автореферат диссертации по строительству, 05.23.15, диссертация на тему:Пространственная работа пролетных строений железобетонных мостов с учетом реальных условий опирания

На правах рукописи

НАСРУЛЛА ХОШДЕЛЬ

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ РАБОТА ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ МОСТОВ С УЧЕТОМ РЕАЛЬНЫХ УСЛОВИИ СШИРАНИЯ

(05.23.15. - Мосты и тракспорткыр тоннели )

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1935

Работа ¿ь'лэгье^а ка "к/лть :г -.гниспсрт:^ етг-гйли"

Мот-ковското государственного а&то^&одг^-дйоаввого ккс-гигута («зхнкчзсгаш универсаме?).

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

А.А.Потагаскн,

Сфтщиагьные оппоненты- доктор техшгаесккх наук, профессор

Н. Н'. Шапошников кандидат технических наук

В.Н.Шестеркков

Ведущая организация - А 0" Гкпротрансмост".

5ащита состоится ■' >3 » Мо^гЗр^Г 1335г. в/^ч на заседании специализированного совета ВАК РФ К 53.30.03 . при Московском государственном аатошбшано-дорсмшом • -институте (техническом университете) по адресу : 125329; ГШ 47.Москва,А-319.Ленинградский прспект,64,ауд.42.

Справки по телефону 155-03-28.

С диссертацией моете ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы е дпук экземплярах,гаверакше гербовой печатью,просим направлять з специализированный совет института.

Автореферат разослан" окТЯ^^Я 1995г.

Ученый секретарь специадиэир^звазкога совета доктор технических наук, профессор

1).. м. сзл£мзхия

ОБ^ЬЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РлЕОТЫ

Актуальность те?.<н

Влияние резиновых опорных частей ргЛогу пролетных строении :келезобетсннкх ¡.¡остов прзкгичегк'Л не изучено, хотя РОЧ гптрста применяются в гостах.

Замена стайные опорных частей на резиновые опорных частей позволяет снизит* стотеость и трудоемкость г пзгучпть заметный техн1:ко-зетно>жческкй эффект.

Проверенные численные исследования создали практические предлоснтги дт? '.'чета пространственной Пиолетныл строе-

ппй па РО™ в 'грастику проектирования к энсшхудо&цви мостов.

Цель диссертационной работы

Выявление, на базе численник расчетов, влияния резиновых опорных частей на параметры напряженно-деформированного состояния балочных 'железобетонных пролетных строений мостов с разработкой. рекомендаций.

Для достижения, поставленной цели необходимо решить ряд кзякретаое задач, а именно:

Адаитяровагь методик:/ численных юследозааий мос-говых ковструкозп ка базе вычислительного комплекса "ВХРТЗ".

2. Привлечь исследования на моделях для сцзнга догаости вкполяекных численных работ и провести поиск ращязнааьнота типа опорной части.

3. Провести численные ксследовЕНип робота опср1£ьк частей при ранлкчньк конструктивных вариантах кеяегобетсяных пролетных строении мостов.

4. 'Ороанглигировать практику примекеш?» • рзалнчкых -типов спорных частей ь сон ременных пролетных строениях мостов к составить рекомендации с учетом выполненных исследовании.

Научная новизна работа состоит з следуящем:

- здзктароваяза методика численного расчета кз базе комплекса "5ТГГ5" и предложена пространетзеянаа расчетная схема:

- выявлении ггасономернооти (особеянности) пространственной рабага пролетных строений с реаипогкмн опорными частями;

- даны рекомедадки по проектирования и гтепяуатацин.

Практическая ценность Материалы. диссертационной работы

могут быть применены а практике проектирования и реконструкции желейобетонных мостов.

Аптобапкя работы

ОсноЕкые положения к результаты диссертационной работы, докладывались на ежегодных научнс-исследовательских конференциях МАДЙ (ТУ) е 1393-1995 г.г. к на заседаниях кафедры "Мосты и транспортные тоннели" МАДИ? (ТУ).

СОЕЕЗЕАНКЕ РАБОТ .

