Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
1 ИСХОДНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 12
1.1 Характеристика исследуемых пролётных строений 12
1.2 Теоретические основы и инженерные методы расчётов исследуемых пролётных строений 20
1.2.1 Нормативные положения 20
1.2.2 Нормативные и расчётные нагрузки 23
1.2.3 Методы пространственного расчёта балочных пролётных строений 25
1.2.4 О физической нелинейности бетона и арматуры 27
1.3 Расчёты плитно-ребристых пролётных строений средствами
МКЭ 30
1.4 Расчёты грузоподъёмности. Дефекты и повреждения пролётных строений 31
1.5 Выводы по главе 33
2 РАСЧЁТНЫЕ СХЕМЫ МКЭ ДЛЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСЧЁТА БАЛОЧНЫХ ПРОЛЁТНЫХ СТРОЕНИЙ 36
2.1 Расчётное моделирование методом конечных элементов исследуемых пролётных строений 36
2.1.1 Используемые конечные элементы (КЭ) 36
2.1.2 Расчётные модели балок пролётных строений 37
2.1.3 Задание жесткости элементов конструкции пролётного строения при пространственном расчёте 42
2.1.4 Сравнительный анализ расчётных моделей 44
2.2 Сравнение результатов пространственного расчёта по методам технических теорий и по МКЭ 46
2.3 Уточнение расчёта плиты типовых пролётных строений 49
2.3.1 Определение расчётных положений временных нагрузок АК и НК и участков (сечений), в которых возникают наибольшие усилия 49
2.3.2 Сравнение результатов расчётов по предлагаемому методу (МКЭ) и по «инженерному» методу, разработанному в 1960-х годах 50
2.3.3 Анализ причин расхождения изгибающих моментов по результатам расчётов МКЭ и инженерного метода 53
2.4 Выводы по главе 57
3 ДЕФОРМАЦИОННЫЙ НЕЛИНЕЙНЫЙ РАСЧЁТ БАЛОК ТАВРОВОГО СЕЧЕНИЯ С ОБЫЧНЫМ АРМИРОВАНИЕМ 59
3.1 Описание расчётной модели 59
3.2 Способы решения прикладных задач 64
3.2.1 Задачи о влиянии длительных деформаций бетона на распределение напряжений и деформаций в элементарном отрезке балки таврового сечения 64
3.2.2 Алгоритм решения задачи о расчёте таврового сечения железобетонной балки в соответствии с трёхлинейной диаграммой состояния бетона 81
3.3 Алгоритм и программа деформационного расчёта балочных пролётных строений с обычным армированием 89
3.3.1 Назначение алгоритма, решаемые задачи 89
3.3.2 Исходные данные 90
3.3.3 Выходная информация 90
3.3.4 Блок схема алгоритма 91
3.3.5 Программа GRUZ 95
3.4 Примеры расчётов пролётных строений 96
3.4.1 Пример №1 96
3.4.2 Пример №2 101
3.5 Выводы по главе 106
4 РЕШЕНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАДАЧ 108
4.1 Определяющие проверки при проектировании пролётных строений 108
4.2 Результаты пространственных расчётов пролётных строений на действие временных нагрузок АК и НК (GRUZ) 114
4.3 Расчёты прогибов и строительных подъёмов балок типа 1 116
4.3.1 Расчёт и сравнение прогибов 116
4.3.2 Расчёты строительных подъёмов балок типа 1 119
4.4 Параметры несущей способности и грузоподъёмности типовых пролётных строений 120
4.4.1 Показатели несущей способности и грузоподъёмности балок 120
4.4.2 Метод расчёта и показатели несущей способности и грузоподъёмности плиты 122
4.5 Выводы по главе 127
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 128
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 131
ПРИЛОЖЕНИЕ АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ 147
Введение к работе
Диссертация посвящена развитию и совершенствованию теории и методов расчётов балочных плитно-ребристых пролётных строений автодорожных мостов по типовым проектам института Союздор- проект, разработанным в период с 1962 по 2002 г. Исследуемые в диссертации системы из балок таврового и двутаврового сечения без диафрагм с обычной и высокопрочной арматурой, являются наиболее распространённой разновидностью пролётных строений эксплуатируемых и строящихся мостовых сооружений. Согласно «Концепции улучшения состояния мостовых сооружений на федеральной сети- автомобильных дорог России (на период 2002-2010 г.г.)» (Росавтодор, 2003) доля таких пролётных строений в составе мостов на дорогах России превышает 50 %.
Несмотря на длительные сроки эксплуатации, неблагоприятные климатические условия, недостаточный технический уровень содержания, исследуемые пролётные строения в своём большинстве не исчерпали ресурс несущей способности, полностью или частично сохраняют пригодность к нормальной эксплуатации или ремонтопригодность.
