Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
1 ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 11
1.1 Постановка рассматриваемой задачи 11
1.2 Современные методы и алгоритмы пространственного расчёта плитно-балочных систем. Анализ возможности их использования применительно к составным конструкциям 13
1.2.1 Приближённые методы расчёта 13
1.2.2 Методы пространственного расчёта 18
1.2.3 Современные методы пространственного расчёта 34
1.2.4 Приёмы учёта несовместного деформирования частей составного сечения 39
1.3 Выводы по главе 42
2 РАСЧЁТ СОСТАВНОЙ ПЛИТНО-БАЛОЧНОЙ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ СМЕШАННОГО МЕТОДА И ТЕОРИИ СОСТАВНОГО СТЕРЖНЯ А.Р. РЖАНИЦЫНА 43
2.1 Исходные положения и... 43
2.2 Вывод разрешающих уравнений статического расчёта на вертикальные нагрузки 44
2.3 Численное решение разрешающей системы дифференциальных уравнений 51
2.4 Описание вычислительной программы, реализующей расчётный алгоритм 53
2.4.1 Предварительные замечания 53
2.4.2 Характеристика программы 54
2.4.3 Ввод исходных данных 55
2.4.4 Запуск программы и вывод результатов расчёта 62
2.4.5 Использование результатов расчёта 67
2.5 Анализ сходимости результатов расчёта 69
2.6 Экспериментальная проверка практического применения вычислительного комплекса 81
* 2.6.1 Предварительные замечания 81
2.6.2 Автодорожный мост через реку Тойда на 321 км автодороги Курск-Саратов 82
2.6.3 Автодорожный мост через реку Колотушка на 179 км автодороги Курск-Саратов 89
2.7 Выводы по главе 95
3 РАСЧЁТНАЯ МОДЕЛЬ СОСТАВНОЙ ПЛИТНО-БАЛОЧНОЙ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ ПОЛУАНАЛИТИЧЕСКОГО ВАРИАНТА МКЭ 97
3.1 Исходные положения 97
й 3.2 Методика получения матриц жёсткости методом взвешенных невязок 99
3.3 Применение методики для получения матриц жёсткости КЭ составной плитно-балочной системы 105
3.3.1 Предварительные замечания 105
3.3.2 Матрица жёсткости плитно-пластинчатого КЭ, испытывающего мембранное напряжённое состояние 106
3.3.3 Матрица жёсткости плитно-пластинчатого КЭ, испытывающего изгибное напряжённое состояние 108
3.3.4 Матрица жёсткости стержневого КЭ 111
3.3.5 Матрица жёсткости КЭ упругой вставки 116
3.4 Описание вычислительного комплекса 117
3.4.1 Основные положения 117
3.4.2 Структура и организация работы программного комплекса 118
3.4.3 Расчётная схема составного плитно-балочного пролётного строения 120
3.4.4 Задание исходных данных 121
3.4.5 Вывод результатов расчёта 124
3.4.6 Проверка работоспособности вычислительного комплекса 126
3.5 Оценка достоверности результатов 127
3.5.1 Предварительные замечания 127
3.5.2 Оценка влияния степени дискретизации на точность определения перемещений 129
3.5.3 Оценка точности вычисления усилий 134
3.6 Апробация методики расчёта и вычислительной • программы, сопоставление с данными натурных экспериментов 138
3.6.1 Предварительные замечания 138
3.6.2 Автодорожный мост через реку Тойда на 321 км автодороги Курск-Саратов 138
3.6.3 Автодорожный мост через реку Колотушка на 179 км автодороги Курск-Саратов 143
3.7 Выводы по главе 145
4 ПОЭТАПНЫЙ РАСЧЁТ ПЛИТНО-БАЛОЧНЫХ СИСТЕМ С ДЕФЕКТАМИ В ПРОЦЕССЕ ВОЗВЕДЕНИЯ, ЭКСПЛУАТАЦИИ И РЕКОНСТРУКЦИИ 147
4.1 Предварительные замечания
4.2 Численные исследования влияния различных дефектов составных плитно-балочных систем на их НДС 148
4.3 Определение физических характеристик шва между накладной плитой и балками для различных конструкций их соединения 154
4.3.1 Шероховатая поверхность объединения 155
4.3.2 Жёсткий упор 157
4.3.3 Гибкий упор 158
4.3.4 Шпоночное соединение 159
4.4 Определение эквивалентного коэффициента жёсткости шва для расчётной модели, предполагающей разрушение шва в приопорных участках 160
4.5 Поэтапный расчёт составного пролётного строения автодорожного моста на стадиях возведения, эксплуатации и реконструкции 166
4.6 Выводы по главе 179
ВЫВОДЫ 182
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ' 184
ПРИЛОЖЕНИЕ А 200
Введение к работе
