автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА И ТЕОРИЯ РАСЧЕТА ДЕРЕВОЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ БАЛОЧНЫХ АВТОДОРОЖНЫХ МОСТОВ

доктора технических наук
СТУКОВ, ВАЛЕРИЙ ПАВЛОВИЧ
город
Москва
год
2012
специальность ВАК РФ
05.23.11
цена
450 рублей
Диссертация по строительству на тему «КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА И ТЕОРИЯ РАСЧЕТА ДЕРЕВОЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ БАЛОЧНЫХ АВТОДОРОЖНЫХ МОСТОВ»

Автореферат диссертации по теме "КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА И ТЕОРИЯ РАСЧЕТА ДЕРЕВОЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ БАЛОЧНЫХ АВТОДОРОЖНЫХ МОСТОВ"

005012796

На правах рукописи

СТУКОВ ВАЛЕРИЙ ПАВЛОВИЧ

КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА И ТЕОРИЯ РАСЧЕТА ДЕРЕВОЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ БАЛОЧНЫХ АВТОДОРОЖНЫХ

МОСТОВ

05.23.11. Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 9 [ * \р ЇЇЇІІ

Архангельск 2012

005012796

Работа выполнена в Северном (Арктическом) федеральном университете

им. М.В. Ломоносова

Научный консультант - доктор технических наук, профессор Смирнов Владимир Николаевич

Официальные оппоненты:

Саламахин Павел Михайлович, доктор технических наук, профессор, Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ), профессор кафедры «Мосты и транспортные тоннели»; Белуцкий Игорь Юрьевич, доктор технических наук, профессор, Тихоокеанский государственный университет (ТОГУ), заведующий кафедрой «Мосты, основания и фундаменты»; Васильев Виталий Захарович, доктор технических наук, профессор, Петербургский государственный университет путей сообщения, профессор кафедры «Прочность материалов и конструкций»

Ведущая организация - ФГУП «РосдорНИИ»

Защита состоится « _2012 г. в часов

на заседании диссертационного совета Д 212.126.02 ВАК РФ по присуждению ученой степени доктора технических наук в Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ) по адресу: 125319, Москва, Ленинградский проспект, 64, ауд. 42. Телефон для справок -8(499) 155-93-24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ (ГТУ). Автореферат разослан ^ ¿¿г^к^тЯ^-^ 2012 г.

Просьба высылать отзывы в количестве двух экземпляров, заверенные печатью,

по указанному адресу

Ученый секретарь диссертационного совета канд.техн.наук, профессор

Н.В. Борисюк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы определяется практически отсутствием в отечественном мостостроении опыта применения деревянных и деревожелезобетонных мостов современной конструкции, которые успешно эксплуатируются в США, Канаде и странах Скандинавии при среднем сроке службы 50 лет и более и стоимости, равной 2/3 стоимости стального или железобетонного.

В России число мостов, построенных из клееной древесины, не превышает сотни, а с деревожелезобетоными балками - десятка. Отечественное мостостроение теряет, если уже не потеряло, целое направление развития деревянных мостов, по мировой оценке - экономичных, долговечных, простых в строительстве, экологичных, возводимых из строительного материала, который самовосстанавливается в природе. Современный деревянный мост с пролетными строениями из клееной древесины, в т. ч. совместно с железобетоном, должен занимать достойное место в отечественном мостостроении.

Успешное развитие мостов с деревожелезобетонными пролетными строениями возможно с использованием современных методов проектирования, в частности системного подхода, где учтены взаимосвязь конструктивных и организационно-технологических решений пролетных строений при необходимости их совместного рассмотрения уже на ранних этапах проектирования.

Разработке подлежит конструктивно-технологическая система (КТС) деревожелезобетонных пролетных строений, в которой системообразующим элементом, обуславливающим формирование и функционирование КТС, является деревожелезобетонное пролетное строение, а технология строительства - подчиненным. В аспекте развития КТС деревожелезобетонных пролетных строений рассмотрены ретроспектива и перспектива их функционирования, что необходимо для понимания генезиса КТС, альтернативных путей ее развития.

Успех формирования КТС деревожелезобетонных пролетных строений зависит от обеспеченности рассматриваемого вопроса: информации по построенным и эксплуатируемым мостам, наличия нормативных документов, конструкционных решений, типовых проектов, отработанных на практике технологий и организационных решений и т. п. При отсутствии или явной недостаточности исходных данных существенно возрастает роль научных исследований, поскольку они сужают круг неопределенностей и позволяют ускорить фомирование КТС. Отсюда цель и направления исследований, что подчеркивает актуальность диссертационной работы.

Цель и задач исследований. Целью диссертационной работы является разработка КТС деревожелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов на основе разработки конструкции, методов ее расчета и технологии производства.

На реализацию поставленной цели направлено решение следующих основных задач:

1. Разработка структурной модели КТС «Деревожелезобетонное пролетное строение»;

2. Теоретические исследования напряженно-деформированного состояния деревоже-лезобетонной балки;

3. Исследования клееной древесины и ее состояния после длительного периода эксплуатации в мостовом сооружении; обоснование целесообразности использования клееной древесины совместно с железобетоном; принятие наиболее эффективной конструкции соединения ветвей композитной балки; разработка теории расчета жесткости соединения ребра и плиты; деревожелезобетонной балки как одиночной, так и в составе пролетного строения; решение вопросов ее рационального решения;

4. Теоретические и экспериментальные исследования деревожелезобетонных балок с ребрами из клееной и цельной древесины при различных видах связей между ребром и плитой балки;

5. Разработка программ расчета деревожелезобетонных балок и пролетных строений из них;

6. Исследования конструирования железобетонной плиты и деревожелезобетонных пролетных строений в целом; разработка конструктивных решений объединения ребра и плиты деревожелезобетонной балки;

7. Разработка конструктивных решений деревожелезобетонной балки, узлов, конструкций сопряжений с опорами моста;

8. Исследования технологии производства массивных большепролетных клееных балок с целью их качественного изготовления и применения в мостостроении; разработка технологической оснастки для изготовления плит балок;

9. Разработка проектов опытных деревожелезобетонных пролетных строений и внедрение предложенных методов расчета в проектирование новых, реконструкцию старых мостов и учебный процесс вузов.

Решение этих задач проводилось частично в соответствии с научно-технической программой ГКНТ «Автомобильный транспорт «по подэтапу НТО (письмо 55-М/181 от 29.12.87 г. с решением Координационного совета программы) и планом научно-исследовательской работы АЛТИ (г. Архангельск) с 1985 по 1997 гг. (номера государственной регистрации тем 018500239878, 01860040980, 01890048791, 01900009591, 01920011332, 01930004360, 01940003027, 01960010834). Автор диссертации являлся руководителем и ответственным исполнителем научно-исследовательских работ.

Методика исследований определена спецификой разрабатываемой тематики. Методологической базой разработки КТС деревожелезобетонных пролетных строений послужили работы, связанные с системотехническим методом проектирования. В основе научных исследований по использованию клееной древесины и железобетона в комбинированных балках пролетных строений автодорожных мостов лежат теоретические исследования работы нагеля в древесине, жесткости нагельного соединения ветвей балки, исследования напряженно-деформированного состояния балки, метод расчета при принятом виде связей и предложенный автором метод пространственного расчета балочных пролетных строений, в совокупности определяющие направленность экспериментальных исследований, лабораторные и натурные эксперименты балок и пролетных строений, опытное проектирование и строительство.

Достоверность научных положений, выводов и методики подтверждена современными физико-техническими методами исследований и апробации, удовлетворительной сходимостью теоретических и экспериментальных данных, положительными результатами апробации и внедрений, практикой проектирования, строительства и эксплуатации мостовых сооружений.

Научная новизна

Разработана структурная модель КТС «Деревожелезобетонное пролетное строение», выделены подсистемы и установлены связи между ними.

Для аргументированного описания входных параметров и показателей качества на выходе КТС:

1. Выполнены комплексные исследования состояния клееной древесины после длительной эксплуатации в мостовом сооружении и на их основе показана целесообразность ее использования в современном отечественном мостостроении;

2. Разработаны основы расчета жесткости нагельного соединения ветвей деревожелезобетонной балки;

3. Созданы теоретические основы расчета балки деревожелезобетонного пролетного строения как составного стержня с упругоподатливыми связями сдвига между ветвями с принятием в расчетах дискретных связей при напряжениях по контакту с древесиной, не превышающих сопротивления смятию. Получены решения для нагрузок и температурных воздействий;

4. Разработан пространственный метод расчета, рассматривающий поперечную конструкцию пролетного строения как многопролетную неразрезную балку на упру-гооседающих и упругоповорачивающихся опорах, для пролетных строений с цельными и составными балками;

5. Проведены теоретические и экспериментальные исследования деревожелезо-бетонных балок с ребрами из клееной и цельной древесины и сборной железобетонной плитой, в резулбтате которых определены особеннности и дана оценка силового взаимодействия деревянных балок с железобетонной плитой как ветвей составного стержня, исследованы деформации растяжения-сжатия вдоль волокон древесины, сдвига, отрыва-прижатия между ветвями, прогибы балок, бимодульность древесины в изгибаемом элементе;

6. Произведено сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований с использованием теории и программ расчета, разработанных автором;

7. Выполнены исследования деревожелезобетонных пролетных строений, позволившие внести новые предложения по разработке их конструкции;

8. Разработаны конструктивные решения балки, узлов для деревожелезобетонного пролетного строения, конструкции сопряжений с опорами моста; решены вопросы рационального проектирования балки деревожелезобетонного пролетного строения;

9. Предложены конструктивно-технологические решения объединения плиты и ребра деревожелезобетонной балки с использованием нагельного соединения;

10. Опыт реконструкции пролетных строений реального объекта показал необходимость и эффективность комплексного решения вопросов совершенствования деревожелезобетонных пролетных строений на основе научных исследований.

Практическая значимость и реализация результатов работы. Практическая значимость подтверждается внедрением диссертационного исследования.

Разработана структурная модель КТС «Деревожелезобетонное пролетное строение», выполнены исследования и предложена теория расчета, необходимые для аргументации описания входных параметров КТС и ее показателей качества на выходе. Полученные результаты дают возможность:

1. Использовать результаты исследований состояния клееной древесины после длительной эксплуатации в мостовом сооружении в проектировании и назначении сроков эксплуатации современного деревянного моста;

2. Использовать теорию расчета жесткости нагельного соединения ветвей дерево-железобетонной балки как составного стержня с упругоподатливыми связями между ветвями, разработанный и внедренный программно-математический комплекс в исследованиях и проектировании строительных конструкций с целью их совершенствования или создания новых конструктивных форм;

3. Продолжить исследования деревожелезобетонных балок и пролетных строений из них на основе выполненных экспериментальных исследований с расширением и конкретизацией перечня параметров, требующих отражения в комплексных исследованиях;

4. Использовать результаты исследований деревожелезобетонных пролетных строений, их конструкционные решения, предложения по рационализации, конструкции сопряжений пролетных строений с опорами моста в практике мостостроения;

5. Использовать результаты исследований производства и рекомендации по улучшению качества изготовления массивных большепролетных балок для их широкого внедрения в

современное отечественное мостостроение. Продолжить разработку конструктивно-технологических решений объединения плиты и ребра деревожелезобетонной балки на основе выполненных исследований и предложений;

6. Считать положительными опыт проведенной реконструкции пролетных строений с деревожелезобетонными балками, разработку технологической оснастки для изготовления сборных железобетонных плит деревожелезобетонных пролетных строений, внедрение результатов научных исследований и программ расчета в практику проектирования и учебный процесс вузов. Все внедрения подтверждены актами внедрения.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

Структурная модель КТС «Деревожелезобетонное пролетное строение», разработанная основе системотехнического метода проектирования мостов. Для аргументации описания входных параметров и показателей качества на выходе КТС выносятся на рассмотрение:

- результаты комплексных исследований состояния клееной древесины после длительной эксплуатации в мостовом сооружении;

- целесообразность использования клееной древесины совместно с железобетоном и нагельного соединения ветвей деревожелезобетонной балки;

-теория расчета жесткости нагельного соединения ветвей деревожелезобетонной балки как составного стержня;

- теоретические основы расчета балки деревожелезобетонного пролетного строения как составного стержня с упругоподатливыми связями сдвига между ее ветвями при принятии в расчетах дискретных связей при напряжениях по контакту с древесиной, не превышающих сопротивления смятию древесины. Получены решения для нагрузок и температурных воздействий;

- пространственный метод расчета, рассматривающий поперечную конструкцию пролетного строения как многопролетную неразрезную балку на упругооседающих и упруго-поворачивающихся опорах, которыми служат главные балки пролетного строения, для пролетных строений с цельными и составными балками;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований деревожелезобетонных балок с ребрами из клееной и цельной древесины и сборной железобетонной плитой, в которых раскрыты особенности и дана оценка силового взаимодействия балок из древесины с железобетонной плитой как ветвей составного стержня, исследованы деформации растяжения-сжатия вдоль волокон древесины, сдвига, отрыва-прижатия между ветвями, прогибы балок, бимодульность древесины в изгибаемом элементе;

- сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований с использованием теории и программ автора;

- программы расчета деревожелезобетонных балок и пролетных строений из них;

- результаты исследований деревожелезобетонных пролетных строений и конструктивные решения балки, узлов, пролетных строений в целом и их сопряжений с опорами моста; рациональные решения балки деревожелезобетонного пролетного строения;

- результаты исследований технологии производства массивных большепролетных деревоклееных балок для мостостроения, конструктивно-технологические решения объединения ребра и плиты деревожелезобетонной балки с использованием нагельного соединения; разработки технологической оснастки для изготовления плит пролетного строения ;

- разработанные проекты опытных пролетных строений; результаты внедрения методов расчета и конструирования в проектирование при реконструкции мостов на автодорогах Архангельской области и в учебном процессе вузов.

Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее разделы докладывались на научно-технических конференциях САФУ им. М.В. Ломоносова (ранее АЛТИ, АГТУ) в 1975- 2004 гг., МАДИ в 1985-1988 гг., СПбГАСУ (ранее ЛИСИ) в 1989-1994 гг., 2001-2003 гг., на семинаре-совещании по эксплуатации мостов в Мамонтовке Московской области (Дорожный департамент РФ) в 1995 г., на семинаре-совещании мостовиков РФ (Мос-кват-Хельсинки) 1997 г., на международных научно-практических конференциях по проблемам развития автомобильно-дорожного комплекса России в СПбГАСУ в 1997 г. и реконструкции и ремонту зданий и сооружений на Севере в АГТУ в 1992 г.; на Всероссийской научно-практической конференции «Современные технические решения по повышению надежности и долговечности искусственных сооружений и безопасности движения по ним» (2001 г., Геленджик); «Новые технологии, конструкции и материалы при строительстве, реконструкции и ремонте автомобильных дорог общего пользования РФ» ( 2002 г., Геленджик); на Международной научно-практической конференции «Реконструкция Санкт-Петербурга 2003» (2002 г., СПбГАСУ), на расширенных заседаниях кафедры «Мосты и тоннели» Автодорожного института СПбГАСУ (2003 г., 2004 г., 2007 г.), «Мосты» ПГУПС (2006 г.), «Мосты и транспортные тоннели» МГАДТУ (МАДИ) (2009 г., 2011 г), «Автомобильные дороги» С(А)ФУ им. М.В. Ломоносова (2011 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 54 работы, в том числе четыре монографии и два учебных пособия, один патент на изобретение, атакже в 8 научно-технических отчетов.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 453 страницах. Состоит из введения, девяти разделов, общих выводов, в т. ч. 167 рисунков и 39 таблиц, списка литературы из 154 источников. Представлены 4 акта внедрения результатов исследований в производство, проектирование, учебный процесс вузов и приведены струюурные схемы алгоритмов разработанных программ «СотЬу-Е», «СотЬу-Т», «Расмос», использование которых позволяет выполнить комплекс расчетов при проектировании деревожелезобетонных пролетных строений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введение

На современном этапе накоплен значительный опыт строительства и эксплуатации мостов из древесины. Способность древесины самовосстанавливаться в природе определяет повышенный интерес к древесине как конструкционному материалу в мостостроении. Современные конструктивные решения пролетного строения моста позволяют в полной мере использовать высокие эксплуатационные качества клееной древесины и рассматривать применение железобетонной плиты для конструкционной защиты и экономии клееной древесины.

Значительный вклад в совершенствование мостов из древесины и железобетона внесли инженеры Б.А.Глотов, П.П.Рожко, В.И.Кулиш, И.Ю.Белуцкий, Ю.С.Глибовицкий, Ю.О.Мельников, В.В. Накашидзе, Р. Гутковский и др. Анализ методов проектирования позволил оценить достоинства комплексного метода проектирования мостов (Н.М. Колоколов, А.А.Цейтлин, Л.В. Захаров и др.), выявить недостатки и убедиться, что лишь в рамках развивающегося системотехнического метода проектирования удалось окончательно объединить конструкцию и технологию. Становление и практическое прменение системотехники связаны с работами В.В. Дружинина, Д.С. Конторова, В.И. Николаева, Б.С. Флейшмана, А.Д. Цвиркуна, М. Азимова, Д. Бродмента, С. Грегори, У Кларка, А. Лонга, А. Ньюмена, Т.Б. Тейлора, Ф. Цвикки и др.. Значительный вклад в развитие и внедрение в мостостроение системотехнического метода проектирования внес С.Р. Владимирский. Метод опирается на последние достижения математики, кибернетики, системологии, системотехники, инфор-

матики, компьютеростроения, других наук и рассматривает пролетное строение как цельную КТС, характеризующуюся взаимосвязью проектных решений основных конструкций (ОК), технологии их возведения (ТП), вспомогательных конструкций (ВК). Разработка КТС деревожелезобетонного пролетного строения позволит ускорить процесс внедрения современных деревянных мостов в отечественное мостостроение.

В первом разделе изложено состояние вопроса исследований. Особое внимание уделено комплексному методу проектирования как предшественнику системотехнического, в рамках которого решается вопрос проектирования КТС деревожелезобетонного пролетного строения. Исследованы общие принципы построения КТС.

Круг рассматриваемых вопросов определен подготовкой к проектированию КТС деревожелезобетонного пролетного строения в условиях недостаточной информации по формированию входных параметров КТС и ее показателей качества на выходе.

Исследована специфика строительства мостов в Архангельской области. Состояние клееной древесины после длительной эксплутации в условиях жесткого температурно-влаж-ностного режима, особенности конструкции мостов, накопившиеся дефекты и их влияние на конструкцию представляют интерес для формирования оценки долговечности, соответствия конструкции условиям эксплуатации и т. п.

Для разработки подсистемы ОК необходимо знание специфики материалов и конструктивных решений деревожелезобетонных пролетных строений. С применением железобетонной плиты улучшается распределение временной нагрузки между балками пролетного строения, появляется конструкционная защита и стабилизируется оптимальный темпера-турно-влажностный режим для клееной древесины, снижается ее расход. Объединение плиты и ребра для совместной работы позволяет увеличить несущую способность и жесткость пролетного строения. Пролетное строение с деревожелезобетонными балками становится капитальным, рассчитанным на длительные сроки эксплуатации не только в нормальных условиях эксплуатации, но и в условиях промышленных зон с повышенной концентрацией в атмосфере кислот и щелочей.

В случае применения железобетонной плиты улучшаются не только конструктивные, эксплуатационные характеристики пролетного строения, но имеет место и экономия клееной древесины до 25 % в зависимости от длины пролета балки (рис. 1). Коэффициент со-ставности сечения ц/ характеризует долевое участие объединенного сечения как цельного в работе на внешнюю нагрузку при принятом виде связей. График демонстрирует устойчивую экономию клееной древесины для балки комбинированного сечения, обладающего составностью.

а) м', Рассмотрены особенности конструк-

ции плиты в монолитном и сборном исполнении и различные конструктивные типы соединений железобетонной плиты с деревоклееной балкой. Надежную работу показали нагельные соединения. Выполнен анализ литературных источников. Специфика напряженно-деформированного состояния балки комбинированного сечения с упругоподатливыми связями между ветвями, использование в качестве этих связей нагельного соединения предопределили Рис. 1. Эффективность включения в работу деревожелезобетон- выбор математического аппарата расче-ных балок: а, б-расход и эконономия клееной древесины тов Отмечается существенное влияние жесткости соединения ветвей балки на напряженное состояние балки комбинированного

б)

К,.

V

сечения. Рассмотрены три основных направления в оценке податливости по шву сопряжения ребра и плиты составных балок: в основу первого положена теория составных стержней (А.Р. Ржаницын, Ю.О. Мельников), второго-функционал приведения (В.И. Кулиш, А.А. Поре-чин, И.Ю. Белуцкий), третьего - корректировка коэффициента приведения (ЕЕ. Гибшман).

Правильный подход к учету пространственной работы пролетного строения позволяет снизить материалоемкость, получить экономичные мостовые конструкции. Работа под нагрузкой пролетного строения с деревожелезобетонными балками, имеющими упругопо-датливые связи между ветвями балки, существенно отличается от работы пролетного строения с цельными балками, что учтено в предложенном автором методе расчета.

Определены проблема и направления исследований. Разработка КТС предполагает как формирование подсистем КТС, так и связей между ними, т. е. является комплексной.

Исследования и разработки необходимо выполнить по ряду направлений: системотехника; особенности напряженного состояния; теория расчета жесткости нагельного соединения ветвей деревожелезобетонной балки; теория и методы расчета деревожелезобетон-ной балки как отдельного элемента, так и в составе пролетного строения; теоретические и экспериментальные исследования и сравнение их результатов; конструкция; состояние клееной древесины после длительной эксплуатации в построенных мостах и сохранность ее первоначальных качеств; технология производства клееной древесины для мостостроения; конструктивно-технологические вопросы объединения плиты и ребра деревожелезобетонной балки.

В конце раздела сделаны соответствующие выводы.

Во второй разделе рассмотрены исследования пролетных строений мостов с балками из клееной древесины при длительной эксплуатации в условиях Европейского Севера России. В отечественном мостостроении насчитывается не более сотни сооружений с пролетными строениями из клееной древесины, треть из них расположена на территории Архангельской области. Специфика климата и разнообразие конструктивного исполнения балочных мостов при отсутствии должного надзора при эксплуатации дали интересный материал для исследований, что позволило оценить.состояние моста и материалов, проанализировать недостатки конструктивных элементов и конструкции в целом и самое главное - состояние и целесообразность использования композитного материала - клееной древесины. Для удобства анализа все дефекты классифицируются как дефекты проектирования, изготовления, строительства и эксплуатации. Приведены подробные таблицы недостатков и дефектов по 28 мостам. Почти у 60 % мостов разрушен продольный деревянный настил, у 30 % - поперечный, у 50 % мостов обнаружено загнивание древесины элементов (в основном неантисептированная древесина настила), у 36% разрушению подвержены деревоклее-ные балки. Несоответствие конструктивного исполнения требованиям капитальности конструкции во многом усилило дефектообразование. В пролетных строениях с деревожелезобетонными балками железобетонная плита является важным элементом конструкционной защиты клееной древесины, и разработка КТС пролетных строений способствует обеспечению длительных сроков их эксплуатации.

Исследования степени сохранности качества клееной древесины выполнено после 20 лет эксплуатации в мостовом сооружении на 4-х балках длиной 18 и 12 балках длиной 9,5 м, изготовленных на клее ФР-12. Определялась степень расслаивания клеевых соединений, оцениваемая коэффициентами относительного расслоения Кр (0,005...0,25) и относительной сохранности Кс (0,02...0,21), что позволило оценить состояние клееной древесины после длительной эксплуатации как удовлетворительное с возможностью дальнейшего использования балок в мостовой конструкции.

По завершении исследований сделаны соответствующие выводы.

Третий раздел посвящен разработке КТС «Деревожелезобетонное пролетное строение» . При рассмотрении КТС как самостоятельной системы на уровне макропроектирования как объекта оптимальные решения получены с использованием его функциональной схемы.. Рассмотрены КТС в представлении И/ИЛИ-графа или фреймовой модели.

Все операции по проектированию КТС «Деревожелезобетонное пролетное строение» исходили из общих задач проектирования КТС, когда выполняется поиск таких значений параметров, которые, с одной стороны, отвечали исходным требованиям, а с другой - соответствовали бы наилучшим показателям качества системы:

КТС= {С.П.О.Р},

где С - множество целей КТС; П = {К,В,Т,М} - множество подсистем КТС, в котором К, В, Т, М - соответственно множества элементов подсистем ОК, ВК, ТП, М;0 = {ОД - множество операторов соответствия; Р = {Р.} - множество параметров КТС.

На стадии рабочей документации

ктс = ок-вк-тп-м.

Вначале формируют множества допустимых вариантов (2 с П(ОК + ВК) ивсПх х(ТП + М), где О - множество допустимых вариантов КТС. Затем из множества У = С>х й с С1 методами многокритериальной оптимизации получают оптимальный вариант системы Пол. В дальнейшем в процессе детального проектирования по частным методикам оптимизации уточняют решения по комплексам (ОК + ВК) и (ТП + М) для принятого варианта КТС.

Разработана структурная модель КТС деревожелезобетонного пролетного строения.

Рассмотрены два случая прямого метода составления вариантов. В первом - разрабатываются составляющие подсистемы ОК ребро и плита, а затем и пролетное строение в целом. Во втором - разрабатывается КТС пролетного строения в целом: - е после разработки схемы формирования множества вариантов КТС (рис. 2, а) и структурно-логической схемы прямого метода составления вариантов пролетного строения (рис. 2, б) выполнен завершающий этап - разработка КТС деревожелезобетонного строения (рис. 3) и направ-

Рис. 2. Проектирование КТС деревожелезобетонного пролетного строения: а - схема формирования множества вариантов КТС; б- структурно-логическая схема метода составления вариантов КТС

1 - определение оптимальных пара-параметров КТС; 2 - формирование множества возможных вариантов пролетного строения (ОК); 3 - то же технологии изготовления и монажа пролетного строения (ТП); 4 - то же вспомогательных конструкций (ВК); 5 -то же вариантов КТС; б - добавление нового варианта КТС в множество П; 7 - проверка: есть ли еще варианты компонентов системы, на основании которых можно построить новый вариант КТС; 8 -определение показателей системы по вариантам.

Развитие КТС пролетного строения предполагает как оптимизацию, так и совершенствование. Анализ необходимых данных на входе в процесс оптимизации КТС в виде комплекта требований показал их недостаточность или отсутствие, что исключает оптимизацию.

лении ее развития.

а)

Варианты О К

Варианты ТП Варианты ВК

°9

Варианты КТС

пролетного строения □

б) Исходные данные

МножоспоД

Кт

Тт

За

Кп |дд |зі |зк |хм |хн |кт |тт |зо |хм |э> |рм

ок

Проезжал часть и тротуары

Железобетонная плита

Саяэ^юци* элементы

Ребро из клееной временны

Кр»

вк

Гр^золоЭъ«мнм« присфсвблемия

временное рвскрстмннв

7

г

V

Оп*ЛубКД

1

ЕвтоиоукмЭачнав оборцЭо ванна

Кр»и мтононасі

Автабетоносмеситали

| За |ор

Пи

Лк

ГЪ

Пдс

(Ьк

Пзксш

По

Пт

Провожая часть Тротуары

7ГТГ

Рис. 3. Структурная модель КТС «Деревожелезобетонное пролетное строение»

Прорабатывались направления совершенствования КТС за счет уменьшения вариантов, входящих во множества вариантов подсистем КТС. Для этого необходимо выполнить ряд теоретических и экспериментальных исследований.

На рис. 3 представлена структурная модель КТС «Деревожелезобетонное пролетное строение».

На входе КТС имеем параметры: а) требования, в т. ч.: Кп - к потребительским качествам, Аэ - архитектурно-эстетические, Эр - эргономические, Эк - экологические, Эт - эксплуатационные, Кт- расчетно-конструкционные, Тт- технологические; б) Хм -характеристики конструкционных материалов; в) ограничения, в т. ч.: Эо- экономические, Ро - ресурсные; г) проектные решения, в т. ч.: Кр - основных конструкций, Крв-конструктивные решения вспомогательных конструкций, Тр-технологические, Мр- по механизации, Ор-по организации строительства, Эп- экономические параметры.