Методы расчётов пролётных строений рассматриваемого типа сформированы и сохраняются с небольшими изменениями с 50-70-х годов прошлого века. Эти методы, основанные на решениях технических теорий того времени, не отражают современные достижения строительной механики и вычислительной техники. В настоящее время проблемы теории расчёта балочных пролётных строений актуализировались в связи со следующими возникшими в последние годы техническими задачами:
-массовыми расчётами несущей способности (грузоподъёмности) эксплуатируемых пролётных строений с учётом дефектов и повреждений;
-расчётами при проектировании ремонтов, уширений (увеличений габаритов), усилений пролётных строений с длительными сроками эксплуатации;
-использованием резервов несущей способности существующих пролётных строений в связи,с происходящим переходом на новые расчётные нагрузки А14 и НК-100.
Современные исследования показывают необходимость пропуска по дорогам России нагрузок, превышающих Н-30, А11, НК-80. В нормах проектирования мостовых сооружений в Москве (МГСН 5.02-99) предусмотрены расчётные нагрузки А14 и НК-100. На эти нагрузки рассчитаны мостовые сооружения на МКАД, строящейся Петербургской кольцевой автодороге, другие объекты на федеральных дорогах России. В то же время большинство мостовых сооружений современной дорожной сети, а также типовые балки, выпускаемые в настоящее время заводами. МЖБК, рассчитаны на нагрузки All и НК-80.
Актуальность темы диссертации связана с задачей оценки и вскрытия, резервов несущей способности эксплуатируемых, строящихся и реконструируемых балочных пролётных строений на, основе использования современных методов, инженерных расчётов, главным из которых является метод конечных элементов (МКЭ) и его программное обеспечение.
Цель исследования. Разработка методов расчётного анализа и определение параметров несущей способности (грузоподъёмности) по нагрузкам АК и НК современных эксплуатируемых и проектируемых пролётных строений с обычной и высокопрочной арматурой с использованием средств расчётной схематизации. МКЭ и нелинейной расчётной модели, железобетона.
Задачи, исследования:
- обоснование расчётных схем МКЭ для пространственного расчёта балочных плитно-ребристых пролётных строений с обычной и высокопрочной арматурой;
-анализ и сравнение методов пространственного расчёта пролётных строений с использованием инженерных решений- строительной механики 1960-1970 г.г. и МКЭ;
-разработка и обоснование методики и программного обеспечения расчёта балок пролётных строений с обычным армированием с учётом физической нелинейности (трёхлинейной диаграммы состояния при сжатии, беспрепятственного деформирования при растяжении, ползучести и усадки) бетона;
-расчётный анализ, определение параметров несущей способности (грузоподъёмности) по нагрузкам АК и НК балок типовых пролётных строений с обычной и высокопрочной арматурой;
—расчётный анализ, определение параметров грузоподъёмности плиты исследуемых типовых пролётных строений по нагрузкам АК и НК.
Научная новизна:
По специальности 05.23.17
1. Расчётный анализ и. обоснование конечно-элементных моделей балочных плитно-ребристых систем таврового и двутаврового сечений с использованием конечных элементов (КЭ) следующих видов: прямоугольных КЭ плиты с тремя степенями, свободы в узле; прямоугольных пластинчатых КЭ с шестью степенями свободы в узле; восьми узловых параллелепипедов с тремя степенями свободы в узле; стержневых КЭ с шестью степенями свободы в узле без жёстких вставок и с жёсткими вставками, учитывающими взаимное высотное положение плиты и центров тяжести рёбер.
2. Моделирование изгибаемой железобетонной балки таврового сечения плитно-ребристого пролётного строения с обычным армированием со следующими видами физической нелинейности:
-деформированием бетона5 при растяжении- без сопротивления и при • сжатии в соответствии с билинейной или трёхлинейной диаграммой;
- ползучестью (по теории старения) и усадкой бетона;
-пластическим течением арматуры после достижения напряжениями расчётного сопротивления.
3. Способы и алгоритм решения прикладных задач для расчёта изгибаемой железобетонной балки по пункту 2:
-о влиянии ползучести и усадки бетона на распределение напряжений и деформаций в элементарном отрезке изгибаемой железобетонной балки таврового сечения при билинейной диаграмме состояния бетона (принимая высоту сжатой части сечения изменяющейся при протекании длительных процессов);
-о распределении напряжений и деформаций в тавровом сечении изгибаемой железобетонной балки при трёхлинейной диаграмме состояния бетона.
По специальности 05.23.11
1. Сравнение результатов пространственных расчётов балочных плит- но-ребристых пролётных строений по инженерным методам технических теорий строительной механики и линейным версиям МКЭ; обоснование вывода о том, что расхождение результатов сравниваемых корректных методов пространственных расчётов (по изгибающим моментам и поперечным силам в балках исследуемых пролётных строений) составляет не более 10-15 %.
2. Разработка алгоритма и программного обеспечения инженерного деформационного расчёта балочных пролётных строений с обычным армированием с учётом физической нелинейности (билинейной или трёхлинейной диаграммы состояния при сжатии, беспрепятственного деформирования при растяжении, ползучести, усадки) бетона, билинейной диаграммы состояния арматуры; разделение по результатам расчёта относительных деформаций сжатой части железобетонного сечения на «упругие» и длительные пластические, включающие ползучесть и усадку бетона; обоснование разработанного алгоритма путем сравнения расчётных и фактически измеренных прогибов эксплуатируемых пролётных строений.