Во введении дана обшвя характеристика состояния существующих сети к мостов в Афганистане, обоснована актуальность теш диссертации, показаны ее научная новизна к практическая значи-

мосъ.

■ Р.. пергой 'глазе проЕеден обзор состояния мостостроения в Афганистане. Анализируется состояние автомобильных дорог и искусственных сооружений на них, рассмотрены перспективы строительства автомобильных мостов на основе развития сети автомобильных дорог. Для выявления наиболее применяемых материалов, статической системы, конструкций, данных пролетных строений, расчетных конструктивных нагрузок в пролетных строениях мостов, был выполнен анализ 190 штук мостое", находящихся на ос-' яовных дорогах Афганистана.

Даны основные характеристики мостое, анализируя которые, мокко сделать следующие выводы:

- основный материалом пролетных строений мостов является обычный железобетон, который использован при строительстве 57,6% мостов (ркс.1 ):

- основной системой' пролетных строений мостое в Афганистане является балочная разреаная система пролетных строений, с использованием которой состроено около 91% мостов (рис.2 );

- основной конструкцией пролетных строений являются Т-образные железобетонные балки, которые использована при сгрои-

' тельстве 53.

- основной расчетной к0р:.;атл£30Й кагругкой я&вйиоя л-30, Ж-80. которая испсльс-о?.анз при проектировании 47,83/1 косюз .

- осаоЕнок длиной пролетных строений мостов яьняется 5-16 м, ксторуа ю,'.ег>т 55,За мостов.

Балочная разрезная система

о

Е?

о

Балочная неразрезная система

-о

Ц1

^Арочная

«3

а

о о

. о о

Из обычного железобетона

о р

от Из сталежелзобетона

ю со

5"

м го <7> ю

Кирпич

I

со

I

Из преднапрягаемого железобетона

Из бетона

о

о

ЬЭ

•О

О ф

Вторая глава посвящена методике пространственных расчетов балочных пролетных строений и их классификаций.

Для расчета пролетных строений мостов в настоящее время существует много различных точных и сложных способов пространственных расчетов пролетных строений, основанных на теории упругости к строительной механике, которые дают достаточную для практически?: целей точность.

Для выбора метода расчета необходимо знать классификацию методов пространственного расчета мостов.

Классифицировать расчетные схемы целесообразно, следуя В.З. Влзсову, по пространственной протяженности основных несу-¡цих конструкций пролетных строении. По этому признаку методы пространственного расчета мостов разделены на три класса:

1) Стержни и системы стержней сложного сечения. К первому классу относятся конструкции пролетных строений, которые по условиям их пространственной жесткости работают как тела, имеющие форму брусьев Из существующих способов пространственного расчета к атому классу могут быть отнесены следующее : метод рычага , метод внецентренного сжатия , метод упругих опор и ДР.

2) Пластинки и оболочки. Пролетные строения рассматриваются как тонкие плиты, оболочки к атому классу отнесены методы расчета ,в которых пролетных строения рассматреваются как гонкие плиты , оболочки и другие конструкции . Расчет таких конструкции производится с исполь вованнием обшей теории пластинок и оболочек , основанных на геометрических гипотезах. - К атому классу относятся все методы ,в которых пролетные строения {засматриваются как плиты , опертые двумя сторонами на жесткие опоры или как плиты , опертые на упругий контур с точечными опорами.

3) Тонкостенные стержни открытого жесткого или деформируемого , закрытого деформируемого поперечного сечении к атому классу относятся методы, в которых пролетные строение расмат-риьается как тонкостенные стержни . Особое место еанимает- метод конечных элементов .наиболее универсальный для расчета конструкций. С его помощью можно рассчитывать конструкции лю-

- о -

бок сложности.с произвольными граничными условиями и внешней нагрузкой , с учетом пластической деформации , усадки и влияния температуры как в упругой , так и неупругой стадиях и т.д.