На выходе КТС представлены показатели качества, которые предъявляются в соответствии с требованиями к деревожелезобетонному пролетному строению: Пн - назначения, Пк - конструктивности, Пэ - экономичности; Пэс - эстетичности, Пэр - эрго-номичности, Пэк - эксплуатационных качеств, Пэкол - экологичности, По - организаци-

онных качеств, Пт-технологичности, Пу-управляемости. Согласно требованиям системотехнического метода проектирования задача проектирования КТС состоит в поиске таких значений параметров, которые, с одной стороны, отвечали бы исходным данным, а с другой - соответствовали бы наилучшим значениям показателей качества объекта, что, по мере возможностей, предусматривается в формировании КТС «Деревожелезобетонное пролетное строение». Согласно С.Р. Владимирскому, функциональные отношения между входными факторами, параметрами проектных решений и показателями качества проекта в общем виде могут быть представлены следующим образом:

Пн (Кп, Эт, Кт, Кр, Крв, Эп); Пк = /2 (Аэ, Кт, Хм, Кр, Крв, Эп);

Пэ =/3 (Кп, Эо, Эп); Пэс =/4 (Кп, Аэ, Эр, Кр, Эп);

Пэр =/5 (Кп, Эр, Эт, Кр, Эп); Пэк =/6 (Кп, Эт, Кр, Эп);

Пэкол =/, (Кп, Эк, Ор, Тр, Кр, Крв, Эп); Пт = /8 (Кр, Крв, Тр, Эп).

По =fg (Кр, Оп, Крв, Эп)

При проектировании КТС следует стремиться максимально приблизить входные параметры и выходные показатели качества, но ни в коем случае не ставить между ними знак равенства. Некоторые параметры в частном случае могут быть равны показателям качества, но большинство показателей качества получают за счет преобразования параметров посредством приведенных выше операторов.

В конце раздела сделаны выводы:

1. Разработана структурная модель КТС «Деревожелезобетонное пролетное строение», в которой выделены ее цель, основные подсистемы, их взаимосвязи, состав и связи элементов, их связь с внешними факторами и показателями КТС;

2. Разработка структурной модели «Деревожелезобетонное пролетное строение» позволяет систематизировать вклад отдельных элементов, подсистем и факторов в глобальную эффективность КТС. Тем самым дается возможность уточнить и детализировать направления исследований взаимосвязанных аспектов функционирования и применения КТС с целью совершенствования системы в целом.

В четвертом разделе представлена разработанная автором теория расчета дере-вожелезобетонных балок как одиночных, так и в составе пролетного строения.

Деревожелезобетонные балки являются балками комбинированного сечения и относятся к составным стержням (рис.4). В расчетах поперечные связи приняты жесткими, связи сдвига - упругоподатливыми. Согласно А.Р. Ржаницыну, подобное приближение во многих практических случаях является вполне приемлемым, приводит к значительным упрощениям как всего хода решения, так и окончательных формул. Упругоподатливые связи сдвига в зависимости от конструкционного исполнения создают различную жесткость объединения ветвей балки. Сдвиг по плоскости контакта плиты и ребра балки за счет податливости связей сдвига вызывает перераспределение напряжения в частях сечения балки. Увеличение податливости соединения ведет к повышению краевых напряжений. Чрезмерное увеличение жесткости связей также нежелательно, поскольку ухудшается работа деревожеле-зобетонной балки на действие сдвигающих усилий.

Решение задачи жесткости объединения ветвей деревожелезобетонной балки является одним из основополагающих, поскольку в последующем позволяет разрабатывать альтернативные направления теории расчета деревожелезобетонных балок как композитных балок с упругоподатливыми связями между ветвями балки. Решению задачи жесткости соединения ветвей балки посвящены работы А.Р. Ржаницына, Ю.О. Мельникова, В.И. Кулиша, A.A. Поречина, И.Ю. Белуцкого, Е.Е. Гибшмана, A.B. Шумахера.

В теории расчета ветви балки, т.е.ребро и плита, объединены нагельными соединениями. Стальные нагели одним концом заделаны в бетон плиты, другим- в древесину

балки и являются дискретными связями, установленными с определенными интервалами по длине балки. При действии сдвигающих сил по шву объединения древесина ребра и бетон плиты по контакту с нагелем испытывают деформации. Древесина ребра представляет некую упругую среду, и в общем случае нагель можно рассматривать как балку, лежащую на упругом основании и загруженную на конце изгибающим моментом и поперечной силой. В случае вклеенного в древесину нагеля в работу включаются как сжатая, так и растянутая граничные зоны древесины. Упругое винклеровское основание, рассматриваемое в расчетах, является двусторонним. При постановке нагеля в заранее рассверленные отверстия «насухо» основание рассматривается как одностороннее.

При решении использован метод начальных пармегров, достаточно широко применяемый в практике расчетов. Расчеты выполнены в матричной форме, удобной для программирования.

Нагель в древесине работает в сложном напряженно-деформированном состоянии. В общем случае его можно рассматривать как балку, лежащую на двустороннем упругом основании и загруженную на конце неизвестным изгибающим моментом М0, поперечной силой Q , которой является сдвигающее усилие Т на границе соединения «плита-ребро» деревожеЛезобетонной балки в месте нагеля. Под действием на нагельное соединение силы Гнагель изогнется и ветви балки за счет совместных деформаций древесины ребра и бетона плиты сместятся относительно друг друга А = А +А (Ad, А ь- деформации древесины и бетона соответственно). Предполагается, что деформации - упругие, для древесины не превышают прочностной характеристики на смятие, поскольку в противном случае соединение получит остаточные деформации и не будет работать упруго на внешнюю нагрузку.

Для нагельного соединения Т= Тн. Заданная (а) и основная (б) системы приведены на рис. 5; расчетная схема - на рис. 6.

Однородное дифференциальное уравнение упругой оси нагеля как балки, лежащей на упругом основании, имеет вид , 4

Е/ —т- + ку = О, (D

где Е, /-модуль упругости материала и момент инерции площади поперечного сечения нагеля; у- прогиб нагеля; коэффициент жесткости линейного упругого основания-реакция, приходящаяся на единицу длины нагеля при прогибе, равном единице; k=k0dH (к0 - коэффициент постели; с/н - диаметр нагеля).

Полагаем, что основание обладает всеми свойствами винклеровского упругого основания.

Общий интеграл уравнения (1) имеет вид

yx = Clei cos fix + С2е( sin fix + cos fix + C*e~( sin fix, (2)

где з - x/L - отвлеченное число, так называемая приведенная ордината; х - ордината расчетного сечения; l = упругая характеристика балки (нагеля) и основания, кото-торая непосредственно зависит от жесткости балки (нагеля) и ее основания и имеет размерность длины. Для стального нагеля Е = £ и 1-І , где £ и /н - модуль упругости стали и момент инерции сечения нагеля соответственно.

/

плита связи (нашеми)

Р

Т /—7"

\ ребро

а)

J

связи сдвига ( р поперечные связи

_

б)

Рис. 4. Балка комбинированного сечения -составной стержень: а-балка с нагельным соединением ветвей; б-схема связей

&

U

"Si

y.'и

D__,

Рис. 5. К расчету нагельного соединения: е-заданная Рис. 6. Расчетные схемы: о-для нагеля в древесине,

система; б-основная система; 1 - железобетонная плита; 2 - деревоклееное ребро; 3 - положение нагеля до приложения нагрузки или воздействия к балке; 4—то же после приложения

б - то же в железобетонной плите

Обозначим — = ах и подставим в (2), имеем

ух = есаСх cos Рх + еалС2 sin fix + е~ахСъ cos fix + е'ш sin fix. (3)

Дифференцируя уравнение под:, получаем уравнения эпюр <рх,Мх, Qx Постоянные интегрирования С,, С2, С3, С4 определим из условий по концам нагеля:

при X = 0 <р = -?-=ч>-, ах

при * = / М=—=£/„^-^-=0;

dx <br

Q = — = EJ„ ^y- = T„; dx dx "

Q = 0.

Во всех случаях постоянные интегрирования С выражаются через у, <р, М, 0 в преде-делах I, где нагрузка отсутствует, а именно в сечениях х = 0 и х = /.

Уравнение эпюры прогибов получим подставив значения С,, С2, С3,С4 в выражение (2). При х = 0

1

-К—----—¡-)(cos 2а/+ 2 sin 2а/- 4 cos2 al - 2ch2al -У) +

a sin 2а/ + $А2а/ 4а 8£,/„а3 + <p0e"\-2ch al - 0,5ей а/sin 2а/ - 0,5sA а/sin 2а/ - яй а/cos 2 а/)]}. (4) Деформации в древесине в месте заделки нагеля получим из уравнения прогибов (4). При Дá=y0; l = a; cc=ad; a>5d(d~ диаметр нагеля), когда величины тригонометрических и гиперболических функций таковы, что

(cos 2al + 2 sin 2al - 4 cos 2 al - Ich 2al - 3) 2(sin 2al + sh 2a/)

(~2ch al - 0,5ch al sin 2a/ - 0,5sh al sin 2al - sh al eos 2 al) 2(sin 2a/ + sh 2a/)

выражение (4) принимает вид

..... (6)

-1,

-= о,

(5)

_ ' 2а, АЕ,1па]'

где «<, = —характеристика жесткости нагеля и древесины; к = ¿^-коэффциент ' 1 » жесткости линейного упругого основания - древесины.

Сдвигающая сила Г = Тн при х = О

Тн2EsIHa2 (cos 2al + 3sin 2al + 2sh2al -1)

T--

4EJ„cc2 2(sin 2al + shlal)

<p0 (eos 2al + 3 sin 2al + 2sh2al -1)

= 2EJa [т. -

2 2(sin 2al + shlal)

+ <Рцаеа' (-Q,5chal sin 2 al + 0,5 shal sin 2 al + sh eos2 al)]. (7)

Решим уравнение (7) относительно (з„ принимая во внимание (5):

т„

90 - 2E,iy ' (8)

Подставив в выражение (6), имеем

3 Т.

А, =■

4 Е,1.а\ AE,Imal 2 Е,1.а\ Деформация Аь (рис. 5) определяется аналогично Д . и равна

(9)

К

yj/llVi •< ^ V/1 Ш1Ш1Ш И 1I1U d '

где аь = 41 ^ ^ -характеристика жесткости нагеля и бетона; к= ¿^-коэффициент 1 » жесткости линейного упругого основания - бетона.

Жесткость нагельного соединения

Г,

сД с(Д„+Д„)' (Н)

где с - расстояние между нагелями.

Стальные нагели выполняют из арматурной стали кл. A-I или A-II, модуль упругости которых, согласно нормам 2,06 1 05МПа, и реже из A-III — модуль упругости 1,96 МПа.

Коэффициенты постели древесины и бетона, согласно литературным источникам, *м=3400 кг/см3 и =1200 ...1500 кг/см3.

Подставим значения д d ид ь из (9) и (10) в (11) и опуская промежуточные преобразования получим з з

G = (175,2...197,1)—М77а.сл< = (175,2...197,1)102 —Я/cjw . (12)

п п

Формула (12) позволяет выполнить ряд исследований зависимости жесткости нагельного соединения G от диаметра нагеля dH (рис. 7) и расстояния (шага) между нагельными соединениями подлине деревожелезобетонной балки ndH (рис. 8). Используется среднее значение G. Как видим из графиков, жесткость G существенно зависит от диаметра на-геля и его шага по длине балки. Для нагельного соединения напряжения в материале по контакту с нагелем не должны превышать напряжений смятия: для древесины R^ для бетона Rb. Этим обеспечивается отсутствие расстройств объединения ветвей балки. В несущей способности нагеля Г предусмотрено условие равенства напряжений по контакту нагеля с древесиной расчетной характеристике R^.

В работах В.И. Кулиша несущую способность дискретных связей в случае нагелей из арматурной стали с глубиной заделки в древесину 5d<, а< ldH предложено опреде-делять по формуле Т - 900adH, жесткость нагельного соединения, где Я/см

GT = 2EÍl (13)

Вслучае, когда нагельное соединение состоит из л,стержней, формулы (13) и (12) принимают вид 3 3

С = (175,2-197,1)-^-МПасм = (175,2-197,1)102 ^Ь., (14> 15)

Д„ и п

где и - количество связующих элементов на 1 пог. м балки; д = 0,04 см - деформации сдвига, соответствующие расчетному значению несущей способности связи (нагеля).

10 16 25 32 Диэме-тр нагелей сГп, мм

Рис. 7. График зависимости жесткости нагельного соединения С от диаметра нагеля <1н (¿и =10,16,25,32,40мм)

Расстояние между нагельными соединениями. В £*П

Рис. 8. График зависимости жесткости нагельного соединения С от шага соединений пй (п = 5,10,15,20,25)

На рис. 9 представлены графики изменения жесткости нагельного соединения в зависимости диаметра стержня нагеля шага нагелей по длине балки а также графики жесткости нагельного соединения, определенные по формуле (15) при я, =1 для диаметров нагелей <1= 10,16, 25, 32, 40 мм. Информация может быть использована для определения рационального шага нагелей по длине деревожелезобетонной балки. Погонная жесткость шва соединения (7Т, соответствующая несущей способности нагельного соединения, определена по формуле (15) при л,= 1.

Пересечение графиков жесткостей нагельного соединения и б для соответствующих диаметров нагелей дает на оси абцисс величину рационального шага нагелей по длине балки при их ранее заданных характеристиках. Принятие шага нагелей меньше рационального возможно, напряжения в древесине в зоне контакта будут меньше , однако

будет недоиспользована их несущая способность. При большем шаге жесткость нагельного соединения недостаточна, его надлежащая несущая способность не обеспечена.

В теории расчета деревожелезобетонной балки в случае нагельного соединения плиты и ребра поперечные связи и связи сдвига конструктивно совмещены в одних и тех же элементах, т. е. нагелях. Для работы связей можно считать действительным закон Гука. Внутреннее напряженное состояние каждого стержня в составе составного счи-

И

:

\

А-,

1

\ V

\ \

1 1

-»-сю — 016 -►-025

— в32

— (340

— ОТЮ

— ОТ18

— вТ25

— СТ32

— СТ40

5 10 15 20 25 Расстояние между нагетъными соединениями, в (Уп Рис. 9. К расчету рационального шага нагелей деревожелезобетонной балки тается полностью определенным, определенным, если известны значения моментов, нормальных и поперечных сил в каждом поперечном сечении.

При расчете деревожелезобетонной балки возможны следующие допущения: 1. В составном стержне, которым является деревожелезобетонная балка, где длина значительно превышает высоту ее полного сечения, влияние податливости поперечных связей невелико.

