автореферат диссертации по строительству, 05.23.15, диссертация на тему:Научные основы эффективного учета и использования тепловых процессов при строительстве мостов и железных дорог



НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА (ЦНИИС)

На правах рукописи

Пассек Вадим Васильевич

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ЭФФЕКТИВНОГО УЧЕТА И

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ МОСТОВ И ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

Специальности: 05.23.15 "Мосты и транспортные тоннели" 05.23.13 "Строительство железных дорог"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1998

Работа выполнена в ОАО "Научно-исследовательский институт транспортного строительства (ЦНИИС)"

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Гейзен Роман Евсеевич доктор технических наук, профессор Титов Владимир Павлович доктор технических наук, профессор Хлевчук Василий Романович

Ведущее предприятие: ОАО Ленгипротранс

Защита состоится 11 декабря 1998 г. в 10м час на заседании

диссертационного совета Д 133.01.01 в Научно-исследовательском институте транспортного строительства, адрес: 129329, Москва, Кольская ул., 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЦНИИС Автореферат разослан 1^1998 г.

Ученый секретарь диссе

канд. техн. наук

Петрова Ж.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Большинство проблем транспортного строительства в той или иной степени связано с тепловыми процессами. Эти процессы являются определяющими при возведении и эксплуатации сооружений на вечной мерзлоте, при изготовлении сборных и возведении монолитных железобетонных конструкций, при проведении сборочно-сварочных работ во время изготовления и монтажа металлических конструкций и во многих других случаях. Они определяют долговечность и комфортность эксплуатации сооружений, влияют на себестоимость строительства, на эксплуатационные затраты. Поэтому понимание этих процессов и умение управлять ими является важной актуальной задачей как для транспортного строительства, так и для народного хозяйства в целом.

В 70-х - 80-х гг. в транспортном строительстве резко возрос объем задач, связанных с учетом температурного фактора. Осуществлялось интенсивное освоение новых регионов страны в зоне распространения вечномерзлых грунтов: сооружались Байкало-Амурская магистраль, автомобильные и железные дороги на севере Западной Сибири, в Якутии, причалы в устье Оби, Енисея, различные жилые и производственные комплексы и т.п. Уточнялись нормы расчета конструкций. В частности, для пролетных строений мостов потребовалась выработка принципиально новых подходов к учету различных тепловых воздействий при их проектировании и строительстве. Дальнейшее совершенствование многих технологических процессов (термическая правка, сварка стальных конструкций, бетонирование в заводских условиях, зимнее бетонирование и т.п.) оказалось немыслимым без глубокого оперативного и всестороннего анализа тепловых процессов. На момент начала данной работы (в конце 60-х годов) существовал большой комплекс работ, посвященных процессам тепло- и массообмена в строительстве.

Однако уровень имевшихся разработок не всегда мог удовлетворить возросшим запросам. В частности, следует отметить в них два существенных пробела:

- достаточно хорошо развитая теория теплообмена при практической реализации базировалась на технике (аналитические расчеты, аналоговая техника), которая уже не удовлетворяла требованиям скорости и сложности расчетов. Необходимо было широкое использование ЭВМ;

- требовались разработки, проблемно ориентированные на специфические нужды транспортного строительства.

Представленная к защите диссертация в некоторой степени

восполняет указанные пробелы.

Результаты работы в конечном счете направлены на обеспечение долговечности, экономичности и высокого качества сооружений при строительстве мостов и железных дорог. Такие результаты могли быть получены только на основе новых методов учета и использования тепловых процессов.

Специфика работы заключается в том, что она направлена не на детальное изучение отдельного узкого раздела, а посвящена теплофизике инженерных сооружений транспортного строительства в целом. Такой характер работы позволил выявить новые закономерности и получить практические результаты, ценные одновременно для многих областей транспортного строительства: при возведении сооружений на вечной мерзлоте, строительстве в суровых климатических условиях, изготовлении металлических, бетонных и железобетонных конструкций с применением технологий, основанных на тепловых процессах и т.п.

Актуальность работы определяется:

- широтой областей, где требуется решение задач теплообмена как первоочередных;

- важностью рассматриваемых задач, поскольку несовершенные с точки зрения теплофизики технические решения могут значительно усложнить строительство, увеличить его себестоимость и не обеспечить надлежащего качества и надежности сооружений;

- необходимостью обеспечения соответствия скорости развития техники транспортного строительства и возможностей средств решения задач (методов расчета и методов поиска нового решения).

Цель работы - разработка научных основ эффективного учета и использования тепловых процессов в инженерных сооружениях различных областей транспортного строительства, связанных непосредственно со строительством мостов и железных дорог.

Методы исследований - теоретические исследования тепловых процессов с корректировкой известных и разработкой новых методов математического моделирования, экспериментальные исследования на образцах в лабораторных условиях и натурные наблюдения на реальных объектах, апробация разработанных технических и технологических приемов и решений в производственных и натурных условиях.

Предмет защиты - разработанные автором научные основы эффективного учета и использования тепловых процессов, которые определяются шестью основными составляющими (рис. 1):

методы расчета на ЭВМ тепловых и смежных с ними процессов

ПРЕДМЕТ ЗАЩИТЫ

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ЭФФЕКТИВНОГО УЧЕТА И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ' СТРОИТЕЛЬСТВЕ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ И МОСТОВ;

Методы расчета на ЭВМ

I Инженерные ! 1 методы расчета |

: Принципиальные» схемы = конструкций и £ технологий

Общие I теплофизические концепции с основных !; классов задач г

Внедренные объекты

Вопросы методологии

решения отраслевых теплофизческих; задач

Рис. 1

(температурных напряжений, фильтрации, диффузии и др.);

комплекс инженерных методов для расчета различных тепловых параметров, необходимых при проектировании и строительстве сооружений на железных дорогах;

комплекс принципиальных схем конструкций и технологий, основанных на тепловых процессах, которые могут быть эффективно применены при строительстве мостов и других сооружений на железных дорогах;

общие теплофизические концепции основных исследованных в работе классов задач: возведение мостов на вечной мерзлоте, проектирование и сооружение пролетных строений мостов с учетом температурных климатических воздействий, термическая правка сварных металлических конструкций;

внедренные конкретные объекты (конструкции, технологии), разработанные с учетом рекомендаций автора (они могут быть рассмотрены как прецеденты конкретных воплощений при дальнейшем внедрении разработок);

вопросы методологии решения отраслевых теплофизических задач. Научная новизна работы заключается в следующем: выявлены закономерности тепловых процессов, специфических для различных сооружений, конструкций и технологических процессов транспортного строительства;

на основе сопоставительного анализа различных методов расчета обоснована возможность и целесообразность использования метода элементарных балансов (явная схема) и разработаны методики, позволяющие с использованием ЭВМ осуществить применение указанного метода;

разработана методика учета пластических деформаций при расчете высокотемпературных нагревов стальных конструкций, на основании которой создан комплекс программ для расчета на ЭВМ и два новых аналоговых метода: метод гидравлических и метод механических аналогий для расчета деформаций и напряжений;

разработана новая концепция прогнозирования температурного режима вечномерзлых грунтов оснований в зоне мостовых переходов, заключающаяся: а) в учете трехмерности теплового процесса, б) в сочетании расчета на ЭВМ и инженерного метода расчета с единым подходом к формированию граничных условий и принципов описания общей схемы;

разработана новая концепция учета температурно-усадочных воздействий на пролетные строения мостов, заключающаяся в замену ранее

гс

существующего интегрального учета выделением характерных расчетных сочетаний воздействий;

разработаны методы управления формированием температурных деформаций при термической правке грибовидности и выгиба стальных конструкций, в результате чего, впервые в мировой практике разработаны технология и оборудование для автоматизации указанных процессов;

сформулирован ряд принципов методологии решения отраслевых теплофизических задач, заключающейся в определении основных положений подхода: а) к созданию технического решения (алгоритма, принципиальных схем конструкций и технологий и т.п.) и б) к творческому процессу при решении задач рассматриваемого класса.

Практическая значимость. На основании выполненных автором исследований разработаны теоретические положения, позволяющие повысить надежность, экономичность и обеспечить высокое качество строительства транспортных сооружений на вечной мерзлоте и в суровых климатических условиях, изготовления металлических, бетонных и железобетонных конструкций с применением технологий, основанных на тепловых процессах и т.п.

Разработки внедрены более, чем в 7 областях транспортного строительства (мосты, тоннели, земполотно, гидротехнические сооружения, здания и др.) при возведении сооружений на мерзлоте,при разработке технологии изготовления стальных и бетонных конструкций, при проектировании теплозащит в различных конструкциях и т.д. Результаты исследований широко использованы: на крупнейших стройках страны (БАМ, железные и автомобильные дороги севера Западной Сибири - Обская-Бованенково, Ягельная-Надым, Ягельная-Уренгой, Ягельная-Ямбург, Медвежье-Ямбург, промысловые дороги для обустройства месторождений ЗСНГК; железные и автомобильные дороги в Якутии и др.);

на заводах металлоконструкций (Воронежский, Чеховский, Улан-Удэнский, Белгородский, Курганский, Ярославский и др.);

на внеклассных мостах через реки Шексна в Череповце, Днепр в Днепропетровске, Волга в Ульяновске, Обь у с. Мельниково, на комплексе мостов через реку Москва и др.