Большой вклад е развитие современных пространственных методов расчета мостовых конс-трукций внесли:В.З.Власов , А.А.Уманскии .Донченко В.Г.,Улицкий Б.Е,Семенец Л.В,Лукин Н.П, Александров A.B. .Шапошников H.H. .Лужин 0.В. .Пастернак П.Л., Потэпкин А. А. .Гибшмак М.Е. Из современны?: зарубежных учены-: следует отметить работы Хомберга, Треста,Чаяга.Гюйна.Массоне , Родберга.Л.Леви и других. . . .

В третьей главе приводится применив метода конечных элементов для расчета мостовых конструкций на прочность и жесткость, алгоритм и описание основной программы "GIFTS".

Проектирование мостовых конструкций и других сложных сооружении связано с всесторонним исследованием прочности и жесткости конструкции с учетом действующих нагрузок и взаимодействия с внешней средой.

В связи с этим разработаны точная и эффективная численная методика расчета конструкции на прочность и жесткость. Одним из наиболее глубоко проработанных, универсальных и широко применяемых методов является метод конечных элементов.

Классический подход к решению задачи о напряженно-деформированном состоянии области начинается с анализа бесконечно малого элемента этой области, например:

Примем гипотезы:

1. Наттряжемия 6z , txz, tvz. пренебрежимо малы по сравнению с основными напряжениями бх , бу , тху , поэтому полагаем, что

йг - тхг - т.уг - О

'г. Перемещения в направлении оси '/ постоянны по толщине

пластины н равны прогибам срединной поверхности, которзя не испытывает деформации в своей плоскости. Это допущение справедливо, если внешняя нагрузка ортогональна к плоскости пластины, а перемещения малы.

Функция полной потенциональнои энергии изгибаемой пластины , при таких допущениях прининает вид:

\

П----£ ( МхХх + МуХу + гМхуХху ) с1Я- (К,у> ыа й

У. V

где:

П/2

Мк= У в X таг п/2

П/2 Иу= £ А У П/2

п/2

М::у— £ Г ХУ2с|2 п/2

б 2ы

XX-----

Л хг

6

б 2Ш

Ху-

Хху-

б у2

й ху

. Одно из главных достоинств МКЗ - это возможность соадания на его основе универсальных программных комплексов. Наиболее

- t -

широко известны Ш?к, ASKA. SAP-Su, SIFTS, СПШТ и др.

Программный комплекс "SIFTS", разработанный в США, имеет наиболее•полную возможность, ~ свободен от перечисленных выше других комплексных недостатков. Приводится алгоритм и описание основной программы, область их применения и порядок работы с никк.

В четвертой главе

Теоретические и численные исследования пространотьенной работы железобетонных пролетных строений с учетом реальных условий опирания и влияние РОЧ на напряженно-деформированное состояние железобетонных пролетные строений . Статический расчет всегда должен давать надежные результаты , дополнительные усилия от деформаций ,. например : противодействующие силы и моменты в резиновых опорных частях , в нормативных документах задают наибольшими. Эти усилия не учитывают , когда они действуют- благоприятно , например ,при расчете опоры на устойчивость. Деформирующие опорные части допускают вращение и перемещение благодаря деформациям их материала.

Направляющие (подвижные)опорные части предназначены исключительно для восприятия горизонтальных усилий.

. Деформации сдвига резины определяют напряженные состояния, резиновой опорной части. Наибольшие касательные напряжения появляются на границе мёжду резиной и арматурой -у краев мостов. Касательные напряжения возникают от деформаций сжатия , углов поворота на опоре и деформаций сдвига .

Методика расчета по программе " GIFTS " открывает следующие возможности для исследования работы пространственных расчетов мостов:

1. Учитывается пространственное взаимодействие всех конструктивных элементов пролетного строения под нагрузкой.

2.Sarруление пролетного строения кагес&ми автомобильной нагрузка колет быть принято по любой необходимости для целей исследования схемы .

3. Возможны размерные вариации геоме5ряЧ9С-Кймп Лор5Ис-тр5мИ конструкции '.Ь ОООТБеТБТВИИ С.ЦйЛйМп исследования.

4. Возможно исследование любых по величине фрагментов пролетного строения в целом.

