Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ПО
РАССМАТРИВАЕМОЙ ПРОБЛЕМЕ 11
Постановка задачи исследования 11
Обзор исследований по рассматриваемой проблеме 13
Развитие деформационной теории изгибаемых конструкций из железобетона 13
Современные методы деформационного расчета железобетонных конструкций 19
Приближенные методы пространственного расчета плитно-балочных систем 26
Современные методы пространственного расчета плитно-балочных систем 29
1.3 Выводы 33
2 РАСЧЕТ ПРОЧНОСТИ НОРМАЛЬНЫХ СЕЧЕНИЙ ПЛИТНО-
БАЛОЧНОЙ КОНСТРУКЦИИ В ДЕТЕРМИНИРОВАННОЙ ПОСТАНОВКЕ
Основные расчетные положения 35
Алгоритм деформационного расчета прочности 37
Программная реализация расчетного алгоритма 40
Современные аналитические описания диаграмм деформирования бетона и арматуры 42
Диаграммы деформирования бетона 42
Диаграммы деформирования арматуры 48
2.5 Апробация вычислительных программ 50
Общие положения 51
Анализ расчетных зависимостей коэффициента ослабления при изменении нагрузки 53
Исследование сходимости итерационного алгоритма 59
2.5.4 Оценка точности расчетов по разработанной программе 62
2.6 Примеры расчетов прочности по разработанным алгоритму и
программе 66
Оценка прочности дефектного пролетного строения 66
Оценка грузоподъемности дефектного пролетного строения...69
2.7 Выводы 70
3 ВЕРОЯТНОСТНАЯ ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ НОРМАЛЬНЫХ СЕЧЕНИЙ
ПЛИТНО-БАЛОЧНОЙ СИСТЕМЫ 72
Исходные расчетные положения 72
Алгоритм расчета вероятности нормативного отказа 82
Описание программного комплекса для вероятностных расчетов..83
Апробация работоспособности программного комплекса вероятностных расчетов 86
Цели апробации 86
Способы улучшения работы программного комплекса 88
Пример расчета вероятности отказа дефектного моста 90
Пример расчета вероятности безаварийного проезда сверхнормативной нагрузки 98
3.5 Выводы 103
4 РАСЧЕТНЫЕ АЛГОРИТМЫ ОЦЕНКИ ЖИВУЧЕСТИ ПЛИТНО-
БАЛОЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ СТАТИЧЕСКИХ НАГРУЖЕНИЯХ.. 104
Основные расчетные положения 104
Детерминированный алгоритм проверки живучести 107
Программная реализация и апробация детерминированного расчетного алгоритма 111
Описание вычислительной программы 111
Примеры использования программы для инженерной практики.
Вероятностный алгоритм оценки живучести 116
Программная реализация и апробация вероятностного алгоритма
Описание вычислительной программы 117
Использование программы для инженерной практики 118
4.6 Выводы 124
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 125
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 127
ПРИЛОЖЕНИЕ Акты внедрения 140
Введение к работе
Актуальность темы.
Значительная часть эксплуатируемых в настоящее время автодорожных мостов и путепроводов с пролетными строениями из железобетонных балок была построена более 30 лет назад. Многие сооружения морально устарели, так как были запроектированы по действующим тогда нормативным документам, которые предусматривали отличающиеся от регламентируемых в настоящее время временных нагрузок.
За прошедшие с момента строительства и, особенно, за последние годы произошел резкий рост автомобильных перевозок. Современное автомобильное движение отличается увеличенной интенсивностью, значительным количеством тяжеловесных автопоездов с полной массой около 60 т и появлением специальных автопоездов для перевозки крупногабаритных и особо тяжелых грузов массой свыше 100 т.
При длительной эксплуатации в несущих конструкциях мостовых сооружений развиваются различные дефекты и повреждения, обусловленные неблагоприятными атмосферными воздействиями, механическими повреждениями, воздействием сверхпроектных постоянных и временных нагрузок и т.д. Наибольшему износу подвергаются пролетные строения, так как они представляют собой существенно нагруженные тонкостенные плитно-балочные системы. Весьма важной в настоящее время является проблема обеспечения безопасной эксплуатации мостовых сооружений с имеющимися дефектными несущими конструкциями в условиях интенсивного режима эксплуатации.
