автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Обоснование рациональных конструктивно-технологических решений деревометалложелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов

На правах рукописи

РЕШЕТНИКОВ ИЛЬЯ ВЛАДИМИРОВИЧ

Обоснование рациональных конструктивно-технологических решений деревометалложелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов .

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

Автореферат

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

005570469

Москва-2015

005570469

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» на кафедре мостов и транспортных тоннелей.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты

Саламахин Павел Михайлович доктор технических наук, профессор.

Шестериков Владимир Иванович доктор технических наук, заведующий отделением искусственных сооружений ФГБУ «РОСДОРНИИ»

Сахарова Инна Дмитриевна кандидат технических наук, старший научный сотрудник, заместитель генерального • директора ООО «НЛП СК МОСТ»

Ведущая организация:

ОАО "Гипротрансмост".

Защита диссертации состоится 21 мая 2015 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.126.02 ВАК в Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете по адресу:

125319,г. Москва, Ленинградский проспект, 64, ауд. 42

Телефон для справок - (499) 155-93-24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета. Копию отзыва просим прислать по E-mail: uchsovet@,madi.ru

Автореферат разослан « » марта 2015 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета /

кандидат технических наук, профессор/" / Н.В. Борисюк

У

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Крайне необходимый успешный рост экономики всех регионов современной России на основе использования разнообразных её природных богатств невозможен без создания и развития разветвленной сети автомобильных дорог и искусственных сооружений на них.

Требуемые большие объемы строительства мостов при этом потребуют создания новых и совершенствования существующих конструктивных решений мостов, соответствующих современным требованиям индустриального возведения, с использованием местных материалов.

К таким конструктивным решениям автодорожных мостов следует отнести и современные мосты с применением клееной древесины, широко применяемые по экономическим соображениям в США, Канаде и странах Скандинавии. В России, однако, они в последние десятилетия в мостостроении практически не применяются.

Настоящая диссертация нацелена на возрождение клееных деревянных пролетных строений автодорожных мостов в РФ и является продолжением цикла научно- исследовательских работ, выполняемых на кафедре мостов и транспортных тоннелей МАДИ в последние 20 лет, направленных на разработку программ автоматизированного проектирования различных мостовых сооружений и на разработку рекомендаций по обоснованию на стадии их вариантного проектирования рациональных значений их независимых параметров.

Цель работы. Разработка и обоснование рациональных конструктивно-технологических решений деревометалложелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов

Задачи работы: 1.Предложить новые конструктивные решения деревометалложелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов, удовлетворяющих требованиям к их эксплуатационной надежности и долговечности.

2. Разработать блок-схему программы автоматизированного проектирования предложенных новых деревометалложелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов с учетом расчетных и конструктивных к ним требований.

3. Разработать и отладить программы автоматизированного проектирования предложенных новых деревометалложелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов, которые могут быть использованы в практике их реального проектирования.

4. С помощью разработанных программ автоматизированного проектирования выполнить исследование влияния выявленных независимых параметров новых деревометалложелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов на их строительную высоту и стоимость используемых в них материалов.

5. Выявить влияние отрицательных температур среды на напряженное состояние и размеры поперечных сечений деревожелезобетонных пролетных строений.

6. Разработать рекомендации по выбору на стадии вариантного проектирования оптимальных значений независимых параметров новых конструктивных решений деревометалложелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов по критериям минимальной целесообразной строительной их высоты и минимальной стоимости используемых в них материалов с учетом температурных условий их эксплуатации в России.

Объект исследования. Деревометалложелезобетонные пролетные строения автодорожных мостов.

Методика исследования. Расчетно-теоретическая, основанная на использовании требований действующих нормативных документов на проектирование мостовых сооружений. Научная новизна работы: заключается в следующем:

1.Предложены новые конструктивные решения деревометалложелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов, удовлетворяющие требованиям к их эксплуатационной надежности и долговечности.

2.Разработаны и отлажены программы их автоматизированного проектирования с учетом температурных условий их эксплуатации.

3. С помощью разработанных программ автоматизированного проектирования выполнено исследование влияния выявленных независимых параметров новых деревометалложелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов на их строительную высоту и стоимость используемых в них материалов.

4. При исследовании влияния отрицательных температур среды на напряженное состояние и размеры поперечных сечений деревожелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов доказано, что возникающие дополнительные напряжения от их воздействия по контакту дерева с бетоном не создают существенных трудностей для применения деревожелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов с пролетами до 21 м в условиях России, так как эти напряжения успешно воспринимаются специально устанавливаемыми стальными нагелями при сохранении размеров поперечного сечения и оптимальных значений независимых параметров пролетного строения. Стоимость пролетного строения при этом возрастает только за счет необходимости постановки дополнительного количества нагелей, что составляет менее одного процента от стоимости пролетного строения.

5. Доведены до стадии проекта рекомендации по выбору оптимальных значений независимых параметров и всех зависимых размеров новых конструктивных решений деревометалложелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов с пролетами от 12 до 21 м по критериям минимальной целесообразной строительной их высоты и минимальной

стоимости используемых в них материалов с учетом жестких температурных условий их эксплуатации в России.

Практическая иенность и значимость работы: заключается в том, что:

1. Предложенные новые конструктивные решения

деревометалложелезобетонных пролетных строений автодорожных мостоы существенно расширяют возможности для возрождения и реабилитации клееных мостовых конструкций в России.