Результаты исследований тепловых процессов использованы также на самых различных объектах транспортного строительства: при проектировании трансформаторных подстанций, зданий, причалов в Заполярье, при проведении бетонных работ в суровых климатических условиях и т.п.

По результатам выполненных научных исследований с участием автора разработано 15 нормативно-рекомендательных документов, которые широко используются в различных областях транспортного строительства.

Апробация работы. Достоверность и эффективность основных положений диссертации подтверждены их многолетней практикой использования не только в транспортном строительстве, но и в других областях.

Использовались методы расчета, нормативно-рекомендательные документы. Разработанные технологии и конструкции внедрены в производство.

Основные положения диссертации доложены, обсуждены и получили признание на XXVI научно-технической конференции кафедр ХабИИЖТа с участием представителей железных дорог, промышленных и строительных предприятий Дальнего Востока (Хабаровск, 1969), на секции машинных методов и средств решения краевых задач научно-технического общества радиотехники, электроники и связи им. А.С.Попова на Всесоюзных конференциях в Москве (1976,1980,1981,1983), Харькове (1978), Таганроге (1979), Ростове-на-Дону (1980), на Всесоюзной научно-технической конференции "Повышение эффективности и качества транспортного строительства на БАМе, а также в других районах Сибири и Дальнего Востока" (Москва, 1979), на Всесоюзной научно-технической конференции "Совершенствование методов проектирования и строительства железных дорог в суровых климатических условиях Сибири" (Новосибирск, 1979), на Всесоюзной научно-технической конференции "Композитные строительные материалы" (Саранск, 1987), на сессии Совета по криологии Земли АН СССР (Москва, 1990) и Российской АН (Москва, 1992, 1993), на Международном симпозиуме "Исследования и строительство в экстремальных условиях" (МИИТ, Москва, 1996), на 1-й конференции геокриологов России (МГУ, Москва, 1996), на П-й Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта (МИИТ, Москва, 1996), на П-й Международной научно-технической конференции "Автомобильные дороги Сибири" (Омск, 1998).

Работы выставлялись на ВДНХ в 1980,1982,1985,1988 гг. (автор награжден золотой, двумя серебряными и бронзовой медалями), на Международной выставке изобретений и технических новинок ИНВЕКС-82, Брно, ЧССР, 1982 (работа удостоена золотой медали), на научно-технической выставке "Советские изобретения" (София, НРБ, 1983) и Международной выставке Стройиндустрия-87 (Москва, 1987). За

выполненные работы автору присвоено почетное звание "Заслуженный изобретатель Российской Федерации".

Личный вклад автора в решение проблемы. Диссертационная работа является результатом обобщения исследований, которые автор проводил в течение более 30 лет в Центральной лаборатории инженерной теплофизики (бывш. лаборатории гидравлических и электрических аналогий) ЦНИИСа. Исследования выполнялись в соответствии с отраслевыми государственными программами. Автор руководил темами или был ответственным исполнителем. Все научные положения диссертации сформулированы и разработаны автором лично. Опытно-экспериментальные, проектно-конструкторские, программные и внедренческие разработки выполнены под научным руководством автора и в соавторстве с сотрудниками ЦНИИСа, а также со специалистами многих проектных и строительных организаций и заводов, с которыми велась совместная работа и которым автор выражает свою искреннюю признательность и благодарность.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 155 печатных работ, в том числе: научных статей, докладов, монографий, брошюр - 62, нормативно-рекомендательных документов - 15, алгоритмов, сданных в Госфонд - 28, авторских свидетельств и патентов на изобретения, свидетельств на полезные модели - 50. Кроме того, результаты работы автора отражены в более чем 200 научно-технических отчетах НИИ транспортного строительства (ЦНИИСа), где диссертант являлся либо руководителем, либо ответственным исполнителем отдельных разделов.

Структура и о&ьем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Она содержит: общее количество страниц -414» таблиц и рисунков -139. Ссылки даны на 330 источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрено состояние проблемы, сформулирована цель и намечены основные этапы работы.

С тепловыми процессами связаны многие области транспортного строительства. Наиболее значительным классом проблем, где тепловые •процессы являются определяющими, являются проблемы, возникающие в связи с протаиванием - промерзанием и изменением температуры грунтов оснований и тела транспортных сооружений. Опыт строительства

сооружений в области вечной мерзлоты показал, что степень эффективности учета и использования мерзлотных процессов, определяет не только стоимость, но иногда и саму возможность их возведения. Другой очень большой класс проблем формируется в связи с влиянием тепловых климатических воздействий на надземные части конструкций. Третий класс проблем связан с проведением местных высокотемпературных нагревов стальных конструкций в процессе их изготовления. Местные высокотемпературные нагревы производятся в процессе сварочных работ, газовой резки металлов, термической и термомеханической правки, предварительного подогрева при сварке и др. Четвертый класс проблем связан с технологией бетонирования конструкций. Для достижения проектной прочности и обеспечения трещиносгойкости необходимо соблюдать соответствующий температурный режим: при изготовлении в пропарочных камерах - режим нагревания, выдерживания и остывания, при бетонировании на открытом воздухе - режим защиты от внешних изменений температуры воздуха, при бетонировании монолитных фундаментов в вечномерзльгх грунтах - режим, обеспечивающий набор прочности бетона, с одной стороны, и недопущение протаивания грунта, с другой. Пятый класс проблем связан с учетом воздействий внутренних источников тепла в помещениях и сооружениях: тепловыделение трансформаторов в трансформаторных подстанциях, теплотрасс внутри коробчатых пролетных строений мостов, отопительных систем и т.п. Можно выделить и еще целый ряд классов и групп задач, связанных с теплообменом.

В процессе исследований автор учитывал работы, выполненные по данной тематике в различных организациях: Институте Мерзлотоведения АН СССР, Институте сварки им. Е.О.Патона, МВТУ, МИИТе, МАДИ, ЦНИИ МПС, МИСИ, ЛИСИ, МГУ и др. Большой вклад в решение рассматриваемой проблемы внесли следующие ученые и конструкторы:

в области разработки теории методов расчета тепловых процессов -Ароманович И.Г., Беляев Н.М., Богословский В.Н., Бучко H.A., Ваничев

A.П., Величко В.П., Иванов М.И., Коздоба JI.A., Лукьянов B.C., Лыков A.B., . Марчук Г.И., Михеев М.А., Палькин Ю.С., Рядно A.A., Самарский A.A.,

Тихонов А.Н., Фокин К.Ф., Цернант A.A. и др.;

в области учета и использования мерзлотных процессов - Ашпиз Е.С., Балобаев В.Т., Баулин В.В., Велли Ю.Я., Вялов С.С., Гапеев С.И., Головко М.Д., Гулецкий В.В., Докучаев В.В., Дыдышко П.И., Ершов Э.Д., Иванов

B.Н., Кондратьев В.Г., Кудрявцев В.А., Левкович А.И., Лукьянов. B.C., Макаров В.И., Меламед В.Г., Мельников П.И., Минайлов Г.П., Орлов В.О., Палькин Ю.С., Перетрухин H.A., Роман Л.Т., Рувинский В.И., Садовский

A.B., Титов В.П., Фельдман Т.М., Хрусталев JI.H., Цернант A.A., Цуканов H.A., Цытович H.A., Чернядьев В.М., Brown W.G., Gold Z.M., De Vries D.A., Goodrich Z.E., Williams P.J. и др.;

в области учета и использования температурно-влажностных факторов на надземные части конструкций в процессе их сооружения и эксплуатации - Ангипов A.C., Антропова Е.А., Богословский В.Н., Величко

B.П., Горбовский Б.Е., Долгов В.А., Дробышевский Б.А., Заковенко В.В., Иосилевский JI.И., Карапетов Э.С., Лосев Л.Н., Лукьянов B.C., Носарев A.B., Соловьянчик А.Р., Стрелецкий H.H., Ступин С.Н., Субботин С.Л., Харичев Е.В., Хлевчук В.Р., Цейтлин А.Л., Честной В.М., Emerson M., Blythe D.W., Jones M.R. Mäher D.R. и др.;

в области термической правки сварных конструкций - Большаков К.П., Глизманенко Д.П., Душницкий В.М., Михайлов B.C., Некрасов Ю.И., Окерблом Н.О., Орлов В.Г., Рыкалин H.H., Трочун И.П., Pfeiffer R., Weirich G., Rosochowicz К., Jansen H., Brockenbrought R., Heydacher А. и др.;

в области разработки различных конструкций и технологий, связанных с учетом и использованием тепловых процессов в строительстве - Александрович А.П., Антонов Е.А., Бойцов Е.А., Величко В.П., Гапеев

C.И., Герасимова Е.И., Гринблаг И.С., Гулько Г.В., Денисов И.И., Душницкий В.М., Дыдышко П.И., Костяев А.П., Лукьянов B.C., Макаров В.И., Мамчур И.Г., Меренков Н.Д., Минайлов Г.П., Опарин A.A., Палькин Ю.С., Петров Б.Г., Петров В.И., Потапов A.C., Руденко В.Е., Соловьянчик А.Р., Тюленев Е.А., Цернант A.A., Цимеринов А.И., Цуканов H.A., Шаферман И.М. и др.