В аналогичных условиях находятся железобетонные балочные конструкции транспортных эстакад различного назначения, которые эксплуатируются длительное время на технологических маршрутах многих промышленных предприятий.
Применяемые в инженерной практике проектных мостовых организа-
ций нашей страны вычислительные комплексы и программы SCAD, LIRA, MikrofeStark, ProfetStark и др. не приспособлены для прочностных расчетов в нелинейной постановке с учетом локальных ослаблений и повреждений при проектировании ремонта и реконструкции железобетонных пролетных строений.
Поэтому актуальной является задача создания уточненного нелинейного деформационного расчета плитно-балочных пролетных строений, позволяющего при заданном поле повреждений вскрыть имеющиеся резервы прочности за счет учета полных диаграмм деформирования материалов. Это часто является необходимым при обосновании проведения работ по ремонту или реконструкции с целью их усиления.
В потребительские свойства эксплуатируемых мостовых сооружений обычно относят характеристики, описывающие живучесть конструкции или моста в целом: сейсмостойкость; сопротивление воздействию водных потоков, ледоходов и других природных явлений; огнестойкость; неразрушае-мость целой части при повреждении отдельных элементов. Методы расчета первых трех перечисленных выше характеристик живучести хорошо разработаны и используются в настоящее время при проектировании транспортных сооружений. Теория расчетной оценки живучести конструкции с повреждениями в настоящее время находится в начальной стадии, так как при этом требуется учет возникающих нелинейных деформаций и перераспределения усилий в ситуациях загружения, близких к предельным состояниям.
Самостоятельного решения требует проблема оценки живучести железобетонных пролетных строений с сильно поврежденными или разрушенными отдельными элементами при пропуске по автодороге специальных большегрузных автопоездов. При этом приходится решать задачу выбора наиболее безопасной для проезда полосы движения или расположения транспортного средства по ширине пролетного строения. Анализ достигнутого при воздействии нагрузки уровня усилий и деформаций в конструкции позволяет обосновать необходимость проведения работ по ремонту или реконструкции
7 с целью их усиления.
В настоящей работе описываются предложенные и реализованные в вычислительных конечно-элементных программах методики и алгоритмы нелинейного деформационного расчета прочности дефектного железобетонного пролетного строения с разрезной статической схемой в детерминированной и вероятностной постановках. Программы были апробированы на реальных объектах и могут эффективно использоваться в случае общего снижения жесткости отдельных балок, ослабления бетона и рабочей арматуры нижних поясов балок на отдельных участках, образования локальных трещин нижних поясов балок в поперечных сечениях и частичного или полного разрушения стыков балок по полкам и диафрагмам и т.п.
Расчеты неразрушаемости и живучести несущих конструкций железобетонных плитно-балочных автодорожных мостов, имеющих дефекты и повреждения, недостаточно развиты, так как связаны с учетом возникающих нелинейных деформаций и перераспределения усилий в ситуациях загруже-ния близких к предельным.
Общий алгоритм нелинейного расчета может выглядеть следующим образом:
Первоначально производится линейный расчет конструкции с проектными жесткостными характеристиками.
Учитывая полученные в результате расчета на предыдущем этапе усилия в элементах конструкции, производится пересчет жесткостей элементов.
Производится линейный расчет конструкции с рассчитанными на предыдущем этапе жесткостями элементов.
Пункты 2 и 3 повторяются в итерационном режиме, пока разница между соответствующими значениями усилий в элементах на смежных итерациях не станет меньше допускаемой погрешности.
Следовательно, нелинейный расчет возможен только при совместном решении двух задач:
определения жесткости каждой балки пролетного строения от действующих в ней усилий;
итерационного пространственного расчета пролетного строения с учетом изменения жесткостей балок и перераспределения усилий между ними.
Цель диссертационной работы: разработка в детерминированной и вероятностной постановках методик, соответствующих вычислительных алгоритмов и апробированных программных комплексов для достоверной расчетной оценки прочности и живучести железобетонной плитно-балочной конструкции пролетного строения моста или транспортной эстакады с дефектами и повреждениями.