5. Программа"51гТ5"поаволяет получить исчерпывающие данные

о напряженно-деформированном состоянии любого участка пролетного строения при конкретном ее загрузкении автомобильной наг-.ругкой. ....

Чтобы нрменять комплекс "SIFTS" для расчета мостоеых сооружений соискатель разработал четыре текстовых^ файла :

! SEAMS

Г Бг.БЕ 1 1

1_I I

IEDITM

i

| Вт.ЕМ

-1 I I J

ILQAD30 I

| Вг.Ш | i 1---! I

j

| • Вт.ВАТ |

та. 4

Первый файл предназначен для обработки процессором "BEAMS" и должен совершать следующую информацию:

-Физические характеристики исцолъзуемж материалов; -Геометрические характеристики дсшеречных сечений балочных • а стержневых элементов ,у •пластан достаточно ввс-сти их толщину.

• • Второй сЬ5кд"Вг. ЕК-" служит для обработки процессором "EDITM" и должен еолеряагь:

-координаты всех узлов расчетной модели в г-лобальной сис-

теме координат. -

- описание топологии конструкции (сведения о том , как соединены отдельные элементы конструкции , и какими узлами они соединены -шарниры , заделки и т.д.).

Третий файл "Br. L0"предназначен для обработки процессором "L0AD3C" и должен содержать следующую информацию:

-степени свободы закрепленных узлов мостовой конструкции (опор моста для расчета пролетных строении).

-описание шарнирных соединении в пролетаем строении (если рассматриваются, например, консоль ные системы).

-Номера нагружаемых углов и значения параметров нагрузки. Практическое осуществление всех этих трех файлов производится в любом текстовом редакторе операционной системы.

-Четвертый Фаид"Вг.ВАТ"явдяется командным , в котором описана процедура вызова необходимых процессоров программного комплекса "GIFTS".

В качестве первого вопроса было рассмотрено влияние относительной ширины РОЧ, деформированного состояния железобетонных пролетных строений! имеющий жесткие и резиновые _ опорные части .

Анаши деформированного состояния жестких пролетных строении, имехщкх жесткие (металлические) и резиновые опорные части показал, что резиновые опорные части позволяют эффективно реализовывать изгибнув жесткость балок.

Для исследованного диапазона пролетных строений. прогибы наиболее нагруженных балок снижаются на 25 - 30%, что подтверждается графически, на рис.5а.б.в.

Рис.5а Влияние разшзоЕых опорных частей на прогибов ''первая' балки в поперёчнем сечении.

- кесткая опорная часть. '

-----РОЧ.

Рис .56 Влияние РОЧ на прогибы второй балк в поперечнеы сеченяи. '' .

-- жестка озоркал часхь.

-----РОЧ.

. —Х-—*— РОЧ.

Рис. 5в Влияние РОЧ на прогибы третьей балки в долеречнем сечении.

- жесткая опорная часть.

-------. род.- • _

—х—РОЧ. ---РОЧ.

Влкяние толщины РОЧ на напряжения деформации пролетных строении железобетонных мостов, показывает, что с ростом толщины опорной части происходит увеличение прогибов балок. Этот э(|фект объясняется ростом деформативности самой опорной части с одновременным уменьшением горизонтальной реакции в ее расчетной схеме. Для конкретного случая переход ох реекносых опорных частей с толщиной от 10 мм до 100 ми сопровождался увеличением прогиба балок почтя г-8 раз, при практических уменьшениях горизонтальной реакции см.таб.. и рис.б.а.б.

Расчет отдельной балки при разных толщинах РОЧ таб.

Толщи- Рверт • Trop. ¡

на (м) тс тс |

0 5.0 0 |

5.0 0 1

о.oí 5.0 12.91 |

5.0 -12.91 |

0.05 5.0 7.313 i

5.0. -7.313 |

D. ID 5.0 2.826-06 i

5.0 -2.83-061

i —г ! x-L/2 | • t х-Ю |

1 м | i i м |

1 1 (-1.511-031

1 15. i i 320-05 |

i 1 . 1-3.565-031'

1 И- 610-05 |

-1.042-03!