2. Доведены до стадии проекта рекомендации по выбору оптимальных значений независимых параметров и всех зависимых размеров новых конструктивных решений деревометалложелезо- бетонных пролетных строений автодорожных мостов с пролетами от 12 до 21 м по критериям минимальной целесообразной строительной их высоты и минимальной стоимости используемых в них материалов с учетом жестких температурных условий их эксплуатации в России. - Разработанные программы автоматизированного проектирования деревометалложелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов позволяют повысить качество проектной документации и сократить срок проектирования. Эффективность работы определяется возможностью повышения производительности труда проектировщиков на этапе вариантного проектирования за счет использования современной вычислительной техники в режиме тесного общения инженера -проектировщика с персональным компьютером.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Новые конструктивные решения деревометалложелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов.

2.Программы автоматизированного проектирования деревометалложелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов с реализацией в них инженерного метода последовательных приближений к искомым значениям зависимых размеров по условиям их'прочности, жесткости и трещиностойкости и математического метода сеток для определения оптимальных значений количества балок в поперечных сечениях пролетных строениях и ширины балок по критериям минимальной целесообразной строительной их высоты и минимальной стоимости используемых в них материалов с учетом основных требований СНиП 2.05.03-84*..

3. Результаты исследования влияния независимых параметров деревометалложелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов на строительную высоту и стоимость используемых в них материалов.

4. Результаты исследования влияния отрицательных температур среды на напряженное состояние и размеры поперечных сечений деревожелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов с пролетами до 21 м

5. Рекомендации по выбору на стадии вариантного проектирования оптимальных значений независимых параметров новых конструктивных решений деревометалложелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов по критериям минимальной целесообразной строительной их высоты

и минимальной стоимости используемых в них материалов с учетом температурных условий их эксплуатации в России.

. Степень обоснованности и достоверности научных положений:

Обоснованность и достоверность научных положений, результатов и выводов, содержащихся в работе, определяется тем, что в качестве инструмента исследований была использована программа проектирования, в расчетном и проектирующем модулях которой был использован широко апробированный в практике реального проектирования метод последовательных приближений.

Апробаиия работы и публикации по теме диссертации: Основные результаты работы опубликованы в 3 статьях, 2 патентах, доложены и одобрены на ежегодных научно-технических конференциях Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета и межвузовском семинаре в Университете Дружбы народов в сентябре 2014 г. . Объем и структура работы. Диссертация изложена на 140 страницах текста и включает в себя введение, шесть глав, заключение, приложение с двумя патентами автора, рисунков, список использованной литературы из 71 источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, научная новизна и приведены основные её результаты, выносимые на защиту.

В первой главе на основе анализа состояния применения деревожелезобетонных пролетных строений в России и за рубежом и автоматизированного их проектирования в России сформулированы цели и основные задачи диссертационной работы. По опубликованным работам К.Т.Н. Стукова В.П. , содержащим результаты обследования состояния клееных мостов в Архангельской области, было отмечено, что реабилитация клееных пролетных строений автодорожных мостов в России может быть возможной лишь при условии устранения недостатков, заложенных в типовых проектах клееных пролетных строений, строгого соблюдения технологии их изготовления, строительства и эксплуатации..

В первой главе также изложена используемая в работе концепция автоматизированного проектирования мостовых конструкций проф. Саламахина П.М. и обоснован выбор критерия оптимальности пролетных строений при автоматизированном их проектировании. Упомянуты ранее выполненные на кафедре мостов и транспортных тоннелей МАДИ работы (Лиянагама. Джанака, Вадуге Метананда, Джха Виджай Кумар, Ле Тху Хыонг, Новодзинский А. Л., Аует Луис, Фан Пинь, Ализаде Шахрам, Нгуен Нам Ха, Нгуен Тхак Куанг, Ле Ван Мань, Чан Тхай Минь, Шуен Мань Тхыонг, Зыонг Тхе Ань, Ле Мань Хан, Зайяр Мин Шве) направленные на разработку программ автоматизированного проектирования мостовых конструкций с применением персональных компьютеров и основанные на реализации инженерного метода последовательных приближений к искомому решению.

Во второй главе

"тот

1.Приведено описание предложенных новых шести вариантов конструктивных решений деревометалложелезобетонных разрезных балочных пролетных строений автодорожных мостов. В поперечном их сечении (рис.1) предусмотрено произвольное число клееных деревянных балок, объединенных различными способами с железобетонной плитой проезжей части и между собой поперечными связями.

Рис. 1. Обобщенная конструктивная форма поперечных сечений ребристых деревометалложелезобетонных пролетных строений По железобетонной плите проезжей части устраивается современная гидроизоляция, асфальтобетонное покрытие с продольными и поперечными нормативными уклонами, а также система водоотвода, деформационные швы и стандартные элементы металлических перильных и защитных ограждений. Для разработки приняты шесть вариантов объединения плиты проезжей части с клееными балками пролетных строений.