Как уже было сказано выше, данная работа посвящена исследованиям общепроблемного плана, однако несмотря на все многообразие тепловых процессов, общность их определяется тем, что все они относятся, с точки зрения физики, к классу краевыхтеплофизических задач, сущность которых в инженерном плане может быть сформулирована следующим образом.

Твердое тело произвольной формы и размеров омывается газообразной или жидкой средой. Задача определяется шестью группами параметров:

геометрической формой и размерами исследуемой области (насыпи, опоры моста, балки и т.п.);

теплофизическими характеристиками материала; начальным распределением температуры во всех его точках; граничными условиями (температурой воздуха, воды в водотоке и условиями теплообмена исследуемой области с воздухом или водой);

изменением температурного поля во времени (температурным режимом);

законом распространения тепла внутри тела. Закон распространения тепла в общем случае описывается дифференциальным уравнением Фурье. В зависимости от характера теплового процесса уравнение может приобретать различные модификации.

Например, тепловой процесс при термической правке (в данном случае, трехмерный) описывается нелинейным уравнением:

ot ох ах

с)}> йу иг ог

(1)

Тепловой двумерный процесс в поперечном сечении пролетного строения моста от воздействия температурных климатических воздействий описывается линейным уравнением с кусочно-постоянными коэффициентами

о* ах йх ф> ду

(2)

При промерзании-протаивании грунтов происходит перемещение во времени и в пространстве границы раздела фазовых состояний грунта -мерзлого и талого, при этом для описания одномерного процесса требуется три условия:

дТт

Ст(х)-!- = —(Хт(х)—?-),

дг дх

дх

х>х30),

(3)

Тм -Тт — Т3 дТм я Э7> =осЬсз

дх

дх

Л

х = х3((),

где

с- объемная теплоемкость;

X- коэффициент теплопроводности;

т- температура;

6- скрытая теплота;

х - линейная координата;

* - время;

м, г - индексы для обозначения параметров мерзлой и

талой зон;

*з(0- координата фронта промерзания.

Кроме указанных может быть и еще много различных модификаций уравнения теплопроводности.

Обычно решение краевой задачи сводится к нахождению одного из шести параметров на основе знания остальных пяти.

Однако для нужд строительства, как правило, просто решение абстрактной краевой задачи недостаточно: необходимы еще практические результаты в виде конструкции, технологии и т.п. Исследование конкретного явления и получение практических результатов назовем инженерной частью. Суммируя неким образом краевую задачу и инженерную часть, мы приходим к новому обобщенному понятию "отраслевая теплофизическая задача", принципиальная схема которой приведена на рис. 2. Она может быть сформулирована следующим образом. Отраслевая теплофизическая задача - инженерная задача, связанная с учетом и использованием тепловых процессов, сформировавшаяся из потребностей конкретной отрасли и требующая замкнутый цикл работ по ее решению: от исследования физических процессов до внедрения полученных разработок в практику. Отраслевая теплофизическая задача в данной работе необходима как некоторое обобщенное абстрактное понятие, характеризующее поле, область данной научной работы. Задачей может быть разработка конструкции, технологии, метода расчета, нормативного документа и т.п. При этом для нее характерны, как уже отмечено в формулировке, три условия: учет или использование тепловых процессов; она должна быть ориентирована не на некое обобщенное решение, а на нужды конкретной отрасли; должна быть ориентирована не только на разработку, но и на внедрение. Основной результат диссертации - научные основы для решения отраслевых теплофизических задач.

Отраслевые теплофизические задачи рассматривались в трех

СУЩНОСТЬ ОТРАСЛЕВОЙ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКОЙ

ЗАДАЧИ

Исследование процессов

I

1 (выявление закономерностей, | поиски принципиальных технических ! решений)

I 1ТЕПЛОФИЗИЧЕСКАЯ| | ' ЗАДАЧА !

Конструктивно - технологические проработки

(поиски жизнеспособных форм)

Организация внедрения

(учет взаимосвязи с общей системой)

Рис. 2

направлениях (рис. 3). Прежде всего, производилось изучение задач в рамках той области, где они имеют место: в области воздействий на фундаменты мерзлотных процессов в грунтах, воздействий климатических факторов на надземные конструкции и т.д. В процессе рассмотрения этих задач постепенно выявились вопросы, общие для ряда областей. Поэтому второе направление рассмотрения - межузловые разделы: методы расчета тепловых процессов на ЭВМ, принципиальные схемы конструкций и технологий и др. Третье направление - методология решения отраслевой теплофизической задачи.

Вторая глава посвящена разработке методов расчета на ЭВМ тепловых процессов.

Решены три главных задачи:

- проанализирована специфика тепловых процессов применительно к решаемому классу задач, выявлены главные параметры этих процессов, разработаны требования к выбору основного метода расчета и принципиальные схемы, описывающие тепловые процессы в конкретных группах задач;

- с учетом разработанных требований, выявленных в процессе анализа специфики тепловых процессов, изучены различные существующие методы расчета (разностные методы, метод конечных элементов и др.) и выбран наилучший для рассматриваемых условий - метод элементарных балансов, явная схема;

- разработаны новые теоретические положения и узлы алгоритмов, позволяющие успешно применить выбранный метод к решаемому классу задач.

Кроме того, решены еще две важные задачи: проведены исследования и разработаны узлы алгоритмов

- позволяющие учитывать смежные с тепловыми физические процессы (фильтрация, диффузия, эндо- и экзотермия, температурные напряжения и т.п.);

- решающие вспомогательные вопросы (рационализация процессов представления информации, анализа промежуточных результатов, обеспечение переменности расчетной области в процессе счета и др.).

От успешного решения двух последних задач зачастую зависит не только удобство пользования, но и сама целесообразность применения алгоритма (указанные узлы составляют от 5 до 95% общего объема алгоритма).

В процессе предварительного анализа существующих методов расчета некоторые были отброшены сразу, как неэффективные для данного

ОБЩАЯ СХЕМА ПОДХОДА К ИЗУЧЕНИЮ ОТРАСЛЕВЫХ ЗАДАЧ

класса задач. Например, метод конформных отображений имеет целый ряд преимуществ, однако для сложных границ расчетной области (что характерно для рассматриваемого класса задач) он неудобен. Метод источников может быть удачно применен для стационарного состояния (решение уравнения Лапласа). Но его применение усложняется по мере увеличения неоднородностей в пределах расчетной области. Для более детального рассмотрения были взяты три метода: метод конечных разностей по явной и неявной схемам и метод конечных элементов. Их сопоставление показало, что объем алгоритма, выполняемый каждый временной шаг в явной схеме, в 5 раз меньше, чем в неявной, и в 17 раз меньше, чем в методе конечных элементов. Таким образом, по простоте и быстродействию явная конечноразностная схема имеет бесспорное преимущество. Поэтому для разработки алгоритмов как основной был принят метод элементарных балансов, являющийся разновидностью явной конечноразностной схемы. В качестве базовых разработок был принят метод гидравлических аналогий проф. B.C. Лукьянова, нашедший широкое применение в стране и в котором различные аспекты метода элементарных балансов были глубоко проработаны.

Уравнение (2) в этом случае принимает вид:

Си

rpt rri fjn

1i,j 1i,j _li,j-l 1 ij

* ~ Rj-l,J

, Tjj+j Tjj ^ Tjj Ti+1j T;j

T-T-T~

(4)

Ri-l,i

Ri+l,i

где

Л1 - длительность временного шага;

Т,+&1 и Т* - температура блока соответственно на моменты начала

и конца временного шага;

Л - термическое сопротивление между смежными блоками;

1,1 - индексы блоков во взаимно перпендикулярных направлениях.

После элементарных преобразований уравнение (4) принимает вид:

(5)

Таким образом, температура каждого блока на конец временного шага определяется как сумма температуры этого блока на момент начала временного шага и некоего слагаемого, которое зависит от температуры соседних блоков, сосредоточенной теплоемкости блока и термических сопротивлений между блоками. Все эти параметры на протяжении всего временного шага постоянны.