2. Поперечные связи можно считать абсолютно жесткими, поскольку предположение об абсолютной жесткости поперечных связей вполне согласуется с гипотезой об отсутствии поперечных деформаций в отдельных стержнях, рассчитываемых по классической теории изгиба, лежащей в основе сопротивления материалов.

Составная балка с упругоподатливыми связями сдвига одну часть изгибающего момента воспринимает как балка цельного сечения (А^), другую - ветвями балки, т. е. ребром и плитой, вследствие сдвига между ветвями (М2). Опуская пояснения, принимаем

М=М1+М2=М0-М=М0-ТС к, (16)

где М0-изгибающий момент в балке от действия нагрузки с учетом усилий, передаваемых от поперечных связей и связей сдвига, т. е. как в композитной монолитной балке; Тс - сдвигающее усилие, приходящееся на одну связь (нагель); ц> - расстояние между центрами тяжести сечений ветвей балки, т. е. ребра и плиты.

Анализируя напряженно-деформированное состояние связи (нагеля), можно увидеть аналогию в ее работе с упругоповорачивающейся опорой, развивающей реактивный момент, пропорциональный жесткости при повороте и углу поворота. На рис. 10 приведена схема деформаций при перемещении нагеля из положения 1 в положение 2 при действии сдвигающего усилия Т между ветвями балки. При своем перемещении нагель деформирует древесину и бетон как балка на упругом основании. Он смещается не только линейно вдоль шва, но и испытывает угловые деформации. В целом это перемещение представляет упругий поворот стержня нагеля в метериалах соединяемых элементов, т. е. в древесине и бетоне.

Рис. 10. К расчету жестюсти нагельного соединения при повороте нагеля: я-положениенагелявпроцессе работы соединения; б~ схема деформаций; 1 и 2 - положение нагеля до и после перемещения соответственно; 3 - направление поворота нагеля; 4 - древесина ребра балки; 5 - железобетонная плита

При повороте нагеля в древесине как упругоповорачивающейся опоры развивается момент, пропорциональный жесткости при повороте и углу поворота у{ г-й опоры,

М, = ц,у

Жесткость по шву сопряжения ветвей балки Ст и Є, согласно графикам на рис. 9 принимается по формулам (14) или (15) соответственно. Угол поворота у согласно схеме, представленной на рис.10, б, с учетом его малости

У=№=(18)

где Дсв -абсолютный сдвиг нагельного соединения, Дс>= Д] с(д] - деформация сдвига на 1 см балки, с - расстояние между нагельными соединениями по длине балки, см); I - длина нагеля, см.

Жесткости при повороте из условия М -ц .у .=

ветственно, Ясм,

ц =

450 яЛ„и,А/.

Гй/2 при Г= ОгДсв(или Сдсв) соот-ЛІпМ.

/г = (175,2...97,1)10

2п

Сдвигающая сила, приходящаяся на нагель (рис. 5,6)

Т =

(19,20)

(21)

где Q - поперечная сила от внешней нагрузки; Sred,I- статический момент площади приведенного сечения и момент инерции площади приведенного сечения соответственно.

Максимальный реактивный изгибающий момент от поворота нагельного соединения как опоры при Д = Д С1 и Q = £>0, кНм,

= (22)

S h

Обозначим ю=—^—,м., тогда М„ = тО

'«Л 2 ° (23)

На рис.10 приведены заданная и две возможные основные системы. В основной системе 1 за основу принят составной стержень лишенный связей, с последующим учетом усилий в связях сдвига, сопротивления смещению связей вследствие их податливости; в системе 2 - составной стержень с поперечными связями и связями сдвига с последующим учетом сопротивления смещению связей вследствие их податливости, что отражено в формуле (16).

Предлагаются следующие методика и порядок расчета:

1. На нагрузки до объединения ребра с плитой элементы (ветви) сечения рассчитываются как самостоятельные известными способами расчета.

2. На все последующие нагрузки сечение балки рассчитывается как составное комбинированное с учетом упругой податливости связей сдвига.

Деревожелезобетонная балка работает на внешнюю нагрузку в две стадии. На 1-й стадии получаем деформации и усилия в балке, составленной из различных материалов, вследствие упругой податливости связей сдвига между ветвями сечения при действии внешней нагрузки. Это деформации балки с сечением, составленным из ребра и плиты, не связанными друг с другом, и усилия в ребре и плите как самостоятельных элементах. На 2-й стадии определяются деформации и усилия в балке, работающей цельным сечением, составленным из различных материалов, на часть нагрузки после реализации сдвига.

Предложены два подхода к расчету деревожелезобегонной балки как составного стержня.

Первый подход - на 1-м этапе расчета рассматривается многопролетная неразрезная балка на упругоподатливых опорах, которыми являются связи сдвига с пролетами с, равными расстоянию между этими связями. При загружении внешней нагрузкой Р сдвиговые моменты М являются реактивными моментами опор, результатом расчета являются усилия и деформации деревожелезобегонной балки после реализации сдвига, когда она на соответствующую часть нагрузки Р работает цельным сечением, т. е. во 2-й стадии. На 2-м этапе рассматривается однопролетная свободно опертая балка цельного сечения пролетом I и определяются усилия и деформации от внешней нагрузки Р.

Усилия и деформации при реализации сдвига, т. е. 1-й стадии, определим как алгебраическую сумму результатов расчетов 1-го и 2-го этапов. Расчет балки комбинированного сечения с абсолютно жесткими поперечными и упругоподатливыми связями сдвига производится методом начальных параметров, который неоднократно использовался в расчетной практике и давал хорошие результаты. Используем матричную форму метода, что удобно для программирования и позволяет производить трудоемкие расчеты с применением ЭВМ. Первый подход в расчетах целесообразно применять для балок небольшого пролета, а также при использовании на этапе расчета более мощных - «кустовых» нагельных соединений со значительным шагом по длине балки для иных пролетов балки.

Второй подход - рассматривается однопролетная свободно опертая балка пролетом I. Балка загружена внешней нагрузкой Р и сосредоточенными моментами М. На 1-м этаперасчета загружение нагрузкой Р балки цельного сечения дает усилия и деформации для последующих расчетов 2-го этапа. В частности, поперечные силы Q используются для

1' р Основная система 1

Мпа 7-,«£гг" г,а г," т,% « ? Т,Л ІТ,Н" 7-А

|То_ . _1___ _ 1— — к + ^--п-1 ---"ТІ

формирования загружения балки реактивными изгибающими моментами в нагельных соединениях от сдвига ветвей, поскольку эти сдвиги про- ф порциональны поперечной силе. При загружении моментами М решаются задачи а 2-го этапа, связанные с определением деформаций и усилий 1-й стадии работы балки. Усилия и деформации в балке после реализации сдвига вет- л вей, т. е. 2-й стадии, находим как алгебраическую сумму результатов двух этапов расчета. Преимущество подхода - і е7о структура формул функций А { влияния не ограничивает чис- лЦ-ло пролетов и поэтому можно рассчитывать балки всех рекомендуемых пролетов. Недостаток - принятие сдвигов в нагельных соединениях по длине балки пропорциональ- ?) ными поперечной силе <2 из расчетов 1-го этапа мера вы- а нужденная, предназначенная для создания комплекса реактивных моментов в удаленных связях сдвига вследствие ■ ,„ „

Рис. 10. К расчету деревожелезобетоннои балки: а - заданная система; ИХ податливости. б, в- основные системы; г - расчетная схема

В первом подходе общее решение линейного дифференциального уравнения четвертого порядка изгиба неразрезной балки постоянного сечения на упругоповорачивающихся опорах (момент на опоре 0 отрицательный) в матричной форме имеет вид

Уп ■-

" А, в„ с„ "А," ~Уо* Уо,- 2 Лі Ум

-о: А'п К -с'. <Ро, 2 <Рм +

С'п К -К К МОп М0п- -2 — К Мм

с о; А", _ .бо. бс-, а. 2 бої боо.

'0 Дм .. ц 0" "0 С* С, 0'

0 с, с. .. с, 0 +м 0 К* в; о

0 -с, -К* .. -щ 0 0 -АІ2 -А1" 0

0 .. -4"' о 0 Оіг Ц' 0

"0 В,-г .. в. 0" "0 А-, Ап. 2 ... 0"

0 0 Кл Л',-2 О'и .. А; .. о; 0 0 + д 0 0 с, -К-2 СІ2 ... -о; ... с; 0 0

0 С*, Сіх ■■ с• 0 0 в;., в". 2 ... в 0

= ФИ0 + Др+Ддг-Д,+Дл. (24)

где уп - матрица, определяющая параметры балки на п-й опоре; ут, <ры, М , £> - соответственно прогиб, угол поворота, изгибающий момент и поперечная сила"'на опоре п от сосредоточенных воздействий Р, М, в, 4 приложенных на опоре і; у0і, <р0і, £>0-то же на опоре 0, принимаемой за начальную, т. е. начальные параметры, играющие роль постоянных интегрирования в общем интеграле; Ап., Ап,..., Впі,..., Сп |- функции влияния начальных параметров и сосредоточенных воздействий на прогиб у, угол поворота <р, изгибающий момент М, поперечную силу Єна опорах п-іиі;Р, М, в, Л - сосредоточенные внешние воздействия на балку-сила, момент, малое изменение угла (перелом оси), малый сдвиг соответственно; Ф - матрица функций влияния начальных параметров на у, (р, М, 0; у -матрица начальных параметров для и-й опоры; Ар, А^ Лв,Лл- матрицы функций влияния сосредоточенных воздействий Р, М, в, А.

В расчетах принят коэффициент Д характеризующий относительную гибкость связи при кручении

'■5Ь <25)

где с - расстояние между связями по длине балки; Е - модуль упругости древесины ребра балки; 1гЫ- момент инерции приведенного сечения балки; /(-жесткость на кручения связи (нагельного соединения), см. формулы (19) и (20).

Эпюры у, йЖ,2в балке. На первом этапе расчета при выводе матрицы начальных параметров рассматривается балка комбинированного сечения с п + 1 нагельными соединениями, загруженная сосредоточенной нагрузкой Р (рис. 10, а). Начало поместим на левом конце неразрезной балки, тогда два из четырех неизвестных начальных параметров будут заранее известными, а два других определяются из условий на правом конце балки:

Л/0/=-т£й; у0= 0; М = ^ = 0. (26)

Составляется система уравнений для Мы и ут с использованием выражения (24) для Мт и ут для нагрузки Р. Получаем выражение для начальных параметров <р0 и до.

^ Опуская преобразования и промежуточные обозначения, приходим к выражению Ау0= &р , решение которого относительно <р0 и <20 имеет вид Лае = А~' &,,,

ГДв г

I. В„ -(/иС„ + Д,)

Для вывода матриц эпюр деформаций и усилий используем выражение (24), начальные условия (26), равенства функций влияния. Опуская преобразования, получаем матрицы эпюр:

прогибов

(27)

ч (тС0-О0) 'А, 0 0 . 0 °1

А (иС,-Д) А А) 0 . 0 0

Вг (тС2-02) Лар + А А А . 0 0

(иС-.-Я.-,) А,-, А,-, о.., • А> 0

(тС„-Ц,) Д, А-, А-з • А А,]

.+ Д.

(28)

углов поворота, изгибающих моментов, поперечных сил соответственно:

+ £<=фм£г+Ср; Лд= Фв£г+Ьдр, (29,30,31)

где Фу; Ф ; Фл; Фу - матрицы функций влияния начальных параметров на у, <р, М, 0 соответственно; АуР', А у, АвР - соответствующие матрицы свободных членов систем уравнений.

Ординаты эпюры сосредоточенных изгибающих моментов в связях находим из зависимости М = тО .

ПОВ.И1 *-П1

Матрица эпюры сосредоточенных изгибающих моментов

Ли,«с = т(ФдЯ0Р~АвР). (32)

На втором этапе расчетов условия на опорах А и В, т. е. О и п, у0 = Л/0= уп = Мп = 0. Выражения матриц деформаций и усилий Ях, Я^ Я^ получаем из (28)-(31). Функции влияния рассчитываются как для балки постоянного сечения по соответствующим формулам. При выводе расчетных формул т = 0.

Усилия в ребре и плите балки комбинированного сечения, работающих как самостоятельные элементы, вследствие наличия сдвига между ними получаем на основе расчетов I -го этапа пропорционально их жесткостям.

Деформации и усилия в балке с цельным сечением при работе на часть нагрузки после реализации сдвига между ветвями балки определим алгебраическим суммированием результатов 1-го и 2-го этапов расчета. На основе метода разработана программа расчета «СотЬу-Е».

Особенности расчета при воздействии колебаний температуры. В балке комбинированного сечения, составленной из различных материалов, возникают усилия от воздействия колебаний температуры. В ряде случаев температурные напряжения растяжения по низу плиты имеют значительные величины и может потребоваться расчетное армирование. Для балки из древесины и железобетона решающее значение имеет различие коэффициентов линейной температурной деформации аьи ед. (для тяжелого бетона -1 ■ 10 5, на пористых заполнителях -0,7-10"5, для ячеистого, поризованного и крупнозернистых бетонов - 0,7-10"5, древесины -1,7.,.3,6-Ю"6 "С"1). С использованием расчетной схемы (рис.11, а) и метода, предложенного автором, даны решения для эпюр деформаций и усилий при воздействии температурного перепада. Расчеты производятся в два этапа:

1) рассчитывается балка комбинированного сечения с упругоподатливыми связями сдвига между ветвями как однопролетная, свободно опертая при воздействии температурных моментов М{, приложенных к балке в месте связей; определяются деформации и усилия в ребре и плите как в самостоятельных элементах вследствие упругой податливости этих связей;

2) рассчитывается балка комбинированного сечения как однопролетная, свободно опертая при отсутствии сдвига между ветвями балки; определяются деформации и усилия, соответствующие работе балки с абсолютно жесткими связями.

Различие температурных деформаций ребра и плиты Де, = (аь- «()Д1 при перепаде температур ^вызывает смещение связей и появление в них крутящих моментов Мп. Учет совместного действия температурных моментов Мг во всех связях балки осуществляется по формуле, которая согласуется со схемой деформаций при повышении температуры (рис. 11 ,б)

Рис. 11. Расчетная схема деревожелезо-бетонной балки с упругоподатливыми связями сдвига между ветвями в расчетах на температурные воздействия (а) и схема деформаций балки при повышении температуры(б) |

связи сЗша

У

^ Де.