Первый вариант объединения плиты проезжей части с клееными балками представлен на рис.2. Им предусматривается объединение монолитной железобетонной плиты проезжей части с деревянными балками с помощью специальных металлических тавровых металлических элементов, состоящих из горизонтального металлического листа и приваренного к нему вертикального металлического ребра с толщиной ОЭТ и высотой, равной 0.7 высоты плиты НРЬ. По длине вертикального ребра устраиваются пазы и отверстия, для последующей установки в них горизонтальных штырей, включающихся в работу по передаче усилий сдвига с бетона на вертикальное ребро по способу к. т. н. Решетникова В.Г. Места установки штырей, их диаметр и длина определяются из условия передачи ими усилий сдвига от бетона на вертикальное ребро металлического тавра.

¿адач-м, —(==- ддийа пролета-

Рис.2. Первый вариант узла объединения клееных балок с железобетонной плитой проезжей части.

Горизонтальный лист нижней поверхностью на заводе приклеивается к клееной балке вместе с вертикальным ребром и дополнительно прикрепляется к балке шурупами, места расположения которых, а также их диаметр и длина , определяются из условия восприятия ими сдвигающих усилий между плитой и балками. Монолитная плита армируется по нижним и верхним поверхностям рабочей и распределительной конструктивной арматурой, необходимое количество которой определяется по условию работы плиты на местное действие постоянной и временной нагрузки с учетом конструктивных требований. Для обеспечения возможности проветривания в поперечном направлении в средней части балок на половине их длины с шагом примерно 50 см просверливаются отверстия диаметром не менее 3 см на удалении около 5 см от горизонтального листа.

Второй, третий, четвертый и пятый варианты объединения плиты проезжей части с клееными балками представлены слева направо на рис.3.

Рис.3 .Второй, третий, четвертый и пятый варианты объединения плиты проезжей части с клееными балками

Вторым вариантом предусматривается объединение монолитной железобетонной плиты с деревянными балками с помощью специальных металлических двутавровых металлических элементов , располагаемых между балками и плитой и приваренного к нему вертикального металлического ребра с толщиной ББТ и высотой, равной 0.7 высоты плиты НРЬ НРЬ. По длине вертикального ребра устраиваются пазы и отверстия, для последующей установки в них горизонтальных штырей. Нижний горизонтальный лист двутавра нижней поверхностью на заводе приклеивается к клееной балке вместе с вертикальным ребром и дополнительно при возможности

прикрепляется к балке шурупами. Для обеспечения возможности проветривания в поперечном направлении в стенке двутавров на средней половине их длины с шагом примерно 50 см. выполняются отверстия — продухи диаметром около 3 см. Третьим и четвертым вариантами предусматривается полносборное объединение деревянных балок со сборной железобетонной плитой с помощью специальных металлических элементов (двух уголков, прикрепляемых к балкам шурупами, вертикального ребра с пазами, заделанным в сборную плиты вместе с гибкими нагелями, монтажными высокопрочными болтами).

Пятым вариантом предусматривается объединение монолитной железобетонной плиты проезжей части с деревянными балками с помощью наклонно устанавливаемых нагелей по длине балки с шагом, определяемым по условию восприятия ими усилий сдвига, возникающих в уровне объединения плиты и балки с зазором, устраиваемым в средней части балки на половине её длины для обеспечения проветривания балок в поперечном направлении. Шестым вариантом узлов объединения балок с плитами проезжей части предусматривается объединение деревоплиты проезжей части с деревянными балками с помощью металлических штырей, фиксирующих положение деревоплиты на балках при работе плиты на местное действие временной нагрузки. Включение деревоплиты проезжей части в работу на обще действие временной нагрузки не предусматривается в связи с тем, что модуль упругости древесины поперек волоков весьма мал по сравнению с модулем упругости древесины вдоль волокон. Для обеспечения возможности проветривания балок в поперечном направлении в средней их части на половине их длины с шагом 50 см просверливаются отверстия диаметром 5 см на удалении 10 см от верхнего пояса балок. По деревоплите под асфальтобетон предусматривается устройство защитно-сцепляющего слоя из полимерного (полимерно-битумного) материала, например, по технологии фирмы Зика. Количество балок в поперечном сечении, их высота и ширина, толщина плиты проезжей части, необходимое количество арматуры и штырей, необходимое количество металла для объединения балок с плитой будет определяться с помощью разрабатываемых программ автоматизированного проектирования рассматриваемых пролетных строений по условиям прочности элементов, жесткости пролетного строения и минимума стоимости используемых материалов для каждого рационального решения пролетного строения. Во второй главе, кроме того:

- приведена система исходных и выходных данных к разработанной программе автоматизированного проектирования

деревометалложелезобетонных пролетных строений;

-приведена математическая формулировка задачи автоматизированного проектирования деревометалложелезобетонных пролетных строений;

-в качестве независимых параметров приняты количество балок в поперечном, сечении и их ширина и с учетом этого разработана блок-схема программы автоматизированного проектирования

деревометалложелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов.

В третьей главе изложена принятая методика расчета и конструирования плиты и балок пролетных строений применительно к программе их автоматизированного проектирования с учетом требований СНиП 2.05.0384*.

Четвертая глава посвящена освоению разработанной программы и разработке методики получения оптимальных значений независимых параметров пролетных строений на основе анализа получаемых поверхностей стоимости и высот балок в функции количества балок в поперечном сечении пролетного строения и их ширины.