В других методах мы имеем дело с системой уравнений, которую надо решать совместно. Одной из самых серьезных неприятностей, которая может встретиться при решении систем алгебраических уравнений, является неустойчивость решения, состоящая в том, что малые изменения элементов матриц вызывают значительные изменения в величинах неизвестных. Погрешность результатов расчета связана, прежде всего, с погрешностью Округления чисел при выполнении вычислительных операций на ЭВМ. Очень важно уметь оценить обусловленность матрицы. В процессе частых перестроек алгоритмов для решения конкретных задач (что при решении отраслевых задач характерно) вопросы, связанные с обусловленностью матриц, могут существенно усложнить процесс расчетов. В связи со сказанным выбранный метод элементарных балансов является надежным методом для принятых в работе условий.

Трудности применения метода элементарных балансов определяются тем, что длительность счета по явной схеме существенно зависит от размеров блоков, поскольку допустимая длительность временного шага определяется по формуле (для одномерной схемы)

2к

(6)

где

¡1 - высота блока (для двух- и трехмерной схем формулы аналогичны).

Если блоки малые, то по условиям устойчивости решения в явной схеме необходимо назначать малый временной шаг и тем самым увеличивать общее время счета.

Неявная схема шагом не ограничена. Однако вступает в рассмотрение второй фактор: временной шаг не может быть допущен больше, чем это позволяют условия самой задачи (точности следования за изменением граничных условий, за изменением свойств материала от температуры и т.п.).

Многолетние исследования специфики тепловых процессов, имеющих место в основном классе решаемых в настоящее время теплофизических задач транспортного строительства, показали, что быстродействие при применении неявной схемы не увеличится, а уменьшится по сравнению с применением явной схемы. Значение Л13 для различных задач отличается иногда на несколько порядков: например, для мерзлотных задач оно может быть равно 24 часам, для анализа режимов термической правки стальных элементов -1 сек. Однако при этом значение временного шага по условиям устойчивости для явной схемы отличается практически в таких же соотношениях (соответственно 24 часа и 0.2 сек). Поэтому, если ввести относительные величины ля = /¿н и к - / А1н

временной шаг для явной схемы, принимаемый по условиям устойчивости; Мн - временной шаг для неявной схемы, принимаемый как максимально допустимый по условиям задачи, т.е. А(н =А13 ; , t„ -длительность счета соответственно по явной и неявной схемам), то можно получить обобщенную зависимость т=/(к), представленную на рис. 4. Как уже было сказано выше, при одном и том же временном шаге длительность счета по явной схеме в 5 раз меньше, чем по неявной, т.е. при к = 1,т=0.2 (т. А на рис. 4). И, наоборот, при т =1,к = 0.2 (т.В на рис. 4). Таким образом, длительность счета по явной схеме всегда меньше. При к >1 зависимость т = /(к) не имеет смысла, а при к <0.2 до какого-то предела (т. С на рис. 4) оказывается целесообразным использовать явную схему из условий общей организации расчетов (для небольшого числа задач невыгодно разрабатывать и осваивать расчетчиком отдельную программу).

В связи с изложенным для разработки комплекса алгоритмов была выбрана, как основная, явная схема, оказавшаяся наиболее выгодной для рассматриваемого класса задач. Однако в ряде алгоритмов использованы и другие методы.

Выполненные автором разработки позволили существенно усовершенствовать для данного класса задач метод элементарных балансов и создать мощный комплекс алгоритмов, с помощью которого возможно

о

т =

СОПОСТАВЛЕНИЕ ДЛИТЕЛЬНОСТИ СЧЕТА ПО ЯВНОЙ ря) И НЕЯВНОЙ ^н) РАЗНОСТНЫМ СХЕМАМ ДЛЯ ИЗУЧАЕМОГО КЛАССА ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

д^- временной шаг для явной схемы, принимаемый из условий устойчивости; д - временной шаг для неявной схемы, принимаемый как максимально допустимый по условиям задачи; 1,2 -зависимости соответственно без использования и с использованием выполненных в данной работе разработок

осуществлять решение широкого спектра теплофизических задач транспортного строительства.

При этом кривую 1 (см. рис. 4) удалось понизить в положение 2, что увеличило быстродействие и расширило область рационального использования явной схемы.

Большое внимание было уделено совершенствованию методологии разбивки расчетной области на блоки.

Дифференциальные уравнения типа (1,2) описывают закон изменения температуры в точке. Для того, чтобы описать температурный режим в теле конечной формы, необходимо бесконечное число таких уравнений. Метод элементарных балансов предполагает замену непрерывного пространства на комплекс блоков конечных размеров. Количество уравнений соответствует количеству блоков, а от количества блоков зависит длительность и точность расчета. Поэтому одной из главных задач была разработка методики рациональной разбивки расчетной области на блоки.

В расчетах широко используется матричный метод разбивки, сущность которого заключается в том, что расчетная область сложной конфигурации вписывается в прямоугольник или параллелепипед (соответственно при двумерной или трехмерной задаче), которые разбиваются серией взаимопересекающихся плоскостей на прямоугольные блоки (рис. 5,а). В результате положение любого блока относительно соседних характеризуется самой матрицей: п,/;п—1,/;п+1,/ и т.д. В данном случае неизбежно появление "пустых" блоков, т.е. находящихся за пределами непосредственно расчетной области, что загружает объем памяти, увеличивает длительность счета и требует дополнительных процедур для описания границ. Был предложен другой способ, когда все блоки имеют порядковую (линейную) нумерацию, причем номер блока не зависит от его положения относительно других. Взаимное расположение описывается в исходных данных. В этом случае ликвидируются и "пустые" блоки, но резко увеличивается объем исходных данных. В связи с этим был разработан смешанный "матрично-линейный" метод, когда линейная нумерация блоков формируется в пределах матрицы, а расшифровка взаимосвязи блоков осуществляется внутри программы.

Широко использовался метод "неправильной" разбивки на блоки, когда один большой блок контактировал в одном направлении с двумя-тремя малыми. В развитие этого метода был разработан метод "сетчатой" разбивки, когда расчетная область аппроксимировалась сеткой из одномерных колонок.

Часто при решении инженерных задач мы имеем дело со сложными ломаными поверхностями, граничащими с внешней средой. Примером

СХЕМЫ РАЗБИВКИ РАСЧЕТНОЙ ОБЛАСТИ НА БЛОКИ

а)

б)

в)

а,б - соответственно матричная и лараллелограмная разбивка; в - схемы профилей, легко решаемые параллелограмной разбивкой

Рис. 5

может являться определение промерзания или протаивания грунтов в железнодорожных насыпях и выемках, особенно когда последние сами находятся на косогорах. Был предложен метод параллелограммной разбивки (рис. 5,б,в), при которой использовалась матричная схема разбивки, но в одном направлении разбивка на блоки осуществлялась не прямыми, а ломаными, в точности повторяющими очертание дневной поверхности. Формулы (5) для расчета изменения температуры в блоках при этом были откорректированы.

Один из главных узлов алгоритмов при решении мерзлотных задач (ф.З) содержал методику учета перемещения границы замерзания-оттаивания. Было введено понятие "условное текущее теплосодержание" блоков и разработана простая схема определения степени их промерзания-протаивания.

Эта схема позволила на порядок упростить существующие до этого алгоритмы и легко перейти к решению сложных трехмерных задач.

В ряде случаев по явной схеме, принятой в данной работе за основную, длительность счета оказывалась достаточно большой. Вследствие того, что в расчетной схеме иногда всего один-два блока были очень малыми, приходилось всю область рассчитывать с малым временным шагом. Разработан ряд методик, которые зависимость длительности счета от размера блока позволили свести с кривой 1 к более благоприятной кривой 2 (см. рис. 4).

Для расчета теплообмена между двумя блоками с учетом переменности их температуры в течение временного шага длительностью М была предложена формула (имеется ввиду схема, когда всего несколько блоков являются очень малыми):

■м

(9)

22 1С/ С 2

/

где

Лц - приток тепла за один временной шаг из блока 1 в блок 2;

- термическое сопротивление между двумя блоками;

Т],Т2 - температуры блоков на начало временного шага;

С„С2- сосредоточенные теплоемкости блоков (произведение объемной теплоемкости на объем блока).

Для сокращения длительности счета был предложен также ряд других приемов, в том числе:

расчет разных частей исследуемой области с разным временным шагом;

"пороговый счет", предполагающий, что при малом градиенте температур в отдельных зонах расчет теплообмена между блоками производится не каждый временной шаг;

косвенная схема задания граничных условий, когда в качестве граничного условия используется температура одного из блоков расчетной области, что позволило в ряде случаев существенно сократить число блоков расчетной области.

Для обеспечения замкнутости решения отраслевой теплофизической задачи были разработаны методики учета следующих физических смежных процессов.

