста сверхбольшого пролета (4000 м); металлические опоры и сталежелезобетонные пролетные строения железнодорожных эстакад для эксплуатации в суровых климатических условиях;
пролетные строения эстакад для монорельсового транспорта;
вертикальные инженерные барьеры большой протяженности из буровых свай и свай-оболочек (железобетонных и сталежелезобетонных), погружаемых в грунт на глубину до 60...75 м, - для изоляции опасных производств и хранилищ вредных отходов этих производств, для защитных сооружений, а также для подпорных стен, берегоукрепительных сооружений и для некоторых видов фундаментов;
Не имеющие припортальных выемок подводные тоннели для рельсового транспорта на электрической тяге, в том числе - типа трансбордеров,.
- Предложен новый концептуальный подход к анализу технической безопасности строительных конструкций. Этим подходом предусматривается поиск максимумов функции внутренней потенциальной энергии деформации для дискретной конечноэлементной математической модели сооружения в целом и, одновременно, для любого её фрагмента - при развитии во времени и в пространстве заданного случайного линейно независимого набора перемещений. На любом этапе деформирования системы, в общем случае нелинейного, этот набор может дополняться для корректировки изменяющихся при деформировании граничных условий и условий работы внутренних связей модели. При этом в процессе развития перемещений системы в заданной по координатам области, в течение заданного отрезка времени, от шага к шагу математические модели конечных элементов должны индивидуально пересматриваться и, при необходимости, перестраиваться.
При рассмотрении реальных расчетных внешних нагрузок и воздействий такая модель анализирует возможность совершить ими работу, достаточную для достижения системой экстремальных энергетических состояний, определяемых с точностью до уровня аппроксимации перемещений и до уровня вводимых в анализ математических моделей взаимосвязи между деформациями и напряжениями. Для практических расчетов сооружений по проверке критериев формообразования, имеющих математические формулировки, предложенный подход исходит из возможности использования
вычислительных моделей, опирающихся на применение современных и перспективных многопроцессорных систем сверхвысокого быстродействия с параллельной архитектурой организации вычислений.
- Для предварительного подбора рациональных параметров конструктивных форм линейно-протяженных сооружений на этапе обоснования инвестиций разработаны алгоритмы и программы (в среде Microsoft Excel.Ink) оценки технических показателей намечаемых вариантов в интерактивном режиме на персональных компьютерах.
В целом на базе указанных выше теоретических разработок в диссертации сформирована новая методологическая основа развития конструктивных форм линейно-протяженных инженерных сооружений, предназначаемых для перекрытия, в первую очередь, в сложных природно-климатических условиях ряда регионов Российской Федерации, пролетов в сотни и тысячи метров или являющихся эстакадами сверхбольшой протяженности и виадуками.
1.4 Практическая значимость работы
Результаты представленного к защите исследования способствуют формированию при проектировании наиболее конкурентоспособного набора вариантов намечаемых технических решений сооружений, включающего как известные и имеющие опыт практического применения, так и новые конструктивные формы. Применение предложенной системы принципов формообразования позволяет провести на любых стадиях разработки проектной документации многокритериальный сопоставительный анализ объектов проектирования.
Разработанную на основе анализа процессов развития конструктивных форм, опыта исследований и проектирования большепролетных и сверхпротяженных инженерных сооружений систему принципов формообразования строительных конструкций, как критериев выбора наиболее безопасных и эффективных технических решений, целесообразно использовать при проведении научно-технических экспертиз ответственных сооружений различного назначения.
Результаты диссертации использованы при разработке в МИИТ технических требований к железнодорожным сверхпротяженным эстакадам для высокоскоростной линии Москва - Санкт-Петербург (2005 г.), для предварительной проработки концептуальных решений мостового перехода через Берингов пролив, эстакад и виадуков на приполярной железнодорожной магистрали «Восток-Запад», надземных магистральных трубопроводных линий на полуострове Ямал (2006, 2007 г.г.), и используются (2008 г.) для разработки технических требований по проектированию мостов и водопропускных труб на экспериментальном участке строящейся железнодорожной линии Обская - Бованенково на полуострове Ямал.
Диссертация в значительной части своего объема может быть востребована с целью подготовки в строительных вузах учебных пособий для студентов. Материалы диссертации могут заинтересовать соискателей,
аспирантов и преподавателей вузов, специализирующихся или работающих в области теории линейно-протяженных сооружений.