3. Способ определения «граничного» изгибающего момента от постоянных и временных нагрузок в балке таврового сечения плитно-ребристого пролётного строения с обычным армированием, соответствующего достижению соотношения между напряжениями и «упругой» частью (без ползучести и усадки) относительных деформаций бетона и арматуры границы линейности в соответствии с законом Гука при следующих условиях: билинейных диаграммах состояния бетона (при сжатии) и арматуры, деформированию бетона без сопротивления при растяжении; линейной связи (в соответствии с гипотезой плоских сечений) между относительными деформациями бетона (с учётом ползучести и усадки), сжатой и растянутой арматуры.
Достоверность научных результатов исследования основывается на следующих положениях:
-использовании в качестве научной основы исследования теоретических положений и физических уравнений теории железобетона, которые получили закрепление в нормативно-методических документах по проектированию (СНиП 2.03.01-84, СНиП 2.05.03-84 , СП 52-101-2003), многократно проверены при расчётах и проектировании широкого круга строительных конструкций и объектов строительства; в лабораторных и натурных экспериментах;
—использовании в качестве математической основы расчётных методов и процедур (МКЭ, метода упругих решений); корректность которых является доказанной;
—достаточной для исследования в инженерной области степени соответствия результатов расчётов и результатов измерений на эксплуатируемых объектах и по данным, взятым из архивных материалов.
Методы расчёта и расчётные процедуры, разработанные или используемые в диссертации, являются,математически корректными; в диссертации не используются недоказанные научные положения.
Практическая значимость результатов исследования: -адаптация к условиям,решаемых задач расчётных процедур,МКЭ в составе программных комплексов LIRA, SCAD;
-программа GRUZ и компьютеризированная методика деформационных расчетов балок железобетонных пролётных строений с обычным армированием;
-показатели несущей способности и грузоподъёмности балок и плит проектируемых и эксплуатируемых пролётных строений по действующим и ранее действовавшим типовым проектам (Союздорпроект, 1962 - 2002).
Внедрение результатов работы. Разработанные теоретические положения, методы и модели использованы: в расчетах при проектировании и обследованиях мостовых сооружений в научно-проектных предприятиях ООО «Мостинжсервис плюс», НИЦ «Дормост» при ВГАСУ; в лекционном курсе «МКЭ и МГЭ в строительной механике» магистерской подготовки студентов ВГАСУ по программе «Теория и проектирование зданий и сооружений» направления 270100 «Строительство».
Положения, выносящиеся на защиту.
1. Конечно-элементный метод пространственного расчёта пролётных строений с использованием расчётных моделей, включающих прямоугольные КЭ плиты с тремя степенями свободы в узле; прямоугольные пластинчатые КЭ с шестью степенями свободы в узле; восьмиузловые параллелепипеды с тремя степенями свободы в узле; стержневые КЭ с шестью степенями, свободы в узле без жёстких вставок и с жёсткими вставками; учитывающими взаимное высотное положение плиты и центров тяжести рёбер.
2. Способ расчёта балки таврового сечения железобетонного пролётного строения с обычным армированием со следующими видами физической нелинейности:
-деформированием бетона при растяжении без сопротивления, и при сжатии в соответствии с билинейной или трёхлинейной диаграммой;
-ползучестью (по теории старения) и усадкой бетона;
-пластическим течением арматуры после достижения напряжениями- расчётного сопротивления.
3. Алгоритм и программное обеспечение инженерного деформационного расчёта балочных пролётных строений с обычным армированием с учётом физической нелинейности (билинейной или трёхлинейной диаграммы состояния при сжатии, беспрепятственного деформирования при растяжении, ползучести, усадки) бетона, билинейной диаграммы состояния арматуры.
4. Показатели несущей способности (грузоподъёмности) плит исследуемых пролётных строений по нагрузкам АК и НК по СНиП 2.05.03-84 по результатам расчётов в соответствии с принятыми допущениями, разработанными расчётными схемами и алгоритмами.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-практических конференциях «Проблемы механики и надежности строящихся, эксплуатируемых и реконструируемых мостов на автомобильных дорогах» (ВГАСУ - НИЦ "Дормост", Воронеж, 20042007 г. г.), I международной научно-практической конференции «Оценка риска и безопасность строительных конструкций» (Воронеж, 2006 г.), VIII международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии» (Тула, 2007 г.), международных академических чтениях «Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения» (Курск, 2007 г.).
Публикации. Основные результаты исследования и содержание диссертационной работы изложены в семи статьях, опубликованных в сборниках научных работ. Одна статья опубликована в издании, входящем в перечень, определенный ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованных источников и приложений. Диссертация содержит 150 страниц, в том числе 100 страниц машинописного текста, список литературы из 132 наименований, 56 рисунков и 20 таблиц, приложение.