Фильтрация. Уравнениями (1,2,3) описывается кондуктивная теплопередача. В практике иногда наряду с кондуктивной теплопередачей имеет место конвективная теплопередача, например, за счет переноса тепла фильтрующей водой. В мерзлотных задачах фильтрация происходит в талой зоне. Поэтому для талой зоны в уравнение (3) добавляется слагаемое в правую часть:

37*

-СЛ- (Ю)

где

СБ - объемная теплоемкость воды;

Ух - составляющая скорости фильтрации.

В случае напорной фильтрации распределение напоров описывается уравнением Лапласа.

Диффузия. Значительная часть усадки бетона происходит за счет влагообмена бетона с окружающей средой. Для расчета диффузии были использованы алгоритмы, разработанные для расчета тепловых процессов, поскольку диффузионные процессы описываются теми же уравнениями параболического типа.

Процессы экзо- и эндотермии. Широкий класс теплофизических задач связан с процессами тепловыделения или теплопоглощения: при бетонировании имеет место экзотермия цемента, в мерзлотных задачах автоматические охлаждающие установки приводят к поглощению тепла и т.д.

Математически экзо- и эндотермия учитывается в уравнениях (1,2,3) введением в правую часть дополнительного слагаемого

Э = /(х,у,г,Т). (11)

В алгоритмах слагаемое Э на каждом временном шаге рассчитывается и вводится дополнительным слагаемым в общее приращение теплосодержания блока.

Учет охлаждающих установок, как правило, осуществлялся другим способом. В полости охлаждающей системы Гапеева С.И., Макарова В.И., воздушных термоопор и др. задавались (или рассчитывались на каждом временном шаге) температура хладагента и условия теплообмена, т.е. все сводилось к граничному условию третьего рода.

Температурные деформации и напряжения. Для расчета температурных деформаций и напряжений при термической правке были использованы положения, разработанные проф. Окербломом Н.О. Автором был предложен ряд новых разработок, позволивших учесть пластические деформации с учетом "вдавливания" соседних зон в зону, нагретую до температуры 700°С и выше. При расчетах были учтены нелинейность модуля упругости, коэффициента линейного расширения, предела текучести стали. Для моделирования процессов температурных деформаций автором впервые были разработаны два аналоговых метода - метод механических аналогий и метод гидравлических аналогий. Эти методы были осуществлены на практике с помощью сконструированных и изготовленных интеграторов.

Для расчета температурных деформаций и напряжений в пролетных строениях был создан комплекс программ, в том числе с использованием метода конечных элементов.

Успешное решение комплекса охарактеризованных выше вопросов позволило разработать более 100 алгоритмов для расчетов различных тепловых процессов в различных отраслевых задачах.

Третья глава посвящена разработке принципиальных схем конструкций и технологий. Эта разработка является итогом первого этапа решения отраслевой теплофизической задачи (см. рис. 1).

Всего разработано более 50 различных принципиальных схем конструкций и технологий. Ниже дается характеристика основных из них.

Охлаждающие уширенные площадки в условиях Заполярной тундры. Одним из основных параметров, определяющих тепловой баланс в толще вечномерзлых грунтов, а, следовательно, и их температуру, является

снежный покров. При прочих равных условиях в зависимости от толщины снежного покрова температура может меняться в несколько раз.

Многолетние наблюдения за снегозаносимостью на различных объектах севера Западной Сибири, проведенные с участием автора, показали крайнюю неравномерность снежных отложений. Эта неравномерность объясняется сильными ветрами, способствующими снегопереносу, который достигает 400 м3/м и более, в результате чего в низинных местах снег скапливается, а с повышенных - сдувается. Это позволяет сделать практически важный вывод: необходимо таким образом проектировать конфигурацию земляных сооружений, чтобы возвышенные над землей поверхности имели развитые в плане размеры. Было исследовано влияние различных параметров площадки (ширины, высоты, конфигурации) на температурный режим.

Охлаждающие уширенные площадки нашли широкое внедрение на ж.д. линии Обская-Бованенково. На рис. 6 приведен общий вид площадки в летний и зимний периоды.

Комплекс систем и методов для понижения температуры вечномерзлых грунтов. В течение многолетних исследований производился анализ работы различных охлаждающих систем в различных условиях транспортного строительства. Производились сопоставления этих систем, выявлялись недостатки, достоинства и области их эффективного 'использования, разрабатывались новые системы.

В практике широко известны различного вида термосифоны: жидкостные системы Гапеева С.И. или Макарова В.И., воздушные термоопоры системы ЦНИИС, парожидкостные и др. Общее для всех этих типов состоит в том, что они представляют из себя замкнутую с торцов трубу, заполненную хладагентом и заглубленную частично в грунт (вертикально или наклонно).Охлаждение грунта осуществляется за счет конвективного переноса тепла хладагентом. При этом цепь передачи холода в грунт содержит три основных звена: передача холода в зимнее время от воздуха в хладагент в зоне возвышающейся над естественной поверхностью трубы, передача этого холода конвективным путем в нижнюю часть термосифона и далее непосредственно в грунт (здесь и далее при описании охлаждающих систем применяется установившийся в практике термин "передача холода" вместо "оттока тепла", который используется при проведении расчетов). Исследователями и разработчиками термосифонов уделялось много внимания первым двум звеньям этой цепи и практически не уделялось внимания третьему звену - передаче холода из нижней части термосифона в грунт. Однако недооценка этого звена приводит к

Охлаждающие уширенные площадки в подходной части насыпи в зоне устоя моста

а, б - вид охлаждающей уширенной площадки в летний период и в зимний (верхняя часть оголена от снега)

ю -о

существенному снижению эффективности. Автором был осуществлен ряд разработок, позволяющих существенно увеличить эффективность передачи холода в грунт от нижней части термосифона: предложены схемы с использованием аккумуляционного ядра, холодопроводящих элементов, камер-охладителей.

Впервые разработан комплекс из 5 различных схем, предполагающих охлаждение грунтов за счет сочетания горизонтальных и вертикальных тепловых потоков. Сущность этих устройств заключается в том, что в теплый период года имеют место только горизонтальные конвективные тепловые потоки, в холодный период года формируются дополнительно вертикальные тепловые потоки.

Разработано несколько схем, в которых предусмотрено накопление в аккумулирующих системах в зимний период холода и передача его в 1рунт в летний период.

Характерным является обрывистое положение поверхности мерзлоты в береговой зоне водотоков или водоемов. В этом случае использование мерзлоты (т.е. проектирование фундаментов с учетом сохранения мерзлоты) требует ухода вглубь береговой зоны и увеличение пролета. Использование консоли позволяет расположить несущую часть опоры подальше от обрыва мерзлоты, но при этом сократить пролет и упростить производство работ.

Разработан ряд схем поверхностных покрытий, позволяющих регулировать теплообмен на поверхности и тем самым способствовать аккумуляции холода в грунтах.

Формирование остаточных деформаций при высокотемпературных местных нагревах стальных конструкций. Можно выделить три области технологических процессов, связанных с высокотемпературными нагревами:

предотвращение и исправление сварочных и других технологических деформаций:

создание элементов криволинейной формы;

исправление искажений формы, полученных в процессе эксплуатации.

В стране изготавливается сотни тысяч тонн строительных металлоконструкций. При их изготовлении в процессе резки деталей элементов, сварки и других технологических операций возникают остаточные деформации, которые превышают существующие допуски. Остаточные деформации бывают разных видов: грибовидность, перекос, волнообразность, винтообразность, хлопуны, выгиб, саблевидность и др. Природа происхождения этих деформаций различная: от усадки сварных

швов, от неправильного задания взаимного положения элементов перед сваркой, от появления дополнительной усадки при газовой резке и т.п. Одним из наиболее эффективных методов исправления деформаций является метод термической правки.

Другая область технологических процессов связана с созданием криволинейных конструкций: криволинейные балки пролетных строений эстакад, кружала и т.п. Создание криволинейных конструкций может быть осуществлено методами, разработанными для термической правки.

Третья область технологических процессов связана с правкой поврежденных конструкций. Каждый год повреждается большое количество мостов, автокранов, вагонов, различных перекрытий и т.п. Замена этих конструкций на новые требует больших затрат, которые определяются не только стоимостью конструкций, но и потерями от закрытия движения или прекращения эксплуатации оборудования. Организация служб по ремонту этих конструкций термическим способом может во много раз снизить расходы.

Сущность процессов сводится к местному нагреву стальных элементов до 700°С и выше. При этом нагрев местных участков в окружении холодных зон приводит к температурным пластическим деформациям.

После остывания элементов в результате указанных пластических деформаций возникают требуемые общие остаточные деформации. Процессы отличаются большой сложностью: температурные поля характеризуются высокими градиентами, теплофизические и механические свойства стали резко зависят от температуры (например, предел текучести вообще при высокой температуре приближается к нулю), процессы быстротечны и нелинейны.