1.5 Вопросы, выносимые на защиту На защиту выносятся результаты решения автором сформулированных в п. 1.2 задач, обеспечивающих достижение цели диссертационной работы:
-
система важнейших понятий, определяющих объекты анализа в теории формообразования строительных конструкций;
-
положение о циклическом характере процесса создания и развития конструктивных форм в строительстве и особенности реализации этого процесса для большепролетных и сверхпротяженных инженерных сооружений;
-
система принципов формообразования строительных конструкций;
4) обоснование нового энергетического подхода к анализу предельных
состояний сооружений по прочности на основе рассмотрения на уровне
предложенных автором математических моделей процесса нарастания
перемещений сооружения в заданных по координатам областях движения
конструкций на заданных отрезках времени деформирования;
5) методика и математические модели приближенной оценки техни-ческих
решений большепролетных линейно-протяженных сооружений на основе
анализа «области существования пролетов конструктивной формы» и
получения оперативных оценок изменений ее геометрических параметров и
физико-механических характеристик конструкционных материалов;
6) оценка эффективности предложенной автором системы «принципов
формообразования» для поиска и обоснования новых конструктивных форм
большепролетных и сверхпротяженных инженерных сооружений.
1.6 Апробация работы
Представленная работа опирается на результаты научной и проектной деятельности автора по развитию известных и поиску новых технических решений линейно-протяженных сооружений, включая разработку и внедрение в практику проектирования новых расчетных методик, в том числе используемых при проектировании объектов с новыми конструктивными формами. Эта деятельность отражена в Научно-технических отчетах по законченным НИР и НИОКР, перечень которых (50 отчетов) представлен в Приложении 1 к диссертации, выполненных в период с 1967 по 2006 годы под руководством автора или с его участием.
Отчеты по НИР и НИОКР утверждены и зарегистрированы в установленном порядке. Все исследования, в том числе и поисковые, проводились в соответствии с рабочими программами. Часть из указанных выше исследований в период до 1992 г. входила в научно-технические программы отраслевого, регионального и общегосударственного уровней, что отражено в наименованиях отчетов, представленных в Приложении 1, но без ссылок на не актуальные сейчас наименования и шифры таких программ. Наиболее интересные в концептуальном отношении исследования из этого перечня получили и продолжают получать дальнейшее развитие, и отражены ниже в главах 2, 4, 5 и 6 диссертации.
Результаты перечисленных в Приложении 1 работ обеспечили обоснование ряда новых и совершенствование некоторых известных конструктивных форм строительных конструкций и внедрены в проектирование и строительство, включая мостостроение, частично - в нормы проектирования, в методические рекомендации по проектированию. В целом результаты внедрения указанных исследований автора стали предпосылкой к апробации представленной диссертации. Диссертационная работа прошла апробацию по следующим направлениям.
Во-первых, в работе отражен опыт официального участия автора (1986-2007 г.г.) в проведении экспертиз проектов строительства, реконструкции и эксплуатации мостовых и других объектов (в том числе находившихся в аварийном состоянии), а также в проведении экспертиз при авариях сооружений и в принятии решений по ликвидации аварий или по выводу объектов из аварийных состояний (в Приложении 2 к диссертации). Методологические положения работы непосредственно использовались автором при проведении ряда указанных выше экспертиз и подготовке экспертных заключений.