Ниже в качестве примера приведена в табличном виде такая поверхность для пролетного строения с пролетом 18 м с основными результатами проектирования для второго способа объединения балок с плитой. В нижней части этой таблицы под столбцом стоимости пролетного строения приводится выявленная с помощью программы Ехве1 минимальная стоимость 1977133 руб. оптимального по стоимости варианта пролетного строения и еще ниже приведены строки с параметрами и размерами вариантов, соответствующих минимальной высоте пролетного строения и принятому варианту, удовлетворяющему комплексу требований.

Таблица 1. Поверхность стоимости пролетного строения и его высоты в функции двух независимых параметров.

ЫВАЬ ввлиа ЬРЬГГ НРЬ тетта БАЛМРЬ нваьк! УРБ БТРБ

4 0,15 2,42 0,13 20 0,01 3,925007 4,305007 1983427

4 0,175 2,4 0,13 20 0,01 3,350005 3,730005 1988651

4 0,2 2,37 0,15 20 0,009 2,975003 3,375003 2013495

4 0,225 2,35 0,15 20 0,009 2,625002 3,025002 2013753

4 0,25 2,32 0,15 19 0,009 2,350001 2,750001 2009656

5 0,15 1,91 0,13 20 0,009 3,150004 3,530004 1980842

5 0,175 1,88 0,15 20 0,008 2,750002 3,150002 2018834

5 0,2 1,86 0,13 19 0,009 2,325001 2,705001 1978133

5 0,225 1,83 0,13 19 0,009 2,05 2,43 1980573

5 0,25 1,81 0,13 19 0,009 1,825 2,205 1978863

6 0,15 1,56 0,13 20 0,008 2,625002 3,005002 1977133

6 0,175 1,54 0,13 20 0,008 2,25 2,630001 1994610

б ол 1,51 0,13 20 0,008 1,95 2,33 1997539

6 0,225 1,49 0,13 20 0,008 1,7 2,08 1985945

6 0,25 1,46 0,13 19 0,008 1,525 1,905 1992428

7 0,15 1,32 0,13 17 0,008 2,25 2,630001 1987331

7 0,175 1,29 0,13 17 0,008 1,925 2,305 2004873

7 0,2 1,27 0,13 16 0,008 1,65 2,03 1988182

7 0,225 1Д4 0,13 20 0,007 1,525 1,905 2063873

7 0,25 1,22 0,13 20 0,007 1,525 1,905 2256988

8 0,15 1,13 0,13 17 0,007 1,975 2,355 1996492

8 0,175 1,11 0,13 17 0,007 1,675 2,055 2003521

8 ОД 1,08 0,13 16 0,007 1,525 1,905 2083769

8 0,225 1,06 0,13 15 0,007 1,525 1,905 2300032

и

8 0,25 1,03 0,13 20 0,006 1,525 1,905 2519193

9 0,15 0,99 0,13 18 0,006 1,75 2,13 2002466

9 0,175 0,96 0,13 17 0,006 1,525 1,905 2050785

9 0,2 0,94 0,13 16 0,006 1,525 1,905 2295693

9 0,225 0,91 0,13 15 0,006 1,525 1,905 2540786

9 0,25 0,89 0,13 20 0,005 1,525 1,905 2785318

10 0,15 0,88 0,13 19 0,005 1,575 1,955 2014450

10 0,175 0,85 0,13 18 0,005 1,525 1,905 2239526

10 0,2 0,83 0,13 17 0,005 1,525 1,905 2513055

10 0,225 0,805 0,13 15 0,005 1,525 1,905 2784277

10 0,25 0,78 0,13 14 0,005 1,525 1,905 3058013

1977133

5 0,2 1,86 0,13 19 0,009 2,325001 2,705001 1978133

7 0,225 1,24 0,13 20 0,007 1,525 1,905 2063873

6 0,25 1,46 0,13 19 0,008 1,525 1,905 1992428

Оптимальными независимыми параметрами №*АЬ и ВВАЬК пролетных

строений с пролетами 18 м со вторым способом объединения клееных балок с

железобетонной плитой проезжей части на поверхности их стоимости являются ЫВАЬ=6 и ВВАЬК1=0.25 м.

Им соответствуют значение стоимости пролетного строения БТР8=1992428 рублей, высота клееных балок НВАЬК1=1,525м и высота пролетного строения УР8=1,905м.

Получаемые с помощью программы проектирования такие поверхности позволяют выполнить анализ влияния численных значений независимых параметров на численные значения зависимых размеров и параметров, определявшихся с помощью программ автоматизированного проектирования со строгим выполнением условий прочности элементов пролетного строения, жесткости пролетного строения и трещиностойкости железобетона плиты проезжей части. Так из анализа данных таблицы 4.1 следует, что пролет плиты проезжей части ЬРЫТ по мере увеличения количества балок в поперечном сечении и их ширины закономерно уменьшается, что приводит к уменьшению требуемой высоты НРЬ железобетонной плиты по местному действию постоянных и временных нагрузок от 15 см при четырех балках до 13 см, установленных в качестве минимально возможных для возрастающего количества балок.

При установленном максимально возможном количестве стержней арматуры в плите на ширине 1 м, равным 20, определились требуемые диаметры арматуры по условию прочности и трещиностойкости плиты. При этом требуемый диаметр арматуры при принятых условиях уменьшался от 10 мм до 5 мм по мере возрастания количества балок в поперечном сечении пролетного строения и их ширины.