13.745-05

-2.5>0Е

Расчетная - схема

Г =10Т

F-IOt

А ¡2.

■т*

F-10T

4.42-04

F-Ют i

Т^ГТ11

Pec. Sa завжжмости прогибов от • толщены PÖ4

Рис.66 зависимости распора балки.

Таким образом, это свидетельствует о том, что с увеличени-зи пространственной работы пролетных строений железобетонных ¿остов деформация пролетных строений на 20-25% уменьшится.

Увеличение общего числа балок в поперечном сечении приводит к внедрению з работу большого их числа, а прослеживается снижение эффекта регкновых опорных частей при сохраняющейся тенденции уменьшения прогиба всех балок в сравнении со случаем тирания балок на жесткие опорные части, отмеченная тенденция гадтЕерждается на рис.7а.б. в.

9.00

6.00

3:-Ш

0.0

, -3 Штал.Ш) (м)

* 1

* =12м 1

1

____- ^ N. \

1 В 1" ЧА ЧЛ N

» Т •

I1 1 1 1

14.0

10

12.0

8.0

4.0

0.0

гт

<Г=15м

?

8

10

3(м)

В(гд)

Рис.7а,б завесимости прогибов наиболее нагруженных

балок ПС при изменении их ширины. - жесткая опотх:ая часть.

---РОЧ.

8

в

I

9.0

6.0

3.0

0.0

"7' ' 8 Ю' В(м)

~ Рис Зависимости.....прогибов наиоолее нагруженных

балок пролетных строении при изменении их ширины.

- жесткая опорная часть.

----РОЧ.

Замена металлических опорных частей резиновыми ведет к снижению уровня нормальных напряжений в больших пролетных строениях. .'•,.■

Результат исследования диапазона их геометрических параметров показал уменьшение напряжения по нижнему поясу балок на 9.0%.

Проанализировано влияние выхода из строя РОЧ, что представляет практический интерес для эксплуатируемых пролетных строений (рис.8а.б.)

С--:-л

Г =Т8м Т

-j

4- в

i I I I

Г- 7 + П.75 22 0.35

НК-80

I

1

I 2 1 !з 5

прогибов ... Рис.8а зависклостьУбалкк при выключении РОЧводной балке.

¿3

Анализ полученных результатов показывает .что при большем числе балок пролетных строений выход иа строя опорных частей оказывается менее неблагоприятным ,чеи б более узких конструкциях пролетных строении келеаобетонных мостов .

.. вшоди ...

1. Мосты в "Афганистане находятся ■ в неудовлетворительном состоянии, и необходимо восстанавливать и реконструировать более 100 мостов.

2. Железобетонные балочные пролетные строения мостов, при реальных условиях опиранкя (например, да РОЧ), под внешен нагрузкой испытывают сложное напряженно-деформированное состояние. Поэтому для учета условий опиранкя следует применять такие методы расчета (в частности, МКЭ), которые максимально учитывают Еое особенности работы пролетных строений железобетонных ^мостов. - .'

3. Использование для расчетов комплекса , "SIFTS" - (дополненного автором разработанной процедуры) позволило выявить следующие закономерности пространственной работы пролетЕых строений железобетонных мостов:

а) замена металлических опорных частей РОЧ ведет к сниже-щао уровня нормальных напряжений балок пролетных строении по нижнему поясу балок на 9%;-

б) С увеличением параметров толщины РОЧ, увеличивается" прогиб келезобетонных строений в 8 pas, и способствует уменьшению распоров ;

в) при реконструкции сущесгвущвс пролетных строении железобетонных мостов. тальки одна замена шес-тккх опорных частей на РОЧ позволяет увеличить их несущую способность -не менее, чем на 20Z.

г) выход из -строя отдельны?: РОЧ железобетонных прая&гных строений снижает надежность системы в меньаей степени, чем для жестких опорных частей.

4. На основе исследований даны расчетно-конструктивные рекомендации,которые могут быть применены б ■ практике. проектирования и реконструкции железобетонных мостов.