0,5я 0,5«

0,5л-1 0,5л-1

.Кл.

д

-(0,5л-1) -(0,5л-1) - 0,5« -0,5л

где М, = цДър!а - момент в связи от деформации сдвига Дб,с; а, с- глубина заделки и шаг нагелей по длине балки соответственно. При понижении температуры знак момента меняется на противоположный.

Подход к решению задачи аналогичен выводу эпюр деформаций и усилий от внешней нагрузки с учетом специфики действия температурных моментов. В работе получены расчетные формулы матриц ут, срт, Мт, £>го , позволяющие выполнить комплекс расчета дере-вожелезобетонных балок при перепаде температуры ДКак пример, приведены матрицы эпюр изгибающих моментов:

А> о о ... о о' А а0 о ... о о

а2 а. а„ ... о о

1 -й этап

м„ =

В,-в„

Де.

лп-1

а.

а„_ а..

А,.

а..

А А

2 -й этап

"о Во " А 0"

0 в, А 0

0 Вг А"од/, ~ аг 0

0 0

0 в„ а„ 0

5 = Фм4№, + Д1

(34)

= Ф„ Дп

(34')

По результатам 1-го и 2-го этапов расчета получены матрицы деформаций и усилий. Дан анализ изменения напряженного состояния балки комбинированного сечения с упруго-податливыми связями между ветвями при повышении и понижении температуры. Отмечена необходимость учета совместного действия внешней нагрузки и изменения температуры. Разработана программа расчета «СотЬу-Т».

Разработан метод пространственного расчета балочных пролетных строений мостов. Рассмотрены особенности напряженного состояния пролетного строения и обоснована воз-

Р+-

ш

ЕГТ"

можность на основании расчета плоских сечений по длине пролета, линий влияния деформаций и усилий получить соответствующие поверхности влияния. . Как показывает практика, расчеты, связанные с ре-I | , I ■ / | | | шением дифференциальных уравнений при безупреч-

I__I____|____._______У, ности расчетной схемы конструкции, дают точность,

1 I .. -- . удовлетворяющую требованиям проектирования.

Сила Р, приложенная с экцентриситегом е к оси, может быть заменена силами Р] и Р2. При действии силы Р1 пролетное строение опускается и поворачивается на некоторый угол как сечение с жестким недеформируемым контуром (жесткий диск), при действии Р2~ как балочный ростверк, когда попе-

]____

1-1-.

J

Рис. 12. Работа пролетного строения под нагрузкой

речное сечение претерпевает значительные деформации (рис.12).

Согласно принципу независимости действия сил ординаты линий влияния усилий и прогибов могут быть найдены суммированием результатов расчетов при действии сил Р] и Р2 с учетом специфики работы пролетного строения:

у=у,1+у2г, (35)

где у,у,,у2 - ординаты линии влияния усилия или прогиба, рассчитанные соответственно по методам: рассматриваемому, «внецентренного сжатия» и методам, в основу которых положена работа пролетного строения как балочного ростверка, соответственно; % - коэффициенты.

За расчетную схему поперечной конструкции пролетного строения принята неразрезная многопролетная балка наупругоо'седающих и упругоповорачивающихся ойорах, которыми

являются главные балки пролетного строения (рис. 13).

У у

При единичных воздействиях (Р=1, / " "

М= 1,9= 1, Д = 1) только над опорами общее решение линейного дифференци-циального уравнения четвертого порядка изгиба неразрезной балки постоянного сечения на упругооседающих и упругоповорачивающихся опорах может быть представлено в виде четырех уравнений (см. таблицу).

В расчетах приняты коэффициенты аир, характеризующие относительную гибкость балок пролетного строения на изгиб и кручение:

(36)

Рис. 13. Расчетная схема поперечной конструкции балочного пролетного строения

ЬЕ1„у " 2Е1/р

где <1 - расстояние между балками поперек моста; Е - модуль упругости бетона; 1п - момент инерции поперечной конструкции пролетного строения; у, ф - прогиб и угол поворота (закручивания) главной балки (опоры) от внешней нагрузки без учета упругого распределения поперечной конструкцией распределенных нагрузки ц=\ кН/м и момента М = 1 кН-м/м соответственно.

Общая часть уравнения Влияние сосредоточенных воздействий

Р= 1 М= і <?=і Д = 1

Ун =УоЛ +м0А - б» А +1ІА,. і=1 -іїх, /=і + 1ІЛ-,

<Ры = %А -м0,в'к -й,с; -уаок п-І Ы -•їх,

М„, = -МтАк + &Д +у0,с; +<р0Д -і ЇХ, /-і /=1 -1ЇХ-, +ІІС,.

а,=б» а"+Уо1в;+?>01с;+м0,д -її: с, -1ЇХ, -іІС

Ы

Используя этот метод, можно определить прогибы, углы поворота, изгибающие и крутящие моменты, поперечные силы в главных балках, а также изгибающие моменты и поперечные силы в поперечной конструкции (плите или диафрагмах) для различных сечений по длине пролетного строения (рис. 14).

Определение матрицы начальный параметров связано с начальными условиями на концах неразрезной балки при нагрузках Р= \,М= 1, воздействиях 0 = 1 иД= 1:

М01 = -ал; а* = ОоУо,-. мш = ¡иЛ,; а, = -ш„Уг11,

где /л0, ш0, соп - жесткости на кручение и изгиб крайних опор (0, п). Матрицы линий влияния: прогибов главных балок

(37)

(4, -е>, А) СВ0+м0С0) А 0 0 . 0 0

м -®„А) А А 0 . 0 0

(А -®„ А) А А А . 0 0

(Л-, А-, А-, А-з ■ А 0

(Д. -®»А) (S.+ftCJ Z)„ А-, А-2 ■ А А

изгибающих моментов и поперечных сил главных балок

.. (38)

(39,40) (41)

где # =(1-*)/2ух; к = (1-2 х)/2у-

углов поворота главных балок А, = - Л>и.

изгибающих моментов и поперечных сил в плите или диафрагмах

(42,43)

где Фу - матрица функций влияния начальных параметров нау; Лор, Яом, Яод, ХйГ матрицы начальных параметров у0 для сосредоточенных воздействий Р=М=Ь=в=\ соответсвен-но; АуР, АуМ, Д,д, Аув - матрицы функций влияния на у от сосредоточенных воздействий P=M=h=0=\ соответственно.

Произведено сравнение результатов расчета с существующими методами, в частности с методом Б.Е. Улицкого (рис. 14). В качественном и количественном отношении сравниваемые линии влияния деформаций и усилий близки друг другу. Разработана программа расчета «Расмос».

Анализ результатов исследований методов расчета, предложенных автором, позволяет сделать следующие выводы:

- теоретические основы расчета жесткости нагельного соединения ветвей деревоже-лезобетонной балки позволяют установить жесткость связей сдвига между ними;

- теория расчета деревожелезобетонных балок как балок комбинированного сечения с упругоподатливыми связями между ветвями балки дает практическим расчетам выходные матрицы эпюр деформаций и усилий при действии внешней нагрузки и температурных воздействий;

- пространственный метод расчета «упругооседающих и упругоповорачивающихся опор» дает для практических расчетов выходные матрицы линий влияния деформаций и усилий в главных балках и усилий в плите или диафрагмах. В линиях влияния у, М, Q максимальные ординаты отличаются не более чем на 3...9 %, площади - на 2...4.3 %, в линиях влияния Ф, Mfp - соответственно 6...24 и 7...27 %;

- разработанные автором методы расчета позволяют решить комплексную задачу исследований, проектирования КТС деревожелезобетонных пролетных строений.

В пятам разделе рассмотрены теоретические и экспериментальные исследования напряженного состояния балки комбинированного сечения. Исследованию подлежали балки с ребрами из клееной (10 блоков по 2 балки в блоке) и цельной (24 блока) древесины со сборной железобетонной плитой. Исследования направлены на формирование КТС дере-вожелезобетоннх пролетных строений.

Теоретические исследования включают исследования составное™ в зависимости от вида связей и ее влияния на характер напряжений растяжения -сжатия в деревоклееном и цельном ребре и железобетонной плите и прогиб балок. Использованы разработанный автором метод и программы расчета. Рассмотрены клеевое и нагельные соединения ветвей балки.

лву„

ЛВУ?

/ва„

--л ЛВЛ7

кр 1

■к/>-г

Рис. 14. Линии влияния у0,у2,<р№ Л/р,, Л/^;

- по предлагаемому методу;

-----по методу Б.Е. Улицкого.

Задачи экспериментальных исследований включали изучение: напряженно-деформированного состояния балок комбинированного сечения, в которых ребро из клееной или цельной древесины и железобетонная плита объединены для совместной работы; жесткого (на клею) и гибкого (стальные нагели) соединений плиты с ребром; влияния составности; характера деформаций сдвига и отрыва (прижатия); материала; конструктивных особенностей балок и т.п. на работу комбинированного сечения. Составность сечения для балок с нагельными соединениями (стальные нагели с дополнительной анкеровкой в виде утолщения стержня для бетона плиты - «головками» и без них) равна 0,44 и 0, 52 (теоретические 0,563 и 0,71) для клееной и цельной древесины ребра соответственно. Основной причиной большей составности по результатам эксперимента является наличие сдвига в клеевом соединении, что не учитывалось при расчете составности.

На рис. 15 представлены результаты испытаний образцов с ребрами из клееной древесины, на рис. 16-сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Если деформации растяжения в клееной древесине ребра близки друг другу, то теоретические деформации сжатой зоны отличаются от экспериментальных. На ступени загру-жения Р = 53,6 кН (близкой к разрушающей) различие составляет 20,9 %; для прогибов

а)

б)

Рис. 15. Балка с объединением железобетонной плиты и ребра из клееной древесины стальными стержнями. Эпюры: а - деформаций растяжения-сжатия; б - прогибов в - деформаций сдвига; г - деформаций отрыва

- Эхспгрим*ытальние

- Теореепн/чеслие

- Тензоре ЗЧСТШры

Рис.16. Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований - 41,2 %. С уменьшешением нагрузки различие уменьшается.

При обработке результатов учтены бимодульные свойства древесины при изгибе. С учетом бимодульности древесины при той же нагрузке различие в деформациях древесины сжатой зоны составило 2,8 %, а прогибов 20 %; для деревожелезобетонных балок с ребром из цельной древесины при нагрузке Р = 14,1 кН (близкой к разрушающей) различие 9,88 %.

Выполнено сравнение деформаций растяжения-сжатия и прогибов для деревожелезобетонных балок с соединением ветвей балки клеевым швом. Имеет место сдвиг между ребром и плитой, следовательно и составность балки.

В конце раздела даны выводы.

В шестом разделе выполнены исследования деревожелезобетонных пролетных строений длиной 9,12,15,18,21,24 и 33 м с габаритом проезжей части Г-8 и шириной тротуаров 1,0 м, расположенных в уровне проезжей части моста. Толщина плиты 0,1,0,15 и 0,2 м. Шаг балок 1,4; 1,8; 2,2; 2,6 м. Состав полотна проезжей части традиционный для железобетонных мостов. Шаг диафрагм и их конструкция аналогичны типовым пролетным строениям мостов с деревоклееными балками. Для объединения деревоклееного ребра с железобетонной плитой использовано нагельное соединение. Рассмотрена различная степень состав-

ности объединенного сечения деревожелезобетонной балки ( равен 0,8; 0,5; 0). Для расчетов использован математический аппарат, предложенный автором. При подборе сечения деревоклееного ребра исходили из достижения нормальных напряжений в крайнем (нижнем) растянутом волокне, равных расчетному сопротивлению клееной древесины при изгибе RJh с учетом высоты клееного элемента. Оптимальная степень составности деревожелезобетонной балки находится в интервале V= 0,8.. .0,5. Если W < 0,5, то существенно снижаются эффективность железобетонной плиты в объединенном сечении. Если V > 0,8, то материальные затраты на достижение целостности объединенного сечения не сопоставимы с эффектом подобного объединения ребра и плиты и к этому не следует стремиться. Случай ц/ = 0, т. е. когда ребро и плита на все нагрузки работают как самостоятельные элементы, рассмотрен для сравнения с предыдущими.

Цель исследований - изучение эффективности включения железобетонной плиты в работу объединенного сечения деревожелезобетонной балки и, как следствие, уменьшения расхода клееной древесины в зависимости от пролета и шага балок, толщины плиты для совершенствования деревожелезобетонного пролетного строения.

В задачи исследования входит изучение изменения:

- высоты и расхода клееной древесины на ребро деревожелезобетонной балки в зависимости от ее пролета / при различном коэффициенте составности объединенного сечения ц/, толщине железобетонной плиты S и шаге балок d;

- изгибающего момента M и поперечной силы Qn в плите, ее армирования продольной рабочей арматурой в зависимости от шага балок d, для пролетов /=9,0 и 18,0 м при у=0,8 (для армирования также в зависимости от толщины плиты S );

- касательных напряжений в ребре г в зависимости от шага балок d, толщины плиты S, коэффициента составности банкир для пролетов / = 9,0 и 18,0 м;

- поперечной силы в плите Qn как ветви деревожелезобетонной балки в зависимости от шага балок d, толщины плиты ô, коэффициента составности балки у/ для пролетов I = 9,0 и 18,0 м;

- отношения M ребра деревожелезобетонной балки в зависимости от шага балок d при толщине плиты S, коэффициенте составности балки1/ = 0,8 дляпролетов 1=9,Он 18,0м;-характер изменения изгибающих моментов, воспринимаемого плитой А/, ребром M и объединенным сечением А/о6 как составляющих полного изгибающего момента М, и их долевого участия в этом моменте, воспринимаемом деревожелезобетонной балкой, в зависимости от шага балок d , толщины плиты S дляпролетов / = 9,0 и 18,0м при (// = 0,8;

- расхода клееной древесины на ребра деревожелезобетонного пролетного строения в зависимости от шага балок d, толщины плиты 8, пролета / при ^=0,8.

Выполнен анализ результатов исследований, на основании которого сделаны соответствующие выводы и даны рекомендации.

1. Деревожелезобетонные балки с пролетами I = 9,0 ...33,0 м следует проектировать с шагом балок d = 1,4...2,.2 м, толщиной плиты S не менее 0,2 м, из бетона плиты классов не ниже ВЗО, В40, при коэффициенте составности V = 0,8 ...0,5.

