Введение к работе
Актуальность темы. Сооружение объектов промышленного, гидротехнического и транспортного строительства связано с большими капиталовложениями, значительная часть которых идет на устройство фундаментов и ограждающих конструкций. Опыт проектирования, строительства и эксплуатации набережных, пирсов, больверков, стен доков и шлюзов, противофильтрационных завес, перемычек, ограждений котлованов и островков подтверждает, что наилучшими технико-экономическими показателями обладают соответствующие шпунтовке сооружения.
Рекомендуемые нормативными документами методы расчета недостаточно полно иеполт-зуют несущую способность конструкций из шпунта. О наличии резервов прочности свидетельствует в частности то, что выявленная предельная несущая способность ряда экспериментальных объектов вдвое и более превосходила теоретическую, а в практике эксплуатации подобных сооружений не отмечено их выхода из строя даже под нагрузками, превьшаэщими проектные.
Ввиду трудностей учета пространственной работы систем с податливыми стыками проектировщики зачастую максимально упрощают соответствующие расчетные схемы, пренебрегают взаимодействием шпунтовых элементов. При этом из анализа исключаются мембранные усилия в лицевых стенках, искажается характер распределения компонентов напряженно-деформированного состояния между шпунтом и подкрепляющими устройствами и, как следствие, снижается эффективность конструкций. Особенно это характерно для систем типа оболочек, а также в случае действия на ограждение локальных и неравномерных нагрузок.
Все сказанное обуславливает актуальность проблемы разработки методики расчета шпунтовых конструкций с использованием моделей, наиболее полно учитывающих действительную работу сооружений.
Цель диссертации - разработка на основе теории оболочек с неполными системами связей объединения и аппарата МНЭ методики расчета шпунтовых конструкций, позволяющей одновременно учитывать их пространственную работу и угловую податливость в стыках шпунтовых элементов.
В этой связи решались следующие задачи:
-
Обоснование применимости модели конструктивно полубеэ-моментной оболочки к расчету тонкостенных составных систем обо-лочечного типа из удлиненных панелей с замковыми соединениями, обладающими угловой податливостью.
-
Вывод основных соотношений для совместных конечных ЭЛвг ментов поперечно полубёзмоментной пластинки при изгибе и поперечно полубезмоментной оболочки.
-
Формирование базы данных МКЭ для расчета подкрепленных шпунтовых конструкций с использованием конечных элементов поперечно полубезмоментной оболочки и пространственного стержня.
-
Реализация алгоритма МКЭ на ЭВМ ЕС в виде прикладного программного обеспечения для исследования пространственной работы шпунтовых сооружений и анализ сходимости предлагаемой методики.
-
Исследоватме пространственной работы шпунтовых систем в зависимости от геометрических, топологических, жесткостных факторов, условий подкрепления и загружения.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
-
Получены основные соотношения для прямоугольного изопа-раметрического симплекс-элемента пологой поперечно полубезмоментной оболочки с учетом отсутствия по области элемента связей, препятствующих повороту вдоль образующей оболочки.
-
Разработана методика и реализован на ЭВМ ЕС алгоритм расчета подкрепленных шпунтовых конструкций на основе конечных элементов поперечно полубезмоментной оболочки и пространственного стержня, дан анализ сходимости этой методики.
-
Исследована пространственная работа испытывающих внешнее давление шпунтовых оболочек с различными геометрико-жест-костными параметрами в зависимости от очертания моделей в плане, количества и местоположения поясов подкрепления.
Практическое значение работы. Разработанный в диссертации метод имеет хорошую сходимость, он показал высокую эффективность внедрения в расчетную практику анализа пространственной работы шпунтовых конструкций. Применение конечных элементов поперечно полубезмоментных пластинки и оболочки при реализации МКЭ в соответствующих расчетах позволяет избежать решения слишком громоздких разрешающих систем линейных алгебраических уравнений,
к которым приводит постановка задачи на основе традиционных конечных элементов и связанная с этим необходимости учета дискретного расположения стыков. Предлагаемый практический метод может быть использован для решения широкого круга задач проектирования новых и определения несущей способности эксплуатируемых шпунтовых сооружений. Анализ в соответствии с предлагаемой методикой НДС шпунтовых ограждений котлованов опор строящегося моста позволил рационализировать конструкцию подкрепляющих обвязок и обосновать возможность использования шпунта "Ларсен-ІУ" вместо предусмотренного проектом "Ларсен-У".
На затту выносятся следующие основные положения;
-
Матрицы жесткости и напряжений прямоугольного конечного элемента поперечно полубезмоментной пластинки при изгибе и плоского прямоугольного изопараметрического симплекс-элемента пологой поперечно полубезмоментной оболочки.
-
Метод расчета в упругой стадии напряженно-деформированного состояния подкрепленных шпунтовых конструкций, реализованный на ЭВМ ЕС в виде прикладного программного обеспечения "ШПУНТ".
-
Результаты исследования на основе предлагаемой методики пространственной работы тонкостенных составных систем оболочеч-ного типа с замковыми соединениями, обладающими угловой податливостью, а также шпунтовых ограждений котлованов опор строящегося моста.
Внедрение результатов работы. Предложенный метод внедрен при сооружении глубоководных опор строящегося моста через реку Волга в районе Ульяновска, осуществляемом мостоотрядом № 51 управления "Ульяновскмостострой", а также принят для практического применения Ульяновским филиалом Всероссийского проектно-кон-структорского института "Гипростроймост".
Публикации По материалам диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ.
Апробация работы. Основные положения и результаты докладывались на Всероссийской конференции "Научно-технический прогресс в строительстве" (г.Пенза, март 1993 г.), научно-технической конференции МАДИ под руководством д.т.н., профессора А.А.Потап-кина (г.Москва, январь 1993 г.), семинаре кафедры оснований, фундаментов и мостов ПГІУ под руководством члена-корреспондента
РАН А.А.Бартоломея (г.Пермь, сентябрь 1993 г.).
Объем тботы. Диссертация состоит из введения, четыре* глав и заключения. Общий объем работы 165 стр., в том числе 116 стр. машинописного текста, 31 рисунок, 8 таблиц, библиографический список из 88 наименований.