Во-вторых, основные результаты выполненных по теме диссертации НИР и положения диссертации доложены на следующих научных конгрессах, конференциях, симпозиумах международного, всероссийского и регионального уровней (все содокладчики, при их наличии, указаны в «Библиографическом указателе» диссертации):
на международном симпозиуме IABSE (АИПК) «Основные направления развития стальных конструкций и современные методы их изготовления», Москва, 7-8 сентября 1978 г.;
на совещании-семинаре «Исследования, разработка и внедрение висячих систем в покрытиях и инженерных сооружениях». ИАСС, Украинское РП НТО «Стройиндустрия», ГПИ «Укрпроектсталъконструкция», КиевЗНИИЭП; Киев, 20-22 октября 1982 г.;
на 13 международном конгрессе АИПК. Хельсинки, 6-10 июня 1988 г.;
на международном коллоквиуме АИПК «Болтовые и специальные монтажные соединения в стальных строительных конструкциях», Москва, 15-20 мая 1989 г.;
на VII симпозиуме Международной ассоциации по гидравлическим исследованиям (МАГИ) по градирням и брызгальным бассейнам, Ленинград, 29 мая - 05 июня 1990 г.;
на Республиканской научно-технической конференции «Создание ресурсосберегающих машин и технологий», Республика Беларусь, Могилев, Министерство образования и науки РБ, 24-25 октября 1996г.;
на IV Международной конференции «Nove smery vo vyrobnych technologiach' 99», Slovenskd Republika, Presov, 17-18 июня 1999 г.;
- на научно-практической конференции «Проектирование и строитель
ство транспортных объектов в условиях Республики Саха (Якутия)», Якутск,
20 июня 2003 г.;
- на Международной научно-практической конференции «Транссибирская
магистраль на рубеже XX-XXI веков: пути повышения эффективности ис
пользования перевозочного потенциала»; Москва, МИИТ, 24-25 апреля 2003 г.;
на Международной научно-практической конференции «Инженерное искусство в развитии цивилизации»; Секция «Мосты, тоннели, дороги»; Москва, 24 сентября 2003 г.;
на научных симпозиумах «Неделя горняка»: Семинар № 6 - МГГУ; Москва, 24-28 января 2005 г., Семинар № 10 - МГГУ, Москва, 23-28 января 2006 г., Семинар № 10 -МГГУ, Москва, - 22-26января 2007 г.;
на Международном научно-техническом конгрессе по безопасности «Безопасность - основа устойчивого развития регионов и мегаполисов»; Москва, 2-16 ноября 2005 г.;
на Международной конференции «Геомеханика. Механика подземных сооружений»; Тула, Россия, 12-14 сентября 2006г.;
на научно-практической конференции «Безопасность движения поездов»; Министерство транспорта Российской Федерации, ОАО РЖД и др.; Москва, 26-27 октября 2006 г.;
на научно-методической конференции «45 лет Белорусско-Российскому университету»; Республика Беларусь, Могилев, 16 ноября 2006 г.
В-третьих, по теме диссертации автором опубликовано более 60 работ, включая монографию, а также получено 27 авторских свидетельств СССР, патентов Российской Федерации и Республики Беларусь, включенных в «Библиографический указатель» диссертации с указанием всех соавторов публикаций и изобретений. В настоящее время (2008 г.) продолжается работа по патентованию ряда разработок, представленных в диссертации «на правах рукописи».
1.7 Личный вклад автора
Все положения диссертационной работы выдвинуты и обоснованы лично ее автором. Все материалы других авторов, использованные для обоснования положений диссертации, приведены с точными ссылками, включенными в «Библиографический указатель» диссертации. Во всех необходимых случаях отмечается уровень участия отдельных специалистов в разработке под руководством автора диссертации содержащихся в ней предложений по новым конструктивным решениям.
Представленные «на правах рукописи» в диссертации разработки по конструктивным идеям автора, не имеющие ссылок на «Библиографический указатель» и научно-технические отчеты по темам НИР или НИОКР из Приложения 1 диссертации, осуществлены автором вне научной или проектной деятельности каких-либо предприятий и учреждений.
Автор выражает глубокую благодарность всем коллегам и участникам творческих коллективов, в среде которых шел процесс формирования основных идей представленной диссертации.
1.8 Структура и объем диссертационной работы
Диссертация включает введение, семь глав, заключение и два приложения. Каждая глава завершается параграфом «Выводы по главе...», а работа в целом
разделами: «Заключение», «Библиографический список» и «Приложения». В диссертации многократно используются также ссылки на монографию автора «Принципы формообразования в теории линейно-протяженных сооружений» (научно-техническое издание. - М.: Изд. «Ладья», 2006. - 512 с), в 12 приложениях которой содержатся разработанные автором информационно-аналитические материалы, дополняющие основные положения диссертации.
Полный объем диссертации составляет 434 страницы (21,7 авторских листов), включая 61 рисунок и 17 таблиц. Основной текст (без заглавия, оглавления, библиографического указателя, рисунков и таблиц) занимает 373 страниц, в том числе 2 приложения на 13 страницах. Библиографический указатель включает 385 источников и размещен на 42 страницах.