На основе длительных исследований были разработаны принципиальные схемы технологических процессов. Они характеризуют: принцип формирования деформаций, качественную и количественную оценки размеров активных и реактивных зон, последовательность и величину нагревов отдельных участков, зависимость эффективности режима от различных параметров, эффективность повторных нагревов, возможные побочные явления (например, потеря формы элемента) и др.

На рис. 7 представлены эффективные способы нагрева "клином" и "гребенкой" при правке одного из видов деформаций - выгиба.

Впервые под руководством и при участии автора были разработаны технология и оборудование для автоматической термической правки грибовидности поясов балок (рис. 8).

со О

ЭФФЕКТИВНЫЕ СПОСОБЫ НАГРЕВА КЛИНОМ И ГРЕБЕНКОЙ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПРАВКЕ ВЫГИБА СТАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА НЕКОТОРЫЕ РЕКОМЕНДУЕМЫЕ

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ НАГРЕВА

за

а)

б)

Автомат для термической правки грибовидиости поясов сварных балок

а А: гМ

И «ЕВД Щ Ш*.

Ч V • *'*

П <•] ' .

——

а - общий вид автомата,

б - правка грибовидиости автоматом в заводских условиях

Рис. 8

Четвертая глава посвящена разработке инженерных методов расчета. Кроме методов численного моделирования процессов часто в практике требуются инженерные методы расчета, позволяющие с меньшей точностью, но оперативно произвести расчеты, продублировать более точные методы приближенной оценкой, дать наглядную зависимость и т. д. Автором разработан целый ряд инженерных методов расчета, основные из которых изложены ниже.

Приближенный метод расчета температурного режима грунтов оснований в трехмерной постановке. В зоне мостового перехода температурный режим носит четко выраженный трехмерный характер, поскольку, во-первых, имеет место пересечение водотока и дороги и, во-вторых, имеют место сложные конфигурации площадок с различными граничными условиями (оголенные места, заросли, водоемы и т.п.). Расчет численным методом становится громоздким в связи с необходимостью разбивки на большое число блоков.

Разработан численно-аналитический метод, сущность которого сводится к следующему:

температура грунта в заданной точке на глубине А определяется температурными вкладами отдельных зон с различными граничными условиями, расположенными в пределах круга в плане радиусом г = п1г. значение температуры грунта может быть определено по формуле:

где

7", - температура грунта на глубине й для ьтой зоны, определяемая одномерными расчетами (эпюры распределения температуры могут быть построены заранее);

Т =

т ( ( ,

у,

% Л

(12)

А1 - площадь ¿-той зоны;

Л, - расстояние от точки, где определяются температуры

грунта, до центра тяжести Аг; т - количество зон.

При п = 2 и к = 2 формула резко упрощается:

т

Т = Ш_• (13)

4пНг

Приближенный метод расчета влияния времени отсыпки подходной части насыпи на начальное температурное состояние грунтов оснований устоев мостов. При расчете вечномерзлых оснований основные параметры, определяющие несущую способность, целесообразно определять при установившемся температурном режиме грунтов. Однако этот установившийся режим может сформироваться далеко не сразу, а через много лет, в течение которых инженерное сооружение не может быть введено в эксплуатацию на полные эксплуатационные нагрузки.

Одним из факторов, влияющих на начальное температурное состояние грунтов, является время сооружения насыпей: при зимней отсыпке они вносят импульс холода в грунты оснований, при летней - наоборот, способствуют образованию многолетних таликов и растеплению мерзлых слоев.

В связи со сказанным были исследованы закономерности влияния зимней и летней отсыпки и предложен приближенный инженерный метод учета этих параметров с помощью простых графиков. На рис. 9 представлены некоторые зависимости.

Расчет температурных напряжений от неравномерного по сечению распределения температуры в сталежелезобетонных и железобетонных пролетных строениях. В результате воздействия различных климатических факторов (резкие изменения температуры воздуха, солнечная радиация и др.) в поперечном сечении пролетного строения формируется неравномерное распределение температуры. Это, в свою очередь, вызывает образование внутреннего самоуравновешенного напряженного состояния в пределах поперечного сечения статически определимой конструкции и образование дополнительных усилий и моментов в статически неопределимых конструкциях.

Были выявлены основные расчетные случаи воздействий климатических факторов и для них определены обобщенные эпюры разности температур (рис. 10). Эти эпюры могут быть использованы для расчета деформаций и напряжений как в статически неопределимых, так и в статически определимых конструкциях, в периоды строительства и

ил -Ц.

ПОВЫШЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ ОСНОВАНИЙ В РЕЗУЛЬТАТЕ ЛЕТНЕЙ ОТСЫПКИ НАСЫПИ

ИЗМЕНЕНИЕД ? СРЕДНЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВЕРХНИХ 10 МЕТРОВ ГРУНТА ВО ВРЕМЕНИ ПРИ ВЫСОТЕ

НАСЫПИ Н (УСЛОВИЯ ХАРАСАВЕЯ, ТЕМПЕРАТУРА НА ГЛУБИНЕ НУЛЕВЫХ АМПЛИТУД -Я С)

х; о

-0.5 -1.0

+0.24.^ \ \ \ "Г- ' ~~ Н=8м

<С^Н=2м\ \ 2 \ Н=3м\ \ \ \з 4

V \ \

т, лет

т 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

СТЕПЕНЬ РАСТЕПЛЕНИЯ ? ср. п

т =

{ ср, нач

____

1

/

/

/ 2ч

Л-

2 3 4

4 П, лет

1,2 - соответственно для верхних и нижних 10 м основного фунта

эксплуатации. Для статически определимых конструкций выявлены обобщенные эпюры напряжений.

Определение средней температуры элементов пролетных строений при воздействии на них различных климатических факторов. В практике строительства и эксплуатации различных инженерных сооружений необходимо знание фактической средней температуры конструкции - при замыкании элементов в статически неопределимую систему, для установки опорных частей, для определения перемещений и т.п. Существующие методы были достаточно громоздки и трудно осуществимы в практике. Выведена простая формула:

где

Тк - средняя температура конструкции в момент замыкания; Т2,Т1- температуры воздуха соответственно за период в и 0.25В (в часах), числено равный приведенной толщине "8" конструкции (в см);

На рис. 11 дано сопоставление результатов расчета численными методами и по предложенной формуле.

Выведенная формула в качестве исходных данных требует только наблюдений за температурой воздуха и знаний массивности конструкции, поэтому очень проста в использовании и может быть применена в широком диапазоне практических случаев для различных конструкций и даже для грунтовых слоев.

Расчет остаточных деформаций при термической правке. Для определения режимов правки разработан целый ряд графиков и номограмм, позволяющих в заводских условиях определить необходимые параметры нагревов для различных видов искажений элементов (саблевидность, выгиб, грибовидность, перекос и т.п.). На рис. 12 приведены два примера графиков для расчета некоторых видов деформаций. Для заводов металлоконструкций с участием автора подготовлено несколько выпусков нормативно-рекомендательных документов.

(14)

(15)

о\

РАСЧЕТНЫЕ ЭПЮРЫ РАЗНОСТИ ТЕМПЕРАТУР

Рис. 10

ИЗМЕНЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ КОНСТРУКЦИИ <5= 20 см В ЗАВИСИМОСТИ ОТ

ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА

1Ч

1 - изменение температуры воздуха; 2 - возможные пределы (заштрихованная область) изменения температуры конструкции при разных теплофизических характеристиках материалов и условиях теплообмена (результаты расчета на ЭВМ); 3 - изменение температуры конструкции, подсчитанное по формуле(14)

Г, сутки

ГРАФИКИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕЖИМОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПРАВКИ

ПОЛОСОЙ И КЛИНОМ

В пятой главе сформулированы и обоснованы три новые концепции учета тепловых процессов в мостостроении:

1) концепция прогнозирования и регулирования температурного режима грунтов оснований мостов, возводимых на вечной мерзлоте, заключающаяся в следующем:

применительно к условиям мостового перехода выявлены характер и направление основных равнодействующих тепловых потоков;

выявлены основные характерные расчетные эпюры распределения температур по глубине (рис. 13);

сформулированы три характерных состояния расчетных температурных полей: предельное, начальное и временное;

впервь1е в транспортном строительстве разработан и широко использован алгоритм расчета на ЭВМ температурного режима грунтов в трехмерной постановке. Разработан также ряд эффективных алгоритмов для расчета температурного режима в одномерной и двумерной постановках;

для оперативной оценки температурного режима грунтов оснований в зоне опор мостов и в целом мостового перехода разработан численно-аналитический метод;

на основании многолетнего систематического обследования построенных мостов и водопропускных труб были разработаны типовые схемы расположения и размеров зон с различными граничными условиями в пределах мостового перехода и в зоне водопропускных труб;

исследован обширный комплекс применяющихся в мостостроении конструктивно-технологических мероприятий, направленных на регулирование температурного режима грунтов оснований, разработаны рекомендации по их применению.