В качестве несущих элементов зданий и сооружений различного назначения широко применяются железобетонные ребристые и плитно-балоч-ные конструкции. При длительной эксплуатации в таких конструкциях появляются разнообразные дефекты и повреждения: разрушения в отдельных продольных или поперечных балках, влияющие на их изгибную или крутильную жёсткость, коррозия или обрыв рабочей арматуры, частичное или полное разрушение стыков отдельных элементов и т. д. Для реконструкции дефектных плитно-балочных систем в настоящее время широко используется способ усиления с помощью монолитной железобетонной накладной плиты. Накладная плита сопрягается с плитно-балочной конструкцией различными способами, при которых совместная работа отдельных частей составной конструкции должна обеспечиваться как за счёт сил сцепления соприкасающихся поверхностей, так и за счёт устройства специальных конструктивных элементов, в качестве которых применяются шпонки, жёсткие и гибкие упоры и т. п. Однако ни один из применяемых на практике способов соединения отдельных частей не обеспечивает монолитности работы всего составного сечения, поэтому важно иметь расчётные алгоритмы, учитывающие эту особенность плитно-балочных систем как составных конструкций.
В настоящее время в мостовых отделах дорожных проектных организаций при усилении железобетонных пролётных строений при помощи накладной плиты на стадиях проектирования и расчётов обычно не учитываются физически нелинейные характеристики шва сопряжения накладной плиты и полок балок, а в сталежелезобетонных пролётных строениях сопряжение железобетонной плиты со стальными балками также полагают идеальным. Аналогичные упрощённые алгоритмы, из-за отсутствия более совершенных, используются при расчёте усилений дефектных конструкций перекрытий и покрытий зданий промышленного и гражданского назначения.
При расчёте составных плитно-балочных систем обычно не учитывается поэтапный характер изменения их напряжённо-деформированного состояния (НДС). Усилия и деформации на первом этапе от действия постоянных и временных нагрузок можно определить с помощью разнообразных и хорошо отработанных расчётных схем и программ. Следующий этап работы конструкции отличается от первого появлением и накоплением различных дефектов и повреждений, учесть которые часто затруднительно при помощи алгоритмов, применяемых на первом этапе. Ещё один этап изменения НДС -установка элемента усиления в виде накладной плиты на плитно-балочную систему с дефектами, из-за наличия которых усилия в старых элементах могут быть близки к предельным и может наступить нелинейная стадия работы конструкции. Следовательно, для определения усилий необходимы иные методики и алгоритмы, учитывающие особенности этого этапа работы.
В процессе длительной эксплуатации конструкции сооружений в той или иной мере подвержены воздействию окружающей часто агрессивной среды. Такое воздействие негативно сказывается на НДС сооружения, так как приводит к коррозионному разрушению отдельных элементов и снижению несущей способности конструкции в целом. В современных условиях недостаточного финансирования строительства новых объектов актуальными становятся мероприятия по реконструкции существующих сооружений с целью их усиления. Применительно к железобетонным плитно-балочным конструкциям пролётных строений автодорожных мостов наиболее распространённым способом усиления является устройство железобетонной накладной плиты в монолитном или сборно-монолитном исполнении. При этом решается вопрос не только усиления, но и уширения плитно-балочной конструкции. Очень важным элементом для данного способа реконструкции является слой сопряжения накладной плиты с существующей конструкцией, который должен обеспечить их совместное деформирование под нагрузками. Несмотря на применение различных технологических и конструктивных элементов для обустройства сопряжения плиты усиления и существующей плитно-балочной системы, достигнуть полной совместности по деформациям в большинстве случаев не удаётся. Кроме того, невысокое качество строительно-монтажных работ также приводит к неполному совместному деформированию несущих элементов сразу после приложения временных нагрузок, или спустя некоторое время в процессе эксплуатации сооружения. От степени совместности деформирования накладной плиты усиления и плитно-балочной системы сильно зависит НДС составной конструкции, поэтому для оценки её несущей способности необходима разработка соответствующих методов и алгоритмов расчёта, учитывающих эту особенность работы.