Этапы циклов в процессе формообразования
Здесь рассмотрен наиболее полный по количеству шагов цикл формообразования, столь характерный для крупных мостов. Однако из описания цикла исключены процедуры, связанные с определением подрядчиков на проектно-изыскательские работы, на строительство, на контроль его качества, на содержание объекта и т.п., поскольку предполагается, что сущность процесса формообразования должна сохраняться в любых исторических и экономических условиях и при любой законодательной базег -Но отрицать влияние этих во многом субъективных факторов на рассматриваемый процесс невозможно, и их учет полностью связан с реализацией при создании и развитии конструктивных форм принципов формообразования, рассмотренных ниже в главе 2. С определенной условностью выделены и поименованы 12 этапов одного наиболее полного цикла формообразования, показанного на диаграмме (рис. 1.1).
Этапы, в основном, общеизвестны, и через них проходит весь труд и всё творчество строителей. В циклах отдельных сооружений некоторые этапы могут осуществляться в минимальных объемах или вообще отсутствовать, что может относиться ко второму, четвертому (или пятому) и шестому этапам. Последнее обстоятельство, скорее всего, свидетельствует о негативных тенденциях в развитии конструктивных форм и требует пристального внимания специалистов и, в первую очередь, экспертов и заказчиков сооружений. Поэтому отчетливое представление о цикличности процесса формообразования имеет большое практическое значение.
После определения и описания этапов, представленных на диаграмме, рассматривается взаимосвязь между ними. Процесс эксплуатации сооружения состоит из нескольких возможных этапов и может включать эксплуатацию временную, опытную, постоянную - до ремонтов, после ремонтов, до реконструкции и после реконструкции. Реконструкций в истории сооружения может быть несколько. При повторном применении конструктивных форм циклы повторяются, естественно, с третьего этапа.
Попытки приспособления известных конструктивных форм к новым или традиционным технологическим заказам на основе:
- использования улучшенных обычных или более эффективных новых конструкционных материалов и применения новых технологических процессов изготовления и монтажа конструкций, опирающихся на более совершенные высокопроизводительные поточные линии, станки, машины, оснастки, сложное вспомогательное оборудование и специализированные монтажные агрегаты; - освоения и внедрения современных систем проектирования сооружений [48, 49, 52], использующих мощную графическую и вычислительную технику и обладающих доступом к мощным базам данных [230] с информацией об известных конструктивных решениях, патентах и патентных заявках. Этап 2. Разработка новых конструктивных форм.
Выявление в конструктивных формах-прототипах недостатков и ряда непреодолимых противоречий, поиск путей к их устранению с помощью технических решений, развивающих и преобразующих структуру известных конструктивных форм или основанных на построении принципиально новой структуры несущих элементов.
Выдвижение новых конструктивных идей в отношении: подбора конструкционных и защитных материалов, новых видов соединений, новых решений узловых деталей, конструкций связей, опорных частей, структуры несущих элементов, вида и технических решений вспомогательных элементов, систем управления напряженно-деформированным состоянием сооружения, новых технологий заводского изготовления металлоконструкций, новых технологических процессов возведения сооружения и других направлений инженерного поиска.
Рассмотрение и оценка выдвинутых конструктивных идей и их сопоставление с известными техническими решениями с позиций принципов формообразования строительных конструкций.
Предложение для рассматриваемого класса сооружений новых конструктивных форм на основе синтеза известных и новых подходов к решению поставленных задач проектирования, обоснование осуществимости и целесообразности намечаемых решений. Организация защиты патентной чистоты предлагаемых для внедрения разработок в строительство.
Предпроектная разработка и обоснование эффективности технических решений группы новых конструктивных форм или одной формы в рассматриваемом классе сооружений путем выполнения научно-исследовательских или опытно-конструкторских работ (НИР и НИОКР).
Принцип композиции конструкционных материалов
Если конструкция состоит из разнородных материалов, активно «не помогающих» друг другу, что противоречит рассматриваемому принципу, то она не оправдывается и технологически, поскольку для каждого из материалов необходим индивидуальный технологический подход, что при их неэффективном сочетании не найдет экономического оправдания. Такая эклектическая конструктивная форма не прогрессирует, а, скорее, «вымирает», уступая более совершенным техническим решениям.