Требуемые высоты деревянных балок по мере возрастания количества балок и их ширины закономерно уменьшались по условиям их прочности и жесткости от 3.92 м до 1.525 м.

Стоимость пролетного строения при возрастании количества балок в поперечном сечении и их ширины в начале плавно уменьшается , достигает минимального значения, а затем начинает и продолжает возрастать. Минимально возможное значение стоимости пролетного строения при целесообразной минимальной высоте балки выявлено при ЫВАЬ=6 и ВВАЬК1=0,25м и составляет 1992428 рублей.

В пятой главе приведены результаты исследования с помощью разработанных прбграмм по определению оптимальных значений независимых параметров пролетных строений для шести форм их поперечных сечений и рекомендации по их установлению для пролетных строений мостов в диапазоне пролетов от 12 до 21 м.(см.табл.2 -5, в которых МЗАЬ-количество балок, ВВАЬКЛ-ширина балок в м, ЬРЫТ- пролет плиты в м, НРЬ-толщина плиты в м, НБТШ- количество стержней в плите на ширине её 1 м, БАЕШРЬ-требуемый диаметр арматуры в м, НВАЬК1- высота клееной балки в м, УРБ-высота пролетного строения в м, БТРЗ-стоимость пролетного строения в руб. Таблица 2. Для Ь=12 м ВВАЬК

КВАЬ I .ЬРЫТ НРЬ ывття БА1ШРЬ нваыо УРБ ЭТРБ

1ф- 8 0,25 1,0375 0,13 18 0,007 1,025 1,277 1172270

2ф- 9 ОД 0,95 0,13 16 0,006 1,05 1,43 1179401

34ф- 9 0,2 1,15 0,13 18 0,007 1,05 1,442 1199065

5ф- 10 0,2 0,83 0,13 17 0,005 1,025 1,33 1052773

6ф- 9 0,2 0,95 0,1 1,2 1,41 1406790

Таблица 3. Для Ь= =15 м

ВВАЬК

I ЬРЫТ НРЬ- ^тта БАШРЬ НВАЬК1 УРЙ БТРБ

1ф- 0,25 1,22 0,13 17 0,008 1,275 1,527 1549193

2ф- 7 0,225 1,24 0,14 20 0,007 1,325 1,705 1559495

34ф- 7 0,225 1,47 0,15 19 0,008 1,325 1,717 1578238

5ф - 9 0,2 0,95 0,13 16 0,006 1,275 1,58 1445537

6ф- 9 од 0,95 0,1 1,375 1,585 1913730

Таблица 4. Для Ь=18 м

ВВАЬК

ШАЬ I ЬРЫТ НРЬ №ТТЯ БАКМРЬ НВАЬЮ УРБ БТРЗ

1ф- 7 0,225 1,25 0,14 18 0,008 1,55 1,802 1978879

2ф- 6 0,25 1,46 0,15 19 0,008 1,525 1,905 1992428

34ф- 9 0,175 1,14 0,13 18 0,007 1,525 1,917 2076155

5ф- 10 0,175 0,85 0,13 18 0,005 1,525 1,83 1952612

бф- 10 0,15 0,88 0,13 1,7 1,91 2330580

Таблица 5. Для Ь=21 м

ВВАЬК

>*ВАЬ I ЬРЫТ НРЬ ивття ОАЯМРЬ НВАЫС1 УРБ БТРЭ

1ф- 10 0,15 0,88 0,13 20 0,006 1,8 2,052 2458586

2ф- 10 0,15 0,88 0,13 19 0,005 1,775 2,155 2565492

34ф- 9 0,15 1,14 0,13 18 0,007 1,875 2,267 2478434

5ф 10 0,15 0,88 0,13 19 0,005 1,8 2,105 2290725

бф 7 0,175 1,29 0,14 2,1 2,31 2723490

Произведенное в главе 5 сравнение эффективности и целесообразности применения различных конструктивных форм деревометалложелезобетонных пролетных строений по комплексу экономических (стоимости пролетного строения), конструктивных(высоте пролетных строений) и технологических требований ( количеству балок и форме их поперечного сечения, влияющих на технологию изготовления балок и плиты, а также монтаж пролетных строений) позволило сделать следующие выводы и рекомендации:

1. Наиболее рациональным (среди рассмотренных) способом объединения клееных балок с плитой проезжей части в деревометалложелезобетонных пролетных строениях с пролетами 12-21 м следует принять пятый способ при реализации его как в монолитном, так и сборном вариантах.

2. Шестой способ, применяемый в клееных пролетных строениях с клееной деревоплитой проезжей части, является самой дорогой по стоимости используемых материалов, но при применении его в весьма отдаленных и труднодоступных районах по соображениям стоимости доставки и монтажа может быть приемлемым.

3. Деревометалложелезобетонные пролетные строения с клееными балками, объединяемыми с железобетонной плитой проезжей части по способам 1, 2, 3 и

4. могут иметь практически одинаковые комплексные показатели и могут быть применены с использованием сборной и монолитной плиты проезжей части в районах с благоприятными условиями использования клееной древесины и железобетона.