Цель представленной диссертационной работы — разработка методик и алгоритмов статического расчёта НДС составных плитно-балочных систем на различных стадиях эксплуатации с учётом изменений жесткост-ных характеристик элементов, податливости стыка сопряжения отдельных элементов, наличия различных дефектов и повреждений, развития долговременных процессов деформирования материала, обусловленных его усадкой и ползучестью.
Научная новизна работы состоит в следующем:
•S разработана новая методика постадийного расчёта напряжённо-деформированного состояния составных плитно-балочных систем на основе усовершенствования смешанного метода и теории составного стержня А.Р. Ржаницына;
S развит полуаналитический вариант метода конечного элемента (дискретно-континуальная форма МКЭ) для постадийного расчёта НДС составных плитно-балочных систем, позволивший учесть физические свойства стыка сопряжения между плитно-балочной системой и плитой усиления;
S исследовано влияние несовершенства сопряжения плиты усиления и плитно-балочной конструкции на перемещения и усилия;
•S проведены численные исследования влияния различных дефектов и повреждений отдельных элементов плитно-балочной системы на её НДС.
Основными задачами диссертационной работы являются:
S разработка методик и эффективных алгоритмов статического расчёта составных плитно-балочных систем с учётом нелинейных физических свойств слоя сопряжения и имеющихся дефектов и повреждений отдельных элементов;
•S создание программных комплексов, ориентированных на выполнение расчётов дефектных и ослабленных плитно-балочных систем, усиленных накладной плитой;
S оценка сходимости и точности разработанных алгоритмов на примерах расчёта различных составных плитно-балочных систем;
S проведение численных исследований влияния характеристик де-формативности слоя сопряжения на НДС составных конструкций;
S разработка алгоритмов для проведения численного анализа составных плитно-балочных систем с учётом поэтапного изменения НДС.
Достоверность разработанных методик и алгоритмов подтверждается сопоставлением результатов расчёта по разработанным программным комплексам шарнирно опёртых плит с известным аналитическим решением для тонких пластин М. Леви и с данными натурных экспериментов для плитно-балочных мостов, усиленных при помощи накладной плиты. При проведении натурных испытаний использовались приборы, прошедшие метрологическую проверку.
Практическая ценность работы заключается в создании на базе разработанных алгоритмов двух программных комплексов: MOSTGBNN и DISCONT, предназначенных для расчёта разрезных и неразрезных пролётных строений автодорожных мостовых сооружений с учётом нелинейных физических свойств слоя объединения накладной плиты и полок балок, а также с учётом различных дефектов и повреждений. Программный комплекс MOSTGBNN внедрён в ряде проектных и научно-исследовательских организаций, конечно-элементный комплекс DISCONT апробирован и также может быть рекомендован для практического внедрения.
На защиту выносятся;
•S расчётная схема и методика учёта несовместного деформирования составного сечения плитно-балочных систем на основе смешанного метода и теории составного стержня А.Р. Ржаницына;
•S конечно-элементная расчётная схема и методика учёта несовместного деформирования составного сечения плитно-балочных систем на основе дискретно-континуальной формы МКЭ со специальными конечными элементами;
S алгоритм поэтапного расчёта составных плитно-балочных систем, имеющих различные дефекты и повреждения элементов.
Апробация работы проведена путём представления и обсуждения докладов на 50 - 59 научных конференциях ВГАСУ в 1995 - 2004 годах, а также на научно-практических конференциях по механике эксплуатируемых и реконструируемых автодорожных мостов, проводимых в ВГАСУ в 2000 — 2004 г.г. совместно с проектными и научно-исследовательскими организациями дорожной отрасли.
Публикации; основное содержание диссертационной работы изложено в семи публикациях.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 153 наименований и приложения. Материалы диссертации (без приложения) включают 199 страниц машинописного текста, содержащих 67 рисунков и 51таблицу.