Научная новизна работы состоит в следующем:
разработана методика и алгоритм деформационного пространственного статического расчета пролетного строения для заданного набора дефектов, изменения в процессе загружения изгибных жесткостей отдельных балок и перераспределения усилий между ними;
разработана методика и алгоритм деформационного пространственного статического расчета пролетного строения в вероятностной постановке с учетом разброса прочностных характеристик материалов и параметров постоянных и временных нагрузок;
разработаны методики и алгоритмы расчетной оценки живучести в детерминированной и вероятностной постановках дефектного железобетонного пролетного строения моста или транспортной эстакады при пропуске заданного автотранспортного средства;
произведены деформационные расчеты прочности и живучести пролетных строений мостов с помощью детерминированного и вероятностного подходов.
Основными задачами диссертационной работы являются:
- разработка алгоритмов деформационного пространственного расчета
9 прочности и живучести железобетонного пролетного строения в детерминированной и вероятностной постановках с учетом дефектов, изменения в процессе загружения изгибных жесткостей балок, вплоть до возникновения в отдельных элементах пластических шарниров, и перераспределения усилий между ними;
создание программного комплекса, ориентированного на выполнение пространственных нелинейных статических расчётов железобетонных плитно-балочных пролетных строений мостовых сооружений;
оценка сходимости и точности разработанных алгоритмов и апробация вычислительного комплекса при проведении статических расчётов плитно-балочных систем разных конструктивных схем и различного набора повреждений.
Достоверность разработанных методик и алгоритмов подтверждается сопоставлением результатов расчёта по разработанному программному комплексу MGBD3-SERIALN с результатами испытаний реальных пролетных строений эксплуатируемых мостов. При проведении натурных испытаний использовались приборы, прошедшие метрологическую проверку.
Практическая ценность работы заключается в создании на базе разработанных алгоритмов программного комплекса MGBD3-SERIALN, предназначенного для нелинейного деформационного пространственного расчёта плитно-балочных пролётных строений мостовых сооружений и транспортных эстакад с использованием полных диаграмм деформирования арматуры и бетона, а также с учётом различных дефектов и повреждений. Разработанный вычислительный комплекс оснащен блоками, позволяющими производить расчеты прочности и живучести пролетных строений в вероятностной постановке с учетом разброса прочностных характеристик материалов, случайного поля дефектов и повреждений, а также флуктуации параметров постоянных и временных нагрузок. Программный комплекс апробирован и может быть рекомендован для практического внедрения.
10 На защиту выносятся:
методика и алгоритм деформационного пространственного статического расчета пролетного строения для заданного набора дефектов, изменения в процессе загружения изгибных жесткостей отдельных балок и перераспределения усилий между ними;
методика и алгоритм деформационного пространственного статического расчета пролетного строения в вероятностной постановке с учетом разброса прочностных характеристик материалов и параметров постоянных и временных нагрузок;
методики и алгоритмы расчетной оценки живучести в детерминированной и вероятностной постановках дефектного железобетонного пролетного строения моста или транспортной эстакады при пропуске тяжелого автотранспортного средства или их колонн.
Апробация работы проведена путём представления и обсуждения докладов на 53 - 59 научных конференциях ВГАСУ в 1998 - 2004 годах, на научно-практических конференциях по механике эксплуатируемых и реконструируемых автодорожных мостов, проводимых в ВГАСУ в 2000 - 2006 г.г. совместно с проектными и научно-исследовательскими организациями дорожной отрасли, на второй всероссийской научно-технической конференции «Прикладные задачи механики и тепломассообмена в авиастроении» в 2001 г, на первой международной научно-практической конференции «Оценка риска и безопасность строительных конструкций» в 2006 г.
Публикации: основное содержание диссертационной работы изложено в 7 публикациях.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложения. Диссертация содержит 143 страницы, в том числе 100 страниц машинописного текста, список литературы из 127 наименований, 29 рисунков и 12 таблиц, приложение с двумя актами внедрения разработанных методик и программ.