В шестой главе исследовано влияния отрицательной температуры среды на напряженное состояние и размеры поперечных сечений деревожелезобетонных балок пролетных строений автодорожных мостов. В России нет

общепризнанных и четких рекомендаций по проектированию деревожелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов с учетом особенностей их работы при изменении температуры окружающей среды. Среди наиболее значимых научных работ, выполненных к настоящему времени в России, посвященных этим дополнительным напряжениям, следует указать работы В. И. Кулиша и Ю. О. Мельникова. Но при использовании их рекомендаций для определения температурных напряжений в деревожелезобетонных балках от температуры окружающей среды возникают трудности, вызываемые отсутствием в доступных публикациях полного комплекса необходимых данных о методике их разработки. В связи с этим возникла необходимость получения собственного решения этой задачи для использования в разрабатываемых программах автоматизированного проектирования различных конструктивных решений деревожелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов.

Рассмотрена задача о возникновении сдвигающих напряжений по плоскости контакта деревянной клееной балки длиной Ь (рис 4) с железобетонной плитой проезжей части автодорожных мостов. Объединение плиты с деревянной балкой может быть выполнено с помощью клея и нагелей.

I

Рис 4. Продольная схема деревожелезобетонной балки с принятой системой координат

Пусть в поперечном сечении деревянная балка имеет высоту Ьа и ширину Ь^, а железобетонная плита имеет ширину Ьь, и высоту Ьь (рис.5).

Рабочая арматура в плите по условиям её работы в мостовой конструкции расположена в I поперечном направлении, в продольном направлении расположена лишь конструктивная арматура, небольшое количество которой в продольном направлении не будем учитывать при вычислении геометрических характеристик плиты

1о к5 _£2

1

1 1

„ кэ ы " "У е

Рис.5. Поперечное сечение деревожелезобетонной балки.

Обозначим модуль упругости древесины вдоль волокон ЕА ,модуль упругости бетона вдоль балки Еь, площади поперечного сечения железобетонной плиты Аь,, деревянной балки А<1, моменты инерции железобетонной плиты 1ь, деревянной балки 1а, полную высоту деревобетонной балки Ь= Ьь + Ь<1 .радиус кривизны составного сечения г, коэффициенты линейного температурного расширения бетона .дерева

Учтено, что в России наибольшее возможное отклонение температуры среды по отношению к температуре среды при строительстве моста соответствует зимним условиям. Обозначим возможный температурный перепад Д.', а разность значений коэффициентов температурного линейного расширения бетона и древесины Да. При понижении температуры среды бетон, имеющий больший коэффициент линейного расширения будет, более интенсивно укорачиваться, чем древесина. Но на границе контакта этому противодействует древесина. В связи с этим бетон будет подвергаться растяжению и изгибу, а дерево сжатию и изгибу, т.е. будет происходить изгиб составной балки с вогнутостью в сторону железобетонной плиты.

Мхг,

Та-

Мг

ш М1

I

Мг

-Тг

П1

Рис.6. Схема усилий и напряжений на произвольном участке балки Рассматривая участок балки, расположенный между двумя поперечными сечениями тп т|П, (рис.6) на произвольном участке балки по её длине, и следуя приему, предложенному С. П. Тимощенко при решении аналогичной задачи , можем внутренние усилия по поперечному сечению бетонной плиты привести к растягивающему усилию Т](х) и паре сил М)(х). Подобным образом внутренние силы в деревянной балке можем привести к сжимающему усилию Т2(х) и паре сил М2(х).

Внутренние силы в любом поперечном сечении должны быть в равновесии, поэтому должны выполняться условия (1)

где

л/,=-

Т(х)к 2

Е1,

(1)

(2)

С учетом (1) и (2) получаем связь между Т(х) и радиусом кривизны г

(3)

гсо=-(£•,/,+ад

яг

Для определения неизвестных Т(х) и г в (3) .кроме уравнения (3). используем равенство относительных деформаций бетона и дерева по поверхности контакта (4).

(.4)

-а„ М

Из (4) получаем

Т(х) /),

—-+—=-«,, д*-

ЕьА 2 г

2г

Т(*Х—+—)+—= Л аЫ ЕЪАЬ Е„л/ 2т

С учетом (3) получаем

-Г^Л + ЕАХт^т" Аг ЕЛА„

Из (6) получаем кривизну(7)

1 ЛаЛ/

к—!—) + — = ДиД< Е.А. 2 г

(5) . (6) (7)

-»

При подстановке кривизны в (3) получаем значение Т(х) в виде (8)

2\а^(Еь1, + Е111) (8)

Т(х)-

+ 2 (Е„1„ + + -!-))

2 Е1А1

Для учета изменения Т(х) в функции координаты х заметим далее, что её первая производная по длине, является равной по величине и обратной по

знаку погонной нагрузке §(х), соответствующей интенсивности сопротивления сдвигу по границе контакта двух материалов и определяемой по формуле g(x) = -в Да Дг<1х

(9)

где в -модуль сдвига на границе двух материалов, принимаемый в зависимости от конструкции соединения материалов (с помощью клея, с помощью нагелей);

Да &1 -относительная деформация сдвига по границе контакта, вызываемая изменением температуры среды по сравнению с температурой среды в период строительства моста;

С учетом выше приведенного записываем (10)

(10)

(к

и получаем затем значение второй производной (11)

<12Т{х) _

(П)

Из (1 (12)

, - = вАа&1 <Ьс

Из (11) имеем ¿2Т(х))_ = ДяД, £&2 в

Из (8) имеем (^(у. + адх^^))