2. Конструктивное решение деревожелезобетонного пролетного строения должно предусматривать нагельное соединение железобетонной плиты и деревоклееного ребра при объединении ребер в балочный ростверк путем постановки диафрагм, объединяющих в поперечном направлении все балки. В ряде случаев возможно упрощение конструктивного решения без снижения качественных характеристик.

Для пролетов / до 18...24 л«, d= 1,4...2,6 л«, <?= 0,2м и (//= 0,8 и 0,5 достаточно объединение плиты и ребра нагельным соединением и попарное ребер по ширине моста.

Для пролетов /< 15,0м возможно конструктивное решение без диафрагм или с диафрагмами только на опорах, но это должно бьггь подтверждено соответствующими расчетами.

3. Изменение параметров деревожелезобетонного пролетного строения по сравнению с рассмотренными выше должно быть подтверждено соответствующими расчетами и конструктивными решениями.

В седьмом разделе предложены конструктивные решения деревожелезобетонных пролетных строений и их сопряжений с опорами моста Разработка конструкции сопряжений является связующим звеном между ОК КТС "Деревожелезобегонное пролетное строение" и ОК КТС "Опоры" в мосту как объекте в целом. Решены ряд вопросов рационализации конструкционных решений.

Цель разработки конструкции - предложить новые решения компоновки дере-вожелезобетонного пролетного строения, конструкции деревожелезобетонной балки, сопряжений пролетных строений с промежуточной и береговой опорами.

Задачи разработки:

- решить общие вопросы конструирования деревожелезобетонного пролетного строения и деревожелезобетонной балки;

-определить особенности конструирования плиты в монолитном и сборном железо-зобетоне;

- установить специфику конструкционного решения соединения ребра и плиты на границе «клееная древесина-бетон»;

- определить особенности конструирования нагельного соединения ребра и плиты;

- предложить конструктивные решения сопряжений деревожелезобетонных пролетных строений с промежуточной и береговой опорами.

Цель рационализации - запроектировать для мостостроения балку дерево-железобетонного пролетного строения, отвечающую при наименьших затратах клееной древесины и простоте конструкционного исполнения требованиям нормальной эксплуатации.

Задачи рационализации:

- установить размеры сечения балки как конструкционного элемента пролетного строения;

- определить высоту деревоклееного ребра исходя из требований расчета по двум группам предельных состояний с учетом составности композитного сечения балки;

- выполнить расстановку нагельных соединений ветвей балки с учетом специфики ее работы как составной балки при наличии упругой податливости связей сдвига.

Общая компоновка деревожелезобетонного пролетного строения представлена на рис. 17. Конструктивное решение должно предусматривать нагельное соединение железобетонной плиты и деревоклееного ребра при объединении ребер в балочный ростверк путем постановки диафрагм, объединяющих в поперечном направлении все балки (рис. 17,6). Конструктивная схема I отвечает всем требованиям для исследованных пролетов I = 9,0 ...33,0 м(с1= 1,4...2,2 м, 3= 0,2 м и у/= 0,8 и 0,5). В ряде случаев возможно упро-щение конструктивного решения без снижения качественных характеристик. Для пролетов /<18 ...24 м (¿ = 1,4... 2,2 м, ¿=0,2 ми у- 0,8 и 0,5) достаточно объединение плиты и ребра нагельным соединением и попарное ребер по ширине моста (рис. 17,б, конструктивная схема I). Для пролетов К 15,0м возможно конструктивное решение без диафрагм или с диафрагмами только на опорах, но это должно быть подтверждено соответствующими расчетами (рис. 17, б, конструктивная схема И). Железобетонная плита выполняется монолитной (рис. 17, б, III) или сборной (рис. 17,6, IV). Сборные плиты изготовляют средними и крайними (рис. 17, в).

На рис. 18 представлена конструкция деревожелезобетонного пролетного строения. С нашей точки зрения, параметры балочного ростверка, составленного деревоклееными ребрами и диафрагмами, принятыми в типовом проекте пролетных строений с деревоклееными балками, удовлетворяют требованиям конструирования деревожелезобетонного пролетного строения. Предложены различные конструктивные исполнения монолитной и сборной железобетонной плиты и варианты ее объединения с деревоклееным ребром. Экспериментальные исследования показали, что в предельном состоянии плита и ребро соединены практически только нагельным соединением. Это позволило оставить контакт

=1=31

Рис 17. Деревожелезобегонное пролетное строение

а —вид с фасада; б—конструктивные схемы; в— сборная железобетонная плита (крайняя); I и П—перекрестные системы деревожелезобетонных ребер главных балок и диафраш; ПЫУ—соответственно сборная и монолитная железобетонные плиты; 1 — деревокле-еное ребро; 2 — железобетонная пиита; 3 — перильное ограждение; 4,5 - деревокяееные средняя и крайняя диафрагмы; 6—монолитная железобетонная шита; 7 — стальные нагели 8 — блок из двух ребер; 9 —сборная железобетонная плита; 10—отверстия в плите для стальных нагелей; 11,12—выпуски рабочей арматуры шптш; 13 — стальные закладные детали плоты; 14 — монтажные петли.

Ыс. 18. Конструкция деревожслезооетонного пролетного строения: а-при 4-х наружных бонпах диафраш; б- при 2-х болтах, пропущенных через диафрагму, 1 — деревоклееное ребро, 2 - монолишая железобетонная плита; 3 - подготовительный слой, 4-гидрошоляция и армированныйзащнгный слой, 5-двуслойное покрытие, 6-стальные анкеры, 7-изолирующая прокладка, 8-деревоклеенаядиафрагма, 9-сгапьные стяжные беты, 10-деревянныебруски.

плиты и ребра только в пределах нагельного соединения и устроить зазор между ними на остальных участках деревожелезобетонной балки. Наличие зазора обеспечивает обдувание верхнего пояса деревоклееного ребра воздушным потоком, что предохраняет древесину от переувлажнения и предотвращает ее загнивание. На рис.19 показаны конструктивные решения железобетонной плиты и ее объединения с ребром. В конструкционном решении деревожелезобетонного пролетного строения должна быть предусмотрена гидроизоляция.

Конструкции сопряжений деревожелезобетонных пролетных строений с опорами имеют специфические особенности по сравнению с подобными решениями пролетных строений из других материалов. Помимо традиционных требований здесь должны быть обеспечены нормальные условия эксплуатации клееной древесины (рис. 20,21).

В конструкции сопряжения деревожелезобетонных пролетных строений с промежуточной опорой предусматривается наличие зазора между торцами деревоклееных ребер смежных пролетных строений, достаточного для проветривания этой зоны с целью обеспечения нормального температурно-влажностного режима эксплуатации клееной древесины. С этой целью разработаны два варианта конструкционного решения: в первом - использован эластичный деформационный шов, имеющий хорошие эксплуатационные характеристики, во втором - реализовано предложение В.И Кулиша устроить в деревожелезобетонных пролетных строениях непрерывную проезжую часть, дополнительно армируя продольными стержнями надопорные зоны балок.

Конструкция сопряжения деревожелезобетонных пролетных строений с береговой опорой предусматривает наличие зазора между торцами деревоклееных ребер деревожелезо-

°>г

Г1 М^-г1-

-Ы.

■^-'т-егдг-д-1

бетонного пролетного строения и шкафной стенкой опоры. Разработаны три варианта конструкционного решения (рис. 21). В первом- использован эластичный деформационный шов проезжей части, расположенный над подферменной площадкой, во втором -предусматривается опирание на шкафную стенку через два слоя гидроизоляционного материала или с использованием металлической пластинки, в третьем - имеет место монолитный стык плиты и шкафной стенки со сваркой выпусков арматуры плиты и шкафной стенки. Во всех случаях торцы деревоклееных ребер деревожелезобетонных балок отодвинуты на400...600 мм от шкафной стенки устоя. Более подробно разработан второй вариант сопряжения деревожелезобегонного пролетного строения с устоем моста (пат. №2374383).

Рис. 19. Конструкция железобетонной плиты: а-монолигная железобетонная плита; б-сборная железобетонная плита; 1-деревоклееное ребро; 2-железо-бетоннаяшшга; 3-стальные нагели; 4-щолируюшая прокладка; 5 -прокладка из древесины; 6 -бетон замоно-личивания нагельного соединения; 7-отверстие для стального нагеля в деревоклееном ребре.

При разработке конструктивных решений деревожелезобегонного пролетного строения в целом и его узлов решены ряд вопросов рационального проектирования. На формирование балки деревожелезобегонного пролетного строения оказывают существенное влияние удовлетворение конструктивными расчетным требованиям.

В конструктивных требованиях определены обеспечение устойчивости ребер, пролет балок, шаг балок поперек моста, толщина плиты и ее армирование, конструктивное решение связей, возможности реализации специфики работы составной балки, прочие факторы.

-Л—д.

Рис. 20. Конструкция сопряжения деревожелезобегонного гфолетаого строения с промежуточной опоройа-с применением эластичного деформационного шва проезжей части; 6-е непрерывной проезжей частью; 1 - деревоклееное ребро; 2 -железобетонная плипцЗ-стальныеанкеры; 4-покрьгше проезжей часта; 5-слоистыерезиновые опорные части; 6-промежу-точная опора; 7 - эластичный деформационный шов проезжей части; 8-воздушный зазор между торцами ребер деревожелезобетонных балок

Рис.21

Рис. 21. Конструкция сопряжения деревожелезобетонного пролетного строения с береговой опорой: а-с эластичным деформационным швом проезжей части над подферменной площадкой; 6-е мастичным деформационным швом над шкафной стенкой; в-сомоноличиванием шкафной стенки и плиты проезжей части, 1 - деревоклееное ребро; 2 - железобетонная плита; 3 - стальные анкеры; 4—покрытие проезжей части; 5 - слоистая резиновая опорная часть; 6-шкафная площадка береговой опоры; 7 - шкафная стенка; 8 - железобетонные сваи; 9 - эластичный деформационный шов проезжей части; 10 - железобетонная переходная плита; И-железобетонный лежень; 12-подушка из щебня; 13-дорожное покрытие; 14-стык шкафной стенки и плиты со сваркой выпусков арматуры; 15-зазор между торцами ребер и шкафной стенкой опоры; 16-прокладка из двух слоев гидроизоляционного материала или стальная шгастинка

После учета этих требований определяются начальные параметры балки деревожелезобетонного пролетного строения, которые уточняются последующими расчетами, иногда и конструктивными мероприятиями. -

При рационализации балки деревожелезобетонного пролетного строения должны быть удовлетворены требования расчетов по двум группам предельных состояний, т. е. по несущей способности и деформациям. Нарис. 22 и 23 представлены графики изменения рациональной высоты ребра Аотдля пролетов / = 9,0 и 18,0 м.

0,5 0,6

Коэффициент СОС11ВНОСТМ г

— к 1 --1

-—4---і

і 1

-Мол Ооп -Піт

0 0.5 0,8

Коэффициент составности

Рис.22. Графики изменения рациональной высоты Рис.23. Графики изменения рациональной высоты ребра ребра И деревожелезобетонной балки пролетом деревожелезобетанной балки пролетом /= 18,0м

/ = 9,0 м

Несущая способность балки по изгибающему моменту Моп определялась исходя из достижения нормальных растягивающих напряжений^ в крайнем нижнем волокне балки, равных расчетному сопротивлению при изгибе клееной древесины несущая способность по поперечной силе 20п- исходя из достижения скалывающими напряжениями г в опорном сечении деревоклееного ребра расчетных наибольших скалывающих напряжений вдоль волокон по клеевым швам при изгибе

Чтобы запроектировать деревожелезобетонную балку с рациональной высотой ребра кт при условии удовлетворения всех рассматриваемых требований следует принять коэффициент составности балки у = 0,92. Оптимальная высота ребра ко = 0,63 м. При принятии меньшей высоты ребра условие прочности по поперечной силе не удовлетворяется. Принятие большей высоты ребра связано с конструктивным решением связей, толщиной плиты и другими факторами. Определяющим является требованиеСледует заметить, что добиваться коэффициента составности ц/ = 1 не имеет смысла, поскольку это связано с конструкционными сложностями и не приносит существенного уменьшения высоты ребра по сравнению с V = 0,7...0,8, что можно считать достаточным с точки зрения конструкционных решений связи ветвей балки и эффективности их совместной работы в деревожелезобетонной балке.

При проектировании железобетонных изгибаемых элементов шаг поперечных стержней (хомутов) уменьшается к опорам вместе с возрастанием поперечной силы; в случае деревожелезобетонной балки по мере приближения к опорам и возрастания поперечной силы 2 увеличиваются сдвигающие усилия Гн между ее ветвями. Традиционным решением при проектировании такой балки является уменьшение шага связей между ветвями с или

увеличение их мощности Г, в некоторых случаях есть необходимость использовать оба приема.

Задачу размещения нагелей по длине деревожелезобетонной балки можно решить более рационально, если использовать специфику ее работы как составной балки с различной степенью составности при условии обеспечения требованияй двух групп предельных состояний. Балка воспринимает усилия Ми ¡3 составным сечением и ветвями при оптимальной составности и на части приопорного участка связь ветвей балки может отсутствовать, поскольку они способны самостоятельно воспринять эти усилия. Рассмотрены пролеты / = 9,0 и 18,0 м при шаге балок поперек моста ¡1= 1,8 м и загружении постоянной и временной (НК-80) нагрузками. На рис. 24 приведены графики М, 2 (от внешней нагрузки), Мрп' ^„((воспринимаемые ребром и плитой как ветвями балки), 012 (деревожелезобетонной балкой при рассматриваемой составности) для пролета / = 9,0 м и ^ = 0,9.

Сечения балки* Сечения балки а

Рис.24. Размещение нагельных соединений! балке Рис.25. Размещение нагельных соединений в балке

пролетом / = 9,0 м пролетам 1= 18,0м

Проекция точки пересечения графиков Ми Мрпна ось абцисс определяет сечение балки, правее которого необходимо устройство нагельного соединения, а левее до опоры наличие связи ветвей не обязательно. Таким образом, в средней части балки длиной 0,66/ устраиваем нагельные соединения, т. е. с постоянными площадью сечения стальных стержней и шагом. На рис.25 для балки с пролетом / = 18,0м при V = 0,7...0,8 длина участка со связями одинаковой мощности равна 0,48/.Таким образом, наличие подобных графиков позволяет рационально решить вопрос расстановки нагельных соединений в деревожелезобетонной балке.