Разработанная концепция отражена в нормативно-рекомендательных документах, широко использована в практической работе;

2) концепция определения и учета температурных климатических воздействий при проектировании и сооружении пролетных строений мостов, заключающаяся в следующем:

разработана классификация температурных климатических воздействий применительно к специфике пролетных строений. Выявлено 9 расчетных случаев;

разработана методика расчета температурного и влажностного режимов пролетных строений: создан комплекс алгоритмов расчета на ЭВМ, позволяющих осуществлять анализ температурного и влажностного режимов для различных конфигураций пролетных строений и различных климатических условий, а для характерных случаев выявлены типовые

ХАРАКТЕРНОЕ ТЕМПЕРАТУРНОЕ ПОЛЕ НА МОМЕНТ ОКОНЧАНИЯ ТЕПЛОГО ПЕРИОДА ГОДА В ГРУНТАХ В ЕСТЕСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ ПО ПРОДОЛЬНОЙ ОСИ МОСТОВОГО ПЕРЕХОДА И ВИДЫ РАСЧЕТНЫХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ТЕМПЕРАТУР ПО ГЛУБИНЕ

эпюры разности температур;

сформирован комплекс методов для расчета температурных и усадочных напряжений;

усовершенствована методология учета температурно-усадочных воздействий. Кроме учета неблагоприятного влияния указанных воздействий большое внимание уделено тепловому конструированию, т.е. снижению неблагоприятного влияния и даже использованию воздействий за счет рационального конструирования и сооружения.

Концепция отражена в нормативно-рекомендательных документах и при проектировании и сооружении конкретных мостов;

3) концепция предотвращения и ликвидации остаточных деформаций грибовидности и перекоса при изготовлении сварных балок и формирования деформаций общего искривления стальных элементов, заключающаяся в следующем:

разработаны принципы расчета и методы численного моделирования температурного режима и деформаций с помощью ЭВМ;

применительно к условиям изготовления мостовых конструкций определены границы эффективного применения предотвращения и правки деформаций грибовидности и перекоса;

разработан комплекс рекомендаций по методике предотвращения перекоса, в том числе предложены новые схемы сборочно-сварочного оборудования, предотвращающего перекос;

разработаны эффективные режимы термической правки грибовидности ручным способом;

впервые разработаны технология и оборудование для автоматической термической правки грибовидности: разработан принцип автоматической правки, несколько конструктивных решений автоматов и вспомогательных устройств;

выявлена принципиальная схема процесса образования деформаций выгиба элементов при нагреве полосы и отдельных пятен;

разработан подход и найдены качественные зависимости для выбора рациональных режимов термической правки выгиба и саблевидности;

предложены некоторые способы механического формирования криволинейных элементов.

Разработки по методам предотвращения и правки нашли широкое внедрение на заводах металлоконструкций внедрены в нормативно-рекомендательные документы, получили признание на отечественных и международных выставках.

Шестая глава посвящена обобщению опыта работы с точки зрения методологии творческого процесса на всех трех стадиях решения отраслевой теплофизической задачи: исследование процессов, конструктивно-технологические проработки, организация внедрения (см. рис. 2).

В постановочном плане, на основе опыта научно-исследовательской работы сформулированы некоторые основные узлы методологии решения отраслевой теплофизической задачи, которую использовал автор в своей работе и которую можно рассматривать как одно из возможных научных направлений. Методология содержит три составные части: требования к существу технического решения; порядок решения; характер творческого процесса.

Каждая из указанных трех составных частей представляет собой открытую систему, т.е. в ней сформулированы только отдельные положения, с которыми наиболее часто сталкивался автор. Предполагается, что система постепенно может расширяться и дополняться новыми составными частями. Сформулировано два требования к существу технического решения: вписываемость в общую систему. Новое решение (конструкция, технология и т.п.), несмотря на свое техническое совершенство, может оказаться не только бесполезным, но даже вредным, если оно не вписывается в систему (например, общей технологии). Оно может отторгаться системой, способствовать ее разрушению, и этот фактор должен учитываться;

инженерная устойчивость. Техническое решение должно быть устойчиво против случайных воздействий: малые изменения этих воздействий не должны вызывать резких изменений основных свойств решения.

Сформулированные требования поясняются рядом выполненных автором разработок. На рис. 14 приведены примеры инженерно устойчивых и инженерно неустойчивых систем.

Сформулированы две основных рекомендации по порядку решения задачи:

принципиальный подход к решению научной отраслевой задачи и ет отличие отрешения конструкторской задачи. На примере ряда решенных задач сделано сопоставление научной и конструкторской отраслевых задач, разработаны рекомендации;

последовательность решения теплофизической части, при этом выделена главная методическая часть - рассмотрение теплофизической части как краевой задачи, и сформулированы отдельные этапы решения, которые представлены на рис. 15.

Ы

ПРИМЕРЫ ИНЖЕНЕРНО - УСТОЙЧИВЫХ (2,4) И ИНЖЕНЕРНО НЕУСТОЙЧИВЫХ (1,3) ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

Зависимость эффективной мощности дэ горелки от расстояния I сопла горелки до нагреваемого металла

Яэ кап/сек

3000

2500

2000

/

\

\

\

V

\

\

\

\

ю

20

30

3 - стандартная горелка "Москва" с наконечником № 7,

4 - специально разработанная горелка

6 -

2 -

-2 -

-4 -

Зависимость температуры ? грунта на глубине нулевых амплитуд от высоты И снежного покрова

40 /, мм

1 - для оголенной летом поверхности грунта,

2 - для поверхности, покрытой круглый год пенопластом толщиной 15 см.

РИС. 14

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ РАЗРАБОТКИ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ КОНСТРУКТИВНО -ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ

Разработка конструкций, технологий

■ I Конфигурация и размеры области исследования 1

! Закон тепло-1проводности в пределах 1 области « , ... 6 КРАЕВАЯ Начальное температурное состояние 2

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКАЯ

1 Изменение во 1 времени 1 температуры ? окружающей среды 5 ЗАДАЧА Тепло-физические свойства материалов

- Изменение во времени , I условий теплообмена с , окружающей средой '

Варьирование количественными и качественными характеристиками параметров 1 - 6 и выявление полезных и вредных тепловых эффектов

Разработка устройств или способов для осуществления полезных тепловых эффектов

Разработка систем из устройств и способов

РазраЬотка схем рационального вписывания технического решения в окружающую среду

Другие теплофизические _разработки_

и>

Рис. 15

Сь

Сформулированы четыре основных рекомендации по характеру творческого процесса:

уяет.пробдемной ориентированности;

применение различных методов (например, аналоговых) для создания образа явления (впервые разработано 2 метода: метод механических аналогий и метод гидравлических аналогий для моделирования температурных напряжений);

итерационный характер процесса исследований; одновременное применение, дескольких^методов .исследования. Разработанная методология широко использована в работах, выполненных автором или под его руководством.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Впервые проанализирована в целом проблема повышения эффективности учета и использования тепловых процессов при строительстве транспортных сооружений и прежде всего непосредственно мостов и железных дорог. Исследования проводились вначале в рамках тех областей (разделов), где конкретные задачи имеют место: в области воздействий мерзлотных процессов в грунтах на фундаменты, воздействий климатических факторов на конструкции и т.д. В процессе рассмотрения этих задач выявились постепенно узловые вопросы, общие для ряда областей (разделов). Поэтому второе направление рассмотрения - межузловые разделы: методы расчета тепловых процессов на ЭВМ, принципиальные схемы конструкций и технологий. Третье направление - исследование и обобщение закономерностей творческого процесса при решении отраслевых задач.

2. Применительно к классу решаемых задач в работе: исследованы особенности основных параметров краевой

теплофизической задачи (касающихся процесса теплопроводности, конфигурации расчетной области, теплофизических характеристик материалов, температуры окружающей среды, условий теплообмена с окружающей средой, начальных температурных состояний);

проанализированы различные, существующие методы расчета тепловых процессов (разностные методы, метод конечных элементов, метод источников, метод конформных отображений и др.), что позволило научно обосновать рациональность применения метода элементарных балансов, для выбранного метода элементарных балансов выявлены

закономерности, определяющие зависимости быстродействия счета, подготовки исходных данных и обработки результатов расчета от методов формирования расчетной области, разбивки ее на блоки, схем построения алгоритмов и других параметров, что позволило разработать комплекс эффективных алгоритмов, решающих широкий класс задач транспортного строительства;

для обеспечения возможности применения выбранного метода сделаны следующие разработки: разработаны методики линейной, сетчатой, параллелограммной разбивки расчетной области на блоки, методики учета скрытых теплот, расчета теплообмена между двумя блоками с учетом переменности их температуры в течение временного шага, расчета разных частей расчетной области с разным временным шагом, порогового счета, схемы косвенного задания граничных условий и др.; исследованы процессы фильтрации, диффузии, различные случаи экзотермии и эндотермии, выявлена специфика задач и разработаны алгоритмы расчета этих процессов совместно с тепловыми процессами; исследованы процессы формирования температурно-усадочных деформаций и напряжений, выявлена специфика задач транспортного строительства и разработаны алгоритмы расчета этих процессов совместно с тепловыми процессами.