--' Т(х) = Да Д/

2 (ад+ад

(13)

С учетом (12) и (13) и несложного преобразования получаем

дифференциальное уравнение (14) для определения Т(х) 1,1 ] 1

(—+2(£./. + Е1Л—— +——))

Л2 2(ВД+ £/.,)

(14)

Характеристическое уравнение для (14) имеет вид (15)

1г2-а—-д>4> ' ' = о

К 2 (ВД+ЗД

(15)

Его два действительных корня имеют значения (16)

(16)

2(£Л+£'Л)

Общее решение дифференциального уравнения в этом случае имеет вид (17) (17)

При принятой системе координат (рис.1) в силу симметрии напряженного состояния с учетом физики рассматриваемого явления при х=0 Т(*) = О Тогда Т(* = 0) = С,-С2=0 , => С, =С2=С =>Т(х) = С(еь-е"ь) (18)

= Ск(еь+е"ь) = GAaAidx => c = -GAaAUlx

(19)

Же ' к(еь+ е~ь)

Общее решение уравнения с учетом (18) и (19) приобретает вид (20) А (е +е ) *

Максимальное значение сдвигающей силы в приопорном сечении при х=Ь/2 определим интегрированием

(20)

=—7— j thkxdx--К ¿/2—1

(21)

Максимальное сдвигающее напряжение в приопорном сечении реальной балки при х=1У2

Т

(22)

При вычисленных Mb Md Т(х) с использованием (2), (9) и (20) представляется возможньм вычислить нормальные напряжения в кромках бетонной плиты и деревянной балки по следующим формулам:

_ _+Mih< _ _ ГМ (23)

1 i " Ai

L 2 <** Аь Mthk + T(x)

*«рх

17„ =

lb 2 Аь

МЛ, Т(х) L 2 Ai

д/, hi т(х)

crd =

Пх)

2 Л,

(24) (25)

Для пролета Ь=12 м и Ь=21 м с помощью разработанной программы автоматизированного проектирования были спроектированы по три варианта пролетных строений шириной 10.3 м, отличающихся тем, что первые варианты спроектированы без учета возникающих дополнительных напряжений при воздействии изменения температуры окружающей среды, а второе и третьи с их учетом. При этом вторые варианты пролетных строений проектировались на перепад температуры среды от 20°С до- 30°С то есть наЛ/ = 50°С ,а третьи варианты на перепад температуры среды от 20°С до- 40°Сто есть наДг = 60°С, В нижеприведенных таблицах приведены для сравнения основные выходные данные об этих вариантах пролетных строений.

Таблица 6.1.Основные исходные и выходные данные о пролетных строениях

Наименование данных 1 вариант 2вариант Звариант

Разница температур среды Д* 0 50 60

Разница значений коэффициентов линейного расширения Да 0.000005 0.000005 0.000005

Количество балок в поперечном сечении моста 8 8 8

Ширина балок в м 0.25 025 0.25

Высота деревянных балок в м 1.025 1.025 1.025

Толщина железобетонной плиты в м 0.13 0.13 0.13

Ширина железобетонной плиты в м 1,0375 1,0375 1,0375

Полная высота балки в м с учетом одежды 1,277 1,277 1,277

Количество пар нагелей по контакту бетон дерево от опоры до середины пролета 12 20 22

Дополнительные касательные напряжения по контакту бетон-дерево в МПа от А? 0 075 1.0

Дополнительные нормальные напряжения по нижней кромке дерева в МПа от А/ 0 1.57 1.89

Касательные напряжения по контакту бетон-дерево в МПа при эксплуатации 1.166 1.94 2.0

Растягивающие напряжения по нижней кромке дерева в МПа при эксплуатации 9.56 11.4 11.5

Касательные напряжения на нейтральной оси в МПа при эксплуатации 1.49 1.49 1.49

Стоимость пролетного строения в рублях 1174021 1175078 1175342

Таблица 6.2.0сновные исходные и выходные данные о пролетных строения; для пролета 21 м

Наименование выходных данных 1 вариант 2вариант 3вариант

Разница температур среды Д/ 0 50 60

Разница значений коэффициентов линейного расширения Да 0.000005 0.000005 0.000005

Количество балок в поперечном сечении моста 10 10 10

Ширина балок в м 0.15 015 0.15

Высота деревянных балок в м 1.8 1.8 1.8

Толщина железобетонной плиты в м 0.13 0.13 0.13

Ширина железобетонной плиты в м 0.88 0.88 0.88

Полная высота балки в м с учетом одежды 2.052 2.052 2.052

Количество пар нагелей по контакту бетон дерево от опоры до середины пролета 12 28 31

Дополнительные касательные напряжения по контакту бетон-дерево в МПа от Ы 0 1.17 1.55

Дополнительные нормальные напряжения по нижней кромке дерева в МПа от Дг 0 1.57 1.88

Касательные напряжения по контакту бетон-дерево в МПа при эксплуатации 1.166 235 2.6

Растягивающие напряжения по нижней кромке дерева в МПа при эксплуатации 10.6 12.21 12.53

Касательные напряжения на нейтральной оси в МПа при эксплуатации 1.49 1.49 1.49

Стоимость пролетного строения в рублях 2461312 2463955 12464450

При рассмотрении и анализе этих данных установлено следующее:

1. Заданный реально возможный для условий России диапазон перепада температуры при использовании принятого способа учета и восприятия дополнительных сдвигающих напряжений, возникающих по контакту дерева с бетоном в деревожелезобетонных пролетных строениях с пролетами до 21 м не оказывает влияния на оптимальные значения их всех независимых параметров.