Подобное произошло, например, со сталежелезобетонными пролетными строениями автодорожных мостов, в которых железобетонная плита не включалась в совместную работу на общий изгиб со стальной главной балкой. До сих пор самым уязвимым и технологически сложным остается решение объединения железобетонной плиты проезжей части с главными стальными балками пролетного строения. Не исключено, что уже в ближайшее время наибольшее применение найдут композитные системы пролетных строений, в которых монолитная железобетонная плита укладывается на остающийся в конструкции и включенный в совместную работу сплошной стальной поддон нового типа [354, 355] (см. главу 2, п.п. 2.9.3), или его аналоги [5] . Именно в таком решении при использовании для плиты современного модифицированного бетона, возможно — фибробетона, рассматриваемый принцип реализуется с максимальной эффективностью.
По-видимому, сомнительно будущее конструктивной формы железобетонных пролетных строений с внешним (открытым) армированием высокопрочными стальными канатами или пучками из параллельных проволок, для которых бетон не является защитником от коррозии и снижает натяжение стальных элементов при развитии длительной ползучести.
Структурирование - это сочетание приемов расчленения системы на подконструкции, на расстановку диафрагм, ребер жесткости, распорок, связей, на создание одно- и многосвязных контуров поперечного сечения несущих элементов; в мостостроении - это и включение шпренгелеи в состав главных ферм пролетных строений мостов, и формирование кабеля висячей системы из канатов или прядей вместо его прядения из отдельных проволок. Во всех случаях - это мастерство и искусство проектировщика.
Можно сказать, что уровень владения приемами структурирования -важнейший критерий оценки квалификации конструктора. Более глубокое осознание понятия «структурирование» приводит к выводу о том, что главная задача генерации структуры конструктивной формы есть обеспечение необходимой кривизны осей, срединных или наружных поверхностей несущих и вспомогательных элементов и их деталей, в том числе и близкой к нулю кривизны для номинально «прямолинейных» или «плоских» конструкций. Возмущения кривизны определяются следующими факторами: - необходимым присутствием допусков на радиусы кривизны и на габаритные размеры деталей и в целом несущих элементов при их изготовлении, особенно с применением сварки; - неизбежными отклонениями схемы осей смонтированной конструкции от геометрии, предусмотренной проектом сооружения; - искажениями геометрии сооружения, вызванными реологическими процессами в элементах конструкций, в соединениях элементов, во внешних связях и в геомассивах, несущих фундаменты сооружения; - упругими и неупругими локальными деформациями несущих элементов от постоянных нагрузок и воздействий; - проявлением (для металлических конструкций) геометрически нелинейных эффектов дополнительного искривления в изготовленных и собранных в конструкцию «плоских» подкрепленных структурных элементах (в так называемых «ортотропных плитах», преимущественно сжатых вдоль пролета сооружения) от развития общего изгиба конструкции из плоскости таких элементов;
- повреждениями несущих элементов во время транспортировки, монтажа и эксплуатации конструкций, приводящими к неустранимым искажениям их очертания после восстановления несущей способности.
Для иллюстрации требований принципа структурирования рассмотрим пример. На рисунке 2.2 показаны два смежных прямолинейных несущих элемента арки типа ломаного бруса, узлы которого вписаны е окружность.
Узлы перелома оси арки должны после сборки - до раскружаливания -располагаться на окружности радиуса R. Все прямолинейные элементы арки, согласно проекту, в этом положении в осях номинально должны быть одной длины d. Допустим, что реально два смежных элемента имеют длину, меньшую d и равную d (1 - X) , где 0 X « 1, а остальные элементы изготовлены так, что для них допустимо полагать X = 0.
В этом примере с целью максимального упрощения, но без ущерба для корректности выводов, рассматривается вполне возможная, описанная выше, случайная ситуация. При таких размерах стержней узел стыковки укороченных элементов сместится по радиусу внутрь окружности на величину eR. Определим є как функцию от X и от отношения ц = d/R.
Области возможных пролетов линейно-протяженных сооружений, определяемые ,из условий прочности и общей устойчивости.несущих элементов
Общий подход к оценке способности различных конструктивных форм перекрывать пролеты требуемой величины может быть построен на применении элементарной алгебраической теории квадратных неравенств [379]. Ниже, в п. 3.5, анализ квадратного неравенства прочности продемонстрирован: на простом примере однопролетной балки, на примерах предварительно напряженной балки, усиленной шпренгелем, и на примере троса, работающего по схеме гибкой нити, с опорами на одном уровне.
Ниже в таблице 3.2 представлены результаты анализа разрезных ферм с параллельными поясами под однопутную железную дорогу для пролетов 154, 180 и 230 м по приближенной методике Примера 1 п. 3.5. Эта методика позволила на персональном компьютере в интерактивном режиме быстро подобрать для дальнейшей разработки наиболее рациональные параметры уникальных пролетных строений. Результаты определены на нижней границе области существования конструктивной формы.