В восьмом разделе выполнены исследования влияния технологических факторов в производстве клееной древесины для мостостроения и рассмотрены конструктивно-технологические аспекты изготовления деревожелезобегонных балок, что необходимо для формирования входных параметров подсистемы ТП КТС «Деревожелезобетонное пролетное строение»

Цель - исследования влияния различных факторов на качество продукции - мостовых балок, специфики изготовления многослойной мостовой балки из клееной древесины, конструктивных решений объединения ветвей деревожелезобетонной балки.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Установить влияние различных факторов, связанных со спецификой материалов и технологии, на качество клееной древесины, предназначенной для мостовых конструкций;

2. Разработать конструктивные решения деревоклееного ребра и его объединения с железобетонной плитой в деревожелезобетонной балке.

По результатам исследований выполнен анализ влияния различных факторов на качество клееной древесины.

На основе анализа производства многослойной мостовой балки из клееной древесины сделаны выводы, позволяющие решить технологические вопросы изготовления и получить высококачественную клееную древесину для мостостроения.

Разработаны конструктивно-технологические предложения по объединению деревоклееного ребра и железобетонной плиты (рис.26). Учтены особенности работы клееной древесины в соединении ребра и плиты.

Рис.26. Конструкции соединения дерево-клееного ребра с железобетонной плитой:

а - с использованием гидроизоляции между ребром и плитой; б, в, г - с применением прокладок из антисептированной древесины; д - разновидности вклеенных нагелей - стержень с головкой, петлевой анкер, стержень без головки; е - виды отверстий для вклеенных нагелей; ж - разновидности стержня нагеля; з - виды поперечного сечения стержня; 1 - ребро из клееной древесины; 2 - железобетонная плита; 3 - стальные нагели;

4 - прокладка из антисепти-рованной древесины;

5 - клей заполнения отверстий

По длине шва объединения ребра с плитой и в узле сопряжения с использованием нагельного соединения применены три материала с разными коэффициентами теплопередачи: древесина, сталь и железобетон. В условиях жесткого тем-пературно-влажностного режима при эксплуатации на открытом воздухе достаточно сложно создать комфортные условия для клееной древесины, чтобы на длительное время обеспечить ей условия нормальной эксплуатации. Железобетонная плита является конструкционной защитой для деревоклееного ребра. Железобетон имеет больший, по сравнению с древесиной, коэффициент теплопередачи тяжелого бетона 1,86, древесины 0,175 ккал/м2.ч.°С) и плита вместе со сточным треугольником проезжей части обладают значительным объемом (массивностью). При резком переходе температур с отрицательных, например-20...35°С, происходит покрытие железобетонной поверхности инеем с последующим таянием его и попаданием воды на древесину ребра. Конструкционное исполнение шва объединения ребра и плиты должно быть таким, чтобы исключить замачивание древесины ребра. Выводы: 1. Исследования технологии производства позволили определить специфику изготовления массивных клееных мостовых балок, выделить основные факторы, влияющие на их качество, и убедиться в важности подобных исследований для их производства и конструирования деревожелезобетонных пролетных строений в целом;

2. Анализ результатов технологических исследований позволяет однозначно утверждать, что современное производство способно производить клееную древесину, удовлетворяющую требованиям эксплуатации в мостовом сооружении. Выбор параметров и технологических решений на этапах производства ориентированы на выпуск качественной мостовой продукции;

3. Предложенные конструкционные решения для соединения ребра и плиты, нагельного соединения позволяют обеспечить длительные сроки эксплуатации балки в деревожелезо-бетонном пролетном строении.

В девятом разделе освещен опыт применения мостов с деревожелезобетонными пролетными строениями. Результаты научных исследований, направленных на разработку КТС деревожелезобетонного пролетного строения, внедрены в проектирование, методики ипрограммы расчета, строительство новых объектов, учебный процесс вузов.

По заказу Управления «Архангельскавтодор» в 1989 г. был разработан типовой проект деревожелезобетонного пролетного строения с ребрами из клееной древесины и монолит-

(для

ной железобетонной плитой для габаритов моста Г-8 и Г-10,5 для использования в структурах Управления (годовой экономический эффект 80400 руб. в ценах 1984 г.). Разработан рабочий проект реконструкции трехпролетного моста через р. Лявлю на автодороге «Архангельск-Белогорский-Пинега- Кяжма- Мезень» (рис.27) с пролетными строениями длиной 18 м (годовой экономический эффект 75208 руб. в ценах 1984 г.).

,7*0 НО ЮІ/ОО щ, т

Рис. 27. Поперечное сечение деревожеле-зобетонного пролетного строения автодорожного моста через реку Ляшио на автодороге Архангельск-Бе-логорский-Пинега-Кяжма-Мезень (проект автора)

Реконструкция моста через р. Лявлю была выполнена в 1990-1991 гг. После выбраковки части балок вместо дощатогвоздевой плиты была устроена монолитная железобетонная плита, обединенная с деревоклееными ребрами стальными нагелями.Существенно увеличились жесткость поперечной конструкции пролетного строения и грузоподъемность моста.

Статические испытания нагрузкой, превышающей нормативную А8 на 7,1 %, показали, что нормальные напряжения в крайних растянутых волокнах деревоклееного ребра не превышали 0,7 МПа при их теоретическом значении 2,78 МПа. В середине пролета расчетный прогиб составил 0,7 см при теоретическом значении 1,0 см, что меньше предельно допустимого прогиба, равного 4,35 см.

Испытания показали значительную жесткость балок пролетных строений, отсутствие расстройств в связях ребра с плитой, хорошую распределительную способность поперечной конструкции пролетного строения.

По заказу Управления «Архангельскавтодор» в 1989 г. был разработан рабочий проект металлической опалубки для изготовления сборных железобетонных плит деревожелезо-бетонных пролетных строений (рис. 28).

Рис.28. Рабочий проект металлической опалубки для изготовления мостовых сборных железобетонных плит размерами 1500 Х6000 и 1500x4500 мм. Общий вид опалубки. (Позиции см. рабочий проект)

Автором диссертации разработаны программы расчета на языке программирования «Фортран» - «СотЬу-Е», «СотЬу-Т», « Расмос». Программы расчета используются при проектировании реконструкции и ремонте мостов, в учебном процессе вузов. Акты внедрения результатов научных исследований в проектирование, методики и программы расчета, строительство и учебный процесс вуза представлены в диссертации.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Теоретическая и практическая значимость выполненной автором работы выражается в следующем.

Разработана структурная модель КТС «Деревожелезобетонное пролетное строение», выделены связи и приоритетные задачи по направлениям исследований взаимосвязанных аспектов функционирования и применения КТС.

Для аргументированного описания входных параметров и показателей качества на выходе КТС:

1.На основании исследований мостов установлены недостатки конструкции, строительства и эксплуатации, обязательность конструкционной защиты клееной древесины (включая применение гидроизоляции).

2. Обоснованы целесообразность использования клееной древесины совместно с железобетоном в мостовой балке и нагельного соединения как эффективного соединения ветвей деревожелезобетонной балки, определена роль железобетонной плиты в конструкционной защите и экономии клееной древесины.

3. Разработаны основы расчета жесткости нагельного соединения ветвей деревожелезобетонной балки, теория, методы и программы расчета деревожелезобетонных балок и пролетных строений из них.

4. Теоретические исследования с использованием расчетного аппарата на основе предложенной теории позволили исследовать напряженное состояние деревожелезобетонной балки, выполнить расчеты как одиночной балки, так и в составе пролетного строения моста.

5. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния деревожелезобетонной балки определили его специфику для ветвей и балки в целом, подтвердили правильность теоретических предпосылок, показали хорошую работу нагельного соединения, характер разрушения деревоклееного ребра и сборной железобетонной плиты и т.п.

6. Сопоставление результатов теоретических и с экспериментальных исследований убедительно свидетельствует в пользу разработанных автором методов расчета. Качественные картины напряженно-деформированного состояния деревожелезобетонной балки по результатам расчетов и полученные экспериментально аналогичны. Деформации растяжения-сжатия в древесине отличались не более чем на 10 ...15%, прогибы-15 ...20%. Это отличие можно уменьшить, если учесть бимодульность древесины при изгибе.

7. Выполнены исследования деревожелезобетонных пролетных строений в диапазоне пролетов 9,0... 33,0 м при шаге балок 1,6 ... 2,6 м, толщине плиты ОД...0,2 м, коэффициенте составности 4'= 0,8; 0,5; 0, что позволило дать рекомендации по их рациональному проектированию.

8. Решены вопросы компоновки деревожелезобетонного пролетного строения, конструирования деревожелезобетонной балки, нагельного соединения, узлов. Разработаны конструкции сопряжений деревожелезобетонных пролетных строений с промежуточной и береговой опорами моста. Решены вопросы рационализации в проектировании балки дерево-железобетонного пролетного строения автодорожного моста.

9. Исследовано влияние технологических факторов при производстве клееной древесины с целью ее улучшения и применения в мостостроении. Решены конструкционно-технологические аспекты изготовления деревожелезобетонных балок. Разработана технологическая оснастка для изготовления сборных железобетонных плит пролетных строений.

10. Практическое внедрение научных исследований в проектирование, строительство, реконструкцию мостов, учебный процесс вузов и их эффективность спосособствуют решению проблемы совершенствования деревожелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов.

¥ ^

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Основные положения диссертации изложены в 54 публикациях, в том числе четырех монографиях, двух учебных пособиях, одном патенте, а также 8 научно-технических отчетах.

Основные из них:

1. Стуков В.П. Мосты с балками комбинированного сечения из клееной древесины и железобетона/ Арханг. гос. техн. ун-т. - Архангельск, 1997. - 175 с.

2. Стуков В.П. Мосты с деревожелезобетонными пролетными строениями- моногр./ Арханг. гос. техн. ун-т; ф-л «Севмашвтуз» С -Петербург, морск. гос. техн. ун-та в г. Северодвинске. - Архангельск. 2007.-348 с.

3. Стуков В.П. Деревожелезобетонные балочные мосты на автомобильных дорогах моногр./ ф-л «Севмашвтуз» С.-Петербург, морск. гос. техн. ун-та в г. Северодвинске,- 2-е изд. испр. и доп. -Архангельск, 2009- 453 с.

4. Стуков В.П. Основы теории расчета деревожелезобетонных пролетных строений балочных мостов на автомобильных дорогах: моногр. - Архангельск: Сев. (Арктич.) федер. ун-т, 2011.-156с.

5. Стуков В.П. Пространственный метод расчета балочных пролетных строений мостов: учеб. пособие. - Архангельск: РИО АЛТИ, 1989. - 64 с.

6. Стуков В.П. Деревожелезобетонные балочные мосты на автомобильных дорогах: учеб. пособие. -Архангельск: Сев. (Арктич.) федер ун-т, 2011.-156 с.

7. Стуков В.П. Пространственный расчет балочных пролетных строений мостов на лесовозных дорогах по методу «упругооседающих и упругоповорачивающихся опор» // Изв. вузов. Лесн журн,- 1973. -№ 6.-С. 55-62.

8. Стуков В.П. Метод пространственного расчета балочных пролетных строений мостов // Там же. -1987,- №4. —С.41-51.

9. Стуков В.П. Клееная древесина и мостовые конструкции //Автомобильные дороги. - 1990. - № 6 -С. 11-12.

10. Стуков В.П. Расчеты элементов балочного пролетного строения методом «упругооседающих и упругоповорачивающихся опор» // Изв. вузов. Лесн. журн. - 1990. - № 4. -С. 39-47.

11. Стуков В.П. Теоретические основы расчета нагеля в древесине // Там же. -1991. - № 5. - С. 48-55.

12. Стуков В.П. Метод расчета мостовых клееных деревянных балок, работающих совместно с железобетонной плитой // Там же. - 1991. - № 2. - С. 38—45.

13. Стуков В.П. Особенности расчета балок комбинированного сечения при воздействии колебаний температуры//Изв. вузов. Строительство и архитектура. -1991,-№9.-С. 114-120.

14. Стуков В.П. К расчету нагеля в древесине IIИзв. вузов. Лесн. журн - 1992. - № 3. - С. 61-66.

15. Стуков В.П. Напрягаемая арматура как связь между ветвями балки комбинированного сечения // Изв.вузов. Строительство, - 1992.-№ 11 - 12.-С. 20-25.

16. Стуков В.П. К расчету мостовых клееных деревянных балок, работающих совместно с железобетонной плитой // Изв. вузов. Лесн. журн. - 1993. - № 3. - С. 45-5 0.

17. Стуков В.П. К вопросу применения клееной древесины в мостовых конструкциях // Там же. -1993. - № 5-6.- С. 93-9 8.

18. Стуков В.П. Транспортные сети автомобильных дорог для освоения лесных массивов // Там же -1999,- №4.-С. 69-71.

19. Стуков В.П. Состояние транспортной сети автомобильных дорог и мостов Архангельской области, их ближайшая перспектава в улучшении инфраструктуры региона // Там же. - 2000. - № 5-6. - С. 104-108.

20. Стуков В.П. Совершенствование конструктивно-технологической системы пролетного строения моста с деревожелезобетонными балками // Там же. - 2004. - № 3. - С. 56-60.

21. Стуков В.П. Особенности изготовления многослойной мостовой балки из клееной древесины // Там же. - 2004. -№ 3. - С. 60-64.

22. Стуков В.П. Комплексные иследования мостов с балками из клееной древесины//Там же - 2006 -№5.-С. 40-46.

23. Стуков В.П. Анализ состояния мостов с балками из клееной древесины//Там же - 2006,- № 6. - С. 52-57.

24. Пат. №2374383. Конструкция сопряжения деревожелезобетонного пролетного строения с устоем моста/ В.П. Стуков, А.Л. Невзоров. Заявл. 3.06.2008; опубл. 27.11.2009. Бюл. №33.

25. Стуков В.П. Оптимизация балки деревожелезобетонного пролетного строения автодорожного моста // Изв. вузов. Лесн. журн. - 2010. - № 2. - С. 78-82.

26. Стуков В.П. Оптимизация расстановки связей между ветвями деревожелезобетонной балки пролетного строения автодорожного моста // Там. же. - 2011. - № 1. - С. 57-59.

Подписано в печать 05.03.2012. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 2,0. Тираж 100 экз Заказ № 282.