2. Высота балок и их ширина во всех вариантах пролетных строений определяются условиями прочности древесины по сдвигу на нейтральной оси 1.5 МПа.

3. Растягивающие напряжения по нижним Кромкам деревянных балок не достигают расчетных сопротивлений 15 МПа даже с учетом дополнительных растягивающих напряжений от перепада температуры.

4. Возможный перепад температуры окружающей среды вызывает значительные дополнительные сдвигающие напряжения по контакту бетон-дерево, что определяет необходимость постановки дополнительного количества нагелей для обеспечения условий прочности по сдвигу на этом контакте от совместного воздействия всех сдвигающих напряжений. В первых вариантах этих пролетных строений требуемое количество нагелей на контакте бетон -дерево определялось лишь от воздействия постоянных и временных нагрузок.

5. Разница в стоимости вариантов пролетных строений, спроектированных с учетом воздействия отрицательных температур среды определяется лишь не существенным увеличением стоимости дополнительных нагелей, не достигая 0.5% от общей стоимости пролетного строения.

Вывод по главе 6.

1. Выполненное исследование влияния отрицательных температур среды на напряженное состояние и размеры поперечных сечений деревожелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов позволило сделать вывод о том, что возникающие дополнительные напряжения от воздействия отрицательной температуры среды не создают существенных трудностей для применения деревожелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов с пролетами до 21 м в условиях России.

2. Показано, что возникающие дополнительные скалывающие напряжения по контакту дерева с бетоном могут быть успешно восприняты дополнительным количеством специально устанавливаемых стальных нагелей, при этом размеры поперечного сечения пролетного строения сохраняются. Стоимость пролетного строения при этом возрастает только за счет необходимости постановки дополнительного количества нагелей, что составляет менее одного процента от стоимости пролетного строения

Заключение

В выполненной работе в интересах возрождения и реабилитации клееных деревянных мостовых конструкций автодорожных мостов поставлена и решена задача разработки и обоснования новых рациональных конструктивно-технологических решений деревометалложелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов. При этом:

1.Предложены новые конструктивные решения деревометалложелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов с пролетами от 12 до 21 м, соответствующих требованиям к их эксплуатационной надежности и долговечности.

2.Разработаны программы автоматизированного проектирования деревометалложелезобетонных пролетных строений с учетом температурных условий их эксплуатации.

3. С помощью разработанных программ автоматизированного проектирования выявлено влияния количества балок в поперечном сечении новых деревометалложелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов и их ширины. на их строительную высоту и стоимость используемых в них материалов.

4. При исследовании влияния отрицательных температур среды на напряженное состояние и размеры поперечных сечений деревожелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов доказано, что возникающие дополнительные напряжения от их воздействия по контакту дерева с бетоном не создают существенных трудностей для применения деревожелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов с пролетами до 21 м в условиях России, так как эти напряжения успешно воспринимаются специально устанавливаемыми стальными нагелями при сохранении размеров поперечного сечения и оптимальных значений независимых параметров пролетного строения. Стоимость пролетного строения при этом возрастает только за счет необходимости постановки дополнительного количества нагелей, что составляет менее одного процента от стоимости пролетного строения.

5. Доведены до стадии проекта рекомендации по выбору оптимальных значений независимых параметров и всех зависимых размеров новых конструктивных решений деревометалложелезо- бетонных пролетных строений автодорожных мостов с пролетами от 12 до 21 м по критериям минимальной целесообразной строительной их высоты и минимальной стоимости используемых в них материалов с учетом жестких температурных условий их эксплуатации в России.

Положения диссертации опубликованы в следующих работах: Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК РФ:

1. Саламахин П.М. Решетников И.В. К выбору рациональных конструктивных . форм деревометалложелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов//Наука и техника в дорожной отрасли.-2014.-№3.-С.45-48.

2. Саламахин П.М. Решетников И. В. Влияние отрицательной температуры среды на напряженное состояние и размеры поперечных сечений деревожелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. - 2014. -№6.-С. 44-50.

3. Саламахин П.М. Решетников И.В. К лучшему способу учета дополнительных напряжений, возникающих в деревожелезобетонных пролетных строениях автодорожных мостов при понижении температуры среды // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. -2015. -№1.- С. 47-49.

4. Патент на полезную модель № 144743 Российская Федерация Деревометаллобетонное пролетное строение моста Решетников Илья Владимирович. Саламахин Павел Михайлович.

Заявка № 2014115635, Приоритет 18.04.2014г.

5. Патент на полезную модель № 119351 Российская Федерация Деревобетонное пролетное строение моста Решетников Илья Владимирович. Саламахин Павел Михайлович.

Заявка № 2012105679, Приоритет 20.02.2012г.

Подписано в печать 13 марта 2015 г. Формат 60x84x16 Усл.печ.л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ N2 3

ТЕХПОЛИГРАФЦЕНТР Россия, 125319 , г. Москва, ул. Усиевича, д. 8 а. Тел.: 8-916-191-08-51 Тел./факс (499) 152-17-71 E-mail: 7tpc7@mail.ru