3. Разработано более 50 принципиальных схем. конструкций и технологий, основанных на учете и использовании тепловых процессов, в том числе следующие комплексы:

систем и методов для понижения температуры вечномерзлых грунтов (методы повышения эффективности подземной части термосифонов; полупроводниковые системы, основанные на сочетании горизонтальных и вертикальных тепловых потоков; аккумуляционные массивы; охлаждающие уширенные площадки в зоне подходной части насыпи к мосту; поверхностные покрытия и др.);

способов формирования остаточных деформаций при термической правке сварных конструкций и других аналогичных процессах при высокотемпературных нагревах стальных элементов;

способов и устройств для осуществления сборочно-сварочных операций при изготовлении на заводе стальных балок пролетных строений мостов;

способов и устройств для изготовления железобетонных конструкций

и др.

Разработанные принципиальные схемы нашли практическое применение.

4. Разработано более 10 новых инженерных методов расчета,

позволяю щих оперативно определять расчетные параметры, требуемые при проектировании и строительстве, в том числе:

численно-аналитический метод расчета температурного режима грунтов оснований, позволяющий оперативно при проектировании оценивать в трехмерной постановке один из определяющих параметров несущей способности вечномерзлых грунтов;

метод расчета влияния времени отсыпки подходной части насыпи на начальное температурное состояние грунтов оснований устоев мостов;

комплекс методик, позволяющих при проектировании оперативно и всесторонне рассчитывать термонапряженное состояние сталежелезобетонных и железобетонных пролетных строений от воздействия тепловых климатических факторов;

простая формула для определения средней температуры пролетного строения, которая может быть использована в условиях строительных организаций;

' комплекс графиков и номограмм, позволяющих в условиях заводов ^ металлоконструкций производить расчет правки сварных элементов.

Методики включены в нормативно-рекомендательные документы и использованы в практике.

5. Выполненный комплекс исследований различных тепловых процессов, атакже различных конструктивных разработок позволил выявить более общие закономерности и сформулировать ряд новых концепций учета тепловых процессов в мостостроении, в том числе:

прогнозирования и регулирования температурного режима грунтов оснований мостов, возводимых на вечной мерзлоте, заключающуюся в выявлении характера основных равнодействующих тепловых потоков и основных расчетных эпюр распределения температур по глубине, разработке численных и численно-аналитических методов расчета температурного режима грунтов оснований и методологии формирования исходных данных для осуществления этих расчетов, исследовании комплекса конструктивно-технологических мероприятий по регулированию температурного режима грунтов оснований и разработке рекомендаций по их применению;

определения и учета температурных климатических воздействий при проектировании и сооружении пролетных строений мостов, заключающуюся в классификации тепловых климатических воздействий применительно к специфике пролетных строений, разработке методики расчета температурного и влажностного режимов пролетных строений, формировании комплекса методик для расчета температурных и усадочных напряжений и усовершенствовании методологии учета температурно-

усадочных воздействий;

предотвращения и ликвидации остаточных деформаций грибовидности и перекоса при изготовлении сварных балок и формирования деформаций общего искривления стальных элементов, заключающуюся в определении границ эффективного предотвращения и правки деформаций, разработке комплекса рекомендаций по методике предотвращения перекоса (в том числе предложены новые схемы сборочно-сварочного оборудования, предотвращающего перекос); разработке эффективных режимов термической правки грибовидности ручным способом; выявлении принципиальной схемы процесса образования деформаций выгиба элементов при нагреве полосы и отдельных пятен; разработке впервые в мировой практике технологии и оборудования для автоматической термической правки грибовидности, разработке принципов расчета и методов численного моделирования температурного режима и деформаций с помощью ЭВМ.

Разработки широко внедрены в нормативно-рекомендательных документах и непосредственно в заводских условиях.

6. В постановочном плане на основе опыта научно-исследовательской работы сформулирована методология решения отраслевой теплофизической задачи. Методология содержит три составные части: требования к существу технического решения; порядок решения; характер творческого процесса.

Разработанная методология использована в работах, выполненных автором или под его руководством.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Научные статьи, доклады

1. Пассек В.В., Паталеев В.А. Применение метода гидравлических аналогий для определения температурных напряжений в сталежелезобетонных пролетных строениях мостов. - В кн.: Сб. трудов ХабИИЖТа, вып. 34, Хабаровск, 1968, с.273-281.

2. Бурнштейн В.Л., Душницкий В.М., Орлов В.Г., Пассек В.В., Степенская М.Л. Измерение температурных полей при термической правке сварных мостовых конструкций. - В кн.: Сб. научных трудов

ЦНИИС, вып. 33, М, ЦНИИС, 1969, с.43-47.

3. Стрелецкий H.H., Долгов В.А., Пассек В.В. К расчету сталеже-лезобетонных пролетных строений на температурные воздействия. -Транспортное строительство, 1973, №2, с.41-42.

4. Пассек В.В. Совершенствование методики расчета температурного режима грунтов. - В кн.: Теплофизические исследования транспортных сооружений, вып. 72, М, ЦНИИС, 1974, с.11-47.

5. Пассек В.В. Совершенствовавние методики расчета температурных полей при термической правке. - В кн.: Исследование современных конструкций стальных труб, вып. 94, М, 1975, с. 166-170.

6. Пассек В.В. Опыт применения ЭВМ для расчета различных задач тепло-массообмена в транспортном строительстве. - В кн.: Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Применение машинных методов для решения краевых задач", М, Сов. радио, 1976.

7. Пассек В.В. Исследование термической правки выгиба продольной оси линейных элементов. - В кн.: Конструкции, расчет и технология изготовления стальных мостов, вып. 90, М, ЦНИИС, 1974, с. 136149.

8. Пассек В.В. Сочетание применения АВМ и ЭВМ для исследования температурных деформаций и напряжений при термической правке сварных мостовых конструкций. - В кн.: Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Применение машинных методов для решения краевых задач", М, Сов. радио, 1976, с.10.

9. Пассек В.В. Расчет на ЭВМ температурных полей при термической правке деформаций элементов, стальных конструкций. - В кн.: Совершенствование технологии изготовления стальных мостовых конструкций, вып. 103, М, ЦНИИС, 1977, с.122-129.

10. Пассек В.В., Орлов В.Г., Душницкий В.М. Термическая правка элементов деформированных стальных конструкций. - В кн.: Совершенствование технологии изготовления стальных мостовых конструкций, вып. 103, М, ЦНИИС, 1977, с.94-105.

11. Лукьянов B.C., Цуканов H.A., Пассек В.В., Соловьянчик А.Р. Опыт применения аналоговых и цифровых средств вычислительной техники в решении практических задач транспортного строительства в районах Восточной Сибири и Крайнего Севера. - В кн.: Тезисы докладов. XXXIII Всесоюзная научная сессия НТО Радиотехники, электроники и связи им. A.C. Попова, М, Сов. радио, 1978, с.9-10.

12. Пассек В.В. Расчет на ЭВМ трехмерных температурных полей в транспортных сооружениях. - Транспортное строительство, 1978,

№10, с.37-38.

13. Пассек B.B. Инженерный метод расчета на ЭВМ процессов тепло- и массообмена. - В сб. научно-технической конференции "Повышение эффективности и качества транспортного строительства на БАМе, а также в других районах Сибири и Дальнего Востока", М, ЦНИИС, 1979, с.271.

14. Пассек В.В., Соловьянчик А.Р. Методика исследования температурного режима балок пролетных строений мостов в процессе тепловлажностной. обработки. - В кн.: Температурный режим и вопросы повышения устойчивости и долговечности транспортных сооружений на БАМ, М, ЦНИИС, 1980, с.97-103.

15. Пассек В.В. Некоторые пути сокращения длительности счета на ЭВМ процессов тепло- и массообмена и упрощения методов обработки результатов расчета. - В кн.: Тезисы докладов научно-технического семинара "Совершенствование методов проектирования и строительства железных дорог в суровых климатических условиях Сибири", М, СибЦНИИС, 1979, с. 101-102.

16. Пассек В.В., Герасимова Е.И. Развитие методов прогнозирования на ЭВМ температурного состояния плотин при строительстве в районах вечной мерзлоты. - В кн.: Сборник тезисов, докладов и сообщений XXXV Всесоюзной научной сессии научно-технического обществаРЭС им. A.C. Попова, М, Сов. радио