Издательско-полиграфический центр им. В.Н. Булатова ФГАОУ ВПО САФУ 163060, г. Архангельск, ул. Урицкого, д. 56

Текст работы СТУКОВ, ВАЛЕРИЙ ПАВЛОВИЧ, диссертация по теме Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Северный (Арктический) федеральный университет)

На правах рукописи

О 010 314 ^Спл^

СТУКОВ ВАЛЕРИЙ ПАВЛОВИЧ

КОНСТРУКЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА И ТЕОРИЯ РАСЧЕТА ДЕРЕВОЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ БАЛОЧНЫХ АВТОДОРОЖНЫХ

МОСТОВ

05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Архангельск 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ В ДИССЕРТАЦИЮ.........................................................................5

1.СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Системное проектирование. Конструктивно-технологические системы.

Общие сведения....................................................................................30

1.2. Специфика строительства мостов в рамках развития транспортной сети региона 35

1.3. Идея совместного использования древесины и железобетона в пролетных строениях балочных мостов.....................................................................41

1.3.1. Экономическая целесообразность.................................................... 45

1.3.2. Особенности конструкции плиты и связующих элементов.......................52

1.4. Опыт применения клееной древесины и клееной древесины совместно

с железобетоном в мостах..............................................................................................63

1.4.1. Мосты с балками из клееной древесины............................................................63

1.4.2. Мосты с деревожелезобетонными пролетными строениями........................ 74

1.4.3. Анализ результатов исследований состояния отечественного мостостроения.............................................................................80

1.5. Особенности напряженного состояния деревожелезобетонной балки..................81

1.6. Пролетное строение с балками комбинированного сечения как пространственная конструкция со специфическими особенностями работы и расчета..................90

1.7 . Проблема и направление исследований......................................................................93

1.8. Сохранность основных показателей качества клееной древесины после длительной эксплуатации в мостовом сооружении и конструктивно- технологические аспекты ее использования в деревожелезобетонных пролетных строениях..........94

1.9. Анализ результатов исследований.............................................................96

Выводы.......................................................................................................98

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ МОСТОВ С БАЛКАМИ ИЗ КЛЕЕНОЙ ДРЕВЕСИНЫ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ В УСЛОВИЯХ ЕВРОПЕЙСКОГО СЕВЕРА РОССИИ

2.1. Исследования пролетных строений мостов.................................................................98

2.1.1. Цель и задачи натурных исследований пролетных строений мостов...............99

2.1.2. Подходы к оценке состояния клееной древесины в мостовом сооружении.....99.

2.1.3. Методика натурных исследований......................................................................103

2.1.4. Натурные исследования пролетных строений с балками из клееной древесины..............................................................................................................105

2.1.5. Мост через реку Лявлю на автодороге Архангельск-М.Карелы-Пинега.........134

2.1.6. Результаты натурных исследований....................................................................142

Выводы..................................................................................................................................149

2.2. Исследование сохранности качества клееной древесины..............................................149

2.2.1. Цель и задачи исследований................................................................................149

2.2.2. Исследование состояния клееной древесины мостовых балок, скленной резорцино-формальдегидным клеем ФР-12, после длительного периода . эксплуатации.........................................................................................................150

Выводы..................................................................................................................................164

3. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЕРЕВОЖЕЛЕЗОБЕТОННОГО ПРОЛЕТНОГО СТРОЕНИЯ

3.1. Проектирование конструктивно-технологической системы.................................164

3.2 .Проектирование конструктивно-технологической системы деревожелезобетонного пролетного строения.....................................................................................................168

3.3. Развитие конструктивно-технологической системы деревожелезобетонного

пролетного строения...................................................................................................178

Выводы.................................................................................................. 182

4. ТЕОРИЯ РАСЧЕТА ДЕРЕВОЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ.......183

4.1 Теоретические основы расчета жесткости нагельного соединения ветвей

деревожелезобетонной балки..........................................................................184

4.2. Теория расчета деревожелезобетонных балок как составных балок комбинированного сечения с упругоподатливыми связями между ветвями балки..............200

4.2.1. Обоснование расчетной схемы. Нагельные соеденения как упругоподат-ливые связи между ребром из древесины и железобетонной плитой.............203

4.2.2. Теоретические основы расчета.........................................................208

4.2.2.1. Реализация первого подхода расчета...........................................................214

4.2.2.2. Реализация второго подхода расчета...........................................................226

4.2.4. Особенности расчета при воздействии колебаний температуры...............232

4.3. Метод пространственного расчета балочных пролетных строений мостов...........246

4.3.1. Особенности напряженного состояния пролетного строения..................245

4.3.2. Обоснование метода пространственного расчета..................................250

4.3.3. Теоретические основы расчета.........................................................253

4.3.4. Матрица начальных параметров у для/-й опоры.................................257

4.3.5. Линии влияния у, М, <р, Q, А/Кр длЯ главных балок пролетного строения.....259

4.3.6. Определение ординат линий влияния Ми Q для поперечной конструкции пролетного строения....................................................................265

4.3.7. Ординаты St на консолях линий влияния у, М, ср, Q, МКрМоп, Мд QorvQ± 268

4.3.8. Общие сведения о программах расчета «Расмос», «ПД-1», «ПД-2».............271

4.3.9. Сравнение результатов расчета........................................................273

Выводы...........................................................................................276

5. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ДЕРЕВОЖЕЛЕЗОБЕТОННОЙ БАЛКИ

5.1. Исследование балок с ребрами из клееной древесины и плитой из сборного железобетона.......................................................................................277

5.1.1. Изготовление опытных образцов.....................................................277

5.1.2. Теоретические исследования...........................................................279

5.1.3. Экспериментальные исследования...................................................285

5.2. Исследование балок с ребрами из цельной древесины и плитой из сборного железобетона ....................................................................................294

5.2.1. Изготовление опытных образцов......................................................294

5.2.2. Теоретические исследования...........................................................296

5.2.3. Экспериментальные исследования.................................................. 300

5.3. Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований.... 310

5.4. Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований..........320

Выводы...............................................................................................324

6. ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕРЕВОЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ

6.1. Цель и задачи исследований.........................................................................................325

6.2. Изменение отношения h/l ребра деревожелезобетонной балки в зависимости от

от пролета, составности сечения и толщины плиты при шаге балок1,4 и 1,8 м ... 327

6.3. Изменение расхода кленой древесины в зависимости от пролета, составности сечения и толщины плиты при различном шаге балок пролетного строения........332

6.4. Характер изменения изгибающих моментов и поперечных сил в плите и ее армирования в зависимости от шага балок для пролетов / = 9,0 и 18,0 м при коэффициенте составности W= 0,8.......................................................................335

6.5. Характер изменения касательных напряжений в ребре и поперечной силы

в плите (как ветви) деревожелезобетонной балки в зависимости от шага балок, толщины плиты, коэффициента составное™ для пролетов 9,0 и 18,0 м................339

6.6. Характер изменения составляющих изгибающего момента Мп, М^и М0§и их долей

в полном изгибающем моменте М, воспринимаемом деревожелезобетонной балкой, в зависимости от шага балок и толщины плиты для пролетов 9,0 и 18,0 м.,.,344

6.7. Анализ результатов исследований................................................................................350

Выводы и рекомендации......................................................................................................356

7. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ДЕРЕВОЖЕЛЕЗОБЕТОННОГО ПРОЛЕТНОГО СТРОЕНИЯ И ЕГО СОПРЯЖЕНИЯ С ОПОРАМИ МОСТА. ОПТИМИЗАЦИЯ БАЛКИ ДЕРЕВОЖЕЛЕЗОБЕТОННОГО ПРОЛЕТНОГО СТРОЕНИЯ

7.1. Цель и задачи..................................................................................................................359

7.2. Совершенствование конструкции деревожелезобетонного пролетного строения...359

7.3. Совершенствование конструкции сопряжений деревожелезобетонных пролетных строений с промежуточной и береговой опорами ................................368

7.3.1. Конструкция сопряжения деревожелезобетонных пролетных строений

с промежуточной опорами моста..........................................................................368

7.3.2. Конструкции сопряжения деревожелезобеонного пролетного строения

с береговой опорой..................................................................................................371

7.4. Оптимизация балки деревожелезобетонного пролетного строения.........................376

7.4.1. Конструктивные требования..................................................................................377

7.4.2. Расчетные требования.............................................................................................378

Выводы.................................................................................................................................385

8. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ В ПРОИЗВОДСТВЕ КЛЕЕНОЙ ДРЕВЕСИНЫ ДЛЯ МОСТОСТРОЕНИЯ; КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕРЕВОЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ БАЛОК

8.1. Цель и задачи исследований...................................................................385

8.2. Особенности производства мостовых балок из клееной древесины ...............385

8.2.1. Общие сведения.......................................................................... 387

8.2.2. Научные исследования...................................................................389

Выводы.................................................................................................................................394

8.2.3. Особенности изготовления многослойной мостовой балки из клееной древесины...................................................................................395

Выводы.................................................................................................................................402

8.2.4. Особенности изготовления ребер из клееной древесины для балок комбинированного сечения............................................................403

.8.2.5. Конструктивно-технологические предложения по объединению

деревоклееного ребра и железобетонной плиты................................. 404

8.2.6. Анализ результатов особенностей производства мостовой балки из клееной

древесины....................................................................................409

Выводы................................................................................................. 412

9. ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ МОСТОВ С ДЕРЕВОЖЕЛЕЗОБЕТОННЫМИ ПРОЛЕТНЫМИ

СТРОЕНИЯМИ......................................................................................................................412

Выводы ............................................................................................. 420

10. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..................................................................................421

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................423

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.......................................................................................................................430

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.......................................................................................................................443

Дерево - единственный строительный материал, который самовосстанавливается в природе, поэтому в ближайший период возможно возрастание интереса к деревянным мостам современной конструкции.

Е.Е. Гибгиман [1]

ВВЕДЕНИЕ В ДИССЕРТАЦИЮ

Актуальность темы определяется практически отсутствием в отечественном мостостроении опыта применения деревянных и деревожелезобетонных мостов современной конструкции, значительно более распространенных в США, Канаде и странах Скандинавии, ще построены и успешно эксплуатируются десятки тысяч современных деревянных мостов. Эти страны, наряду с мостами из стали и железобетона, сочли целесообразным сохранить и последовательно развивать деревянное мостостроение. Опыт длительной эксплуатации и научные исследования определили средний срок службы современного деревянного моста 50 лет и более [2] при стоимости, равной 2/3 стоимости стального или железобетонного [3]. В зарубежной технической информации все чаще встречается мнение, что мосты должны проектироваться на сроки морального, а не физического износа. В таком случае современный деревянный мост с пролетными строениями из клееной древесины, в том числе совместно с железобетоном, должен достойно занимать свое место в отечественном мостостроении.

В России число мостов, построенных из клееной древесины, не превышает сотни, а с деревожелезобетоными балками - десятка. Значительная часть из них построена в Архангельской области [4, 5, 6, 7, 8, 9.]. Отечественное мостостроение теряет, если уже не потеряло, целое направление развития деревянных мостов, по мировой оценке, экономичных, долговечных, простых в строительстве, экологичных, возводимых из строительного материала, который самовосстанавливается в природе [10-15].

На наш взгляд современные балочные мосты должны выполняться с балками из клееной древесины с клееной или дощато-гвоздевой плитой; с железобетонной плитой, уложенной по деревоклееным балкам без связи с ними; с железобетонной плитой, объединенной с деревоклееными балками различного вида связями. Следует обязательно использовать гидроизоляцию в одежде ездового полотна проезжей части моста. Решения без гидроизоляции должны быть тщательно обоснованы.

При условии успешного внедрения современных деревянных мостов в практику отечественного мостостроения они могли бы закрыть значительную часть потребности в транспортных сооружениях при строительстве автомобильных дорог в регионах, богатых лесоматериалами. В то же время испытывается дефицит исследований упомянутых конструкций и технологии их производства. Налицо противоречие между потребностями практики в широком применении деревожелезобетона в мостостроении и недостаточной проработкой расчетно-теоретических, экспериментальных и технико-технологических аспектов. Разрешению этого противоречия посвящена представляемая автором работа, в которой изложены научно-обоснованные решения по разработке деревожелезобе-тонных пролетных строений автодорожных мостов, полученные на основе всесторонних научных иследований, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса.

Успешное развитие мостов с деревожелезобетонными пролетными строениями возможно с использованием современных методов проектирования. Лишь системный подход позволяет, с одной стороны при решении трудной проблемы разложить ее на составляющие, имеющие отработанные методы решения задач, а с другой стороны - удерживать эти составляющие вместе в качестве единого целого.

Взаимосвязь конструктивных и организационно-технологических решений деревожелезобетонных пролетных строений диктует необходимость совместного рассмотрения этих решений уже на ранних этапах проектирования.

Разработке подлежит конструктивно-технологичнская система деревожелезобетонных пролетных строений (КТС), включающая основные конструкции (ВК), технологию их сооружения (111), вспомогательные конструкции (ВК), используемые при этом, и механизацию работ (М).

При акценте на конструкцию системообразующим элементом является де-ревожелезобетонное пролетное строение, а технология строительства имеет подчиненное значение и наоборот. Системообразующие механизмы являются основными факторами, обуславливающими формирование и функционирование КТС.

Аспект развития КТС деревожелезобетонных пролетных строений характеризует ретроспективу и перспективу их функционирования. Он необходим для понимания генезиса КТС, альтернативных путей ее развития.

Успех формирования КТС деревожелезобетонных пролетных строений зависит от обеспеченности рассматриваемого вопроса: информации по постро-

6

енным и эксплуатируемым мостам, наличия нормативных документов, конструкционных решений, типовых проектов, отработанных на практике технологий и организационных решений и т.п. При отсутствии или явной недостаточности исходных данных существенно возрастает роль научных исследований, поскольку они сужают круг неопределенностей и позволяют ускорить фомиро-вание КТС. Отсюда цель и направления исследований, что подчеркивает актуальность диссертационной работы.

Цель и задачи исследований

Целью диссертационной работы является разработка КТС деревожелезо-бетонных пролетных строений автодорожных мостов на основе комплексных научных исследований клееной древесины в эксплуатируемых мостах; теоретических и экспериментальных исследований деревожелезобетонных балок; разработки конструкции, методов ее расчета и технологии производства.

На реализацию поставленной цели направлено решение следующих основных задач:

- разработка структурной модели КТС «Деревожелезобетонное пролетное строение»;

- теоретические исследования напряженно-деформированн