По-видимому, для висячих и вантовых мостов уже в ближайшие годы рекорды XX века будут перекрыты (для висячих мостов - мостом через Мессинский пролив [127] (Италия), а для вантовых мостов - мостами, строящимися в КНР: мостом в Гонконге с главным пролетом 1018 м [183, 299] и мостом через р. Янцзы с главным пролетом 1088 м [41]). Арочный автодорожный мост с арками из трубобетона имеет пролет 420 м ([273]: КНР - мост Ваньсянь через р. Янцзы в г. Чунцине, 1997 г.).
Изучение выводов, вытекающих из полученных для этих примеров результатов, позволяет сделать несколько обобщений. Предельные неравенства прочности (устойчивости) разнообразных конструктивных форм линейно протяженных или развитых в плане сооружений удается приближенно представить в условиях геометрически линейного подхода в универсальной форме квадратного неравенства, включающего в качестве аргумента величину пролета сооружения (L). Для пространственных объектов эта величина - один из характерных размеров конструкции в плане. Величина L определяет по всем измерениям линейный масштаб геометрических характеристик любых несущих элементов конструктивной формы, относящихся к наивысшему уровню (к уровню номер С,тах) ее структуры. Другие уровни структуры (Q определяются характерными размерами L , где нижний индекс Ф С, тах. Неравенство для уровня С, имеет вид ("= 1, ..., тах): I ( Ь Oft У к+ -1К Р lv) Ц + Ь 2% P2v+ О- ЗХ Р 3v) / Ц mj R j , где: (3.1) ij - безразмерные коэффициенты (і = 0, 1, 2, 3; j = l,...,t), отражающие: - форму осевых линий или срединных поверхностей несущих элементов; - геометрические характеристики поперечных сечений несущих элементов и координаты точек этих сечений, в которых контролируется напряженное состояние; номер j присваивается каждой из общего числа t г точек контроля по неравенству предельного состояния вида 3.1 на уровне структуры С,; - особенности расположения и характер временных нагрузок и воздействий plv, P2v и Рзу ИЗ v_ro их сочетания (v = 1,..., п); (здесь п - число рассматриваемых 176 сочетаний нагрузок и воздействий на сооружение, при этом величинами pv можно считать некоторые равномерно распределенные расчетные нагрузки, эквивалентные весьма разнородным реальным нагрузкам; соотношения эквивалентности следуют из приемов и правил построения и загружения функций влияния, широко используемых в теории сооружений); - учет ограниченных пластических деформаций в сечениях несущих элементов, например, по СНиП 2.05.03-84 «Мосты и трубы»;
Методика определения усилий в кабеле
В отличие от Примера 3 из п. 3.5 главы 3, постоянная вертикальная расчетная нагрузка на кабель детализируется. Она включает три составляющих: равномерно распределенную по длине дуги кабеля, как и в Примере 3, нагрузку qi (вес металла кабеля, его изоляции, смотровых ходов по кабелю, если они предусматриваются проектом), нагрузку q2, передающуюся на кабель от вертикальных подвесок, располагаемых с постоянным шагом вдоль пролета моста, и равномерно распределенную вдоль пролета моста нагрузку Цз - от полного расчетного веса балки жесткости, от узлов кабеля, натяжных приспособлений подвесок, демпферов, возможно, устанавливаемых на подвесках. Для определения площади поперечного сечения кабеля полагаем действующей на всем протяжении моста временную вертикальную равномерно распределенную вдоль пролета расчетную нагрузку р.
Для упрощения результирующих формул висячий мост (рисунок 4.1) принимается однопролетным, симметричным, имеющим в анализируемом состоянии равновесия (при действии комплекса расчетных постоянных, включая полный вес кабеля, и временных расчетных вертикальных нагрузок по сочетанию 1 таблицы 4.1) равные пролетные размеры (L) на уровне оси балки и на уровне вершин пилонов. В такой классической континуальной модели подвески рассматриваются как однородная непрерывная линейно-упругая среда, сопротивляющаяся только продольной деформации и только в вертикальном направлении.
Условие рассмотрения однопролетного моста в задаче поиска минимально необходимой площади поперечного сечения кабеля не является существенным, так как при многопролетном исполнении стрелки провеса кабеля в смежных пролетах выбираются из условия выравнивания распоров при форсированном загружении временной нагрузкой всех пролетов сооружения.
Стрела провеса (f) кабеля висячих мостов никогда не превышает величины примерно L/6,5. При таком еще достаточно пологом очертании форма оси кабеля очень близка к квадратной параболе, имеющей уравнение: y = (4f/L2)x2 (4.1)
Это уравнение используется только для вычисления максимального усилия в кабеле. Стрелка f в формуле 4.1 определена для полной расчетной вертикальной нагрузки (постоянной и временной, заполняющей весь пролет). Принимается также, что отсутствуют силовые и моментные реакции на концах балки жесткости у пилонов. Продольные нагрузки с балки не передаются на кабель. Кабель не прикреплен к балке никакими другими связями, кроме континуальной среды вертикальных подвесок. В равновесном состоянии, определяемом уравнением 4.1, на кабель действует суммарная вертикальная расчетная нагрузка: q (x) = q ,(x) + q 2(x) + q3 + p (4.2)
Примечание. При этом от расчетных постоянных нагрузок (q3) балка жесткости собрана {отрегулирована) так, чтобы иметь только «панельные» изгибающие моменты, обратные по знаку и приближенно равные по модулю у подвесок и в серединах панелей: такой изгиб балки - следствие из фактической дискретности подвесок и учитывается только при расчетах балки жесткости и самих подвесок.
На элементарном горизонтальном отрезке dx вертикальная нагрузка dQi от собственного погонного веса кабеля qi (по его дуге) собирается с длины дуги ds = dx /cosq , где: l/cosq = [1+ (dy/dx) 2] 5 = [1+ (8 f x / L2) 2] 5 (4.3) dQi = q i ds = 4l [1+ (8 f x / L 2) 2] 5dx (4.4)
Нагрузка qi определяется ниже по формуле 4.36. Интенсивность нагрузки от собственного веса подвесок q 2 (х) определяется выражением: q 2(x) = q под [У + h (1+ Q] / а = qn0fl [h (1+ О / а + x24f / a L2], где: (4.5) q ПОд - расчетный приведенный вес единицы длины одной «обобщенной» (приходящейся на полное сечение кабеля моста) подвески без учета веса анкеров, регулировочных устройств, возможно, демпферов и т.п.; предполагается, что вес подвесок полностью передается на кабель; h - высота подвески в середине пролета моста; С, - поправка на очертание продольного профиля балки жесткости (0 ?«1); а - регулярный шаг подвесок по горизонтали (и, следовательно, регулярный шаг узлов прикрепления подвесок к кабелю и балке жесткости). Нагрузка от q 2 (х) на элемент длиной dx: dQ2 = q 2 (х) dx = qn(W [h (1 + QI a + x2 4f / a L2]dx (4.6) Нагрузка от q3 и p на элемент длиной dx (здесь предполагается, что балка не имеет изгибной и сдвиговой жесткостей): dQ3 = q3 dx и dQp = р dx (4.7) Полагая dQ = dQ + dQ2 + dQ3 + dQp , определим величину V -вертикальную составляющую усилия в кабеле у вершины пилона: 0,5 L V = J{q,[l+(8fx/L2)2] 5+q [h(l+Q/a + x24f/aL2]+q3+p}dx (4.8) о После интегрирования и преобразований из выражения 4.8 следует: V = 0,5L{Tqi + qnOfl[h(l+Q + f/3]/a + q3+p}, (4.9) где при v = L / f введен параметр т, близкий к 1,0 (таблица 4.2): т = (2 / v ) (1 + v2/ 16) 0)5+ (v/ 8) In [(4 / v) + (1+16 / v2)0 5] (4.10)
Из формулы (4.9) следует практически полезная для подсчета весовых показателей висячих мостов оценка: средняя длина подвесок равна длине самых коротких из них (с поправкой 1+ Q, плюс одна треть стрелы провеса кабеля. Задача здесь решается в геометрически линейной постановке; однако распор кабеля (Н) определяется по геометрии системы при полном загружении пролета временной нагрузкой, то есть парабола в моментном уравнении равновесия системы «кабель-балка» только заменяет более точную форму кабеля, но с одинаковой стрелой провеса .
Похожие диссертации на Методологические подходы к разработке конструктивных форм большепролетных и сверхпротяженных инженерных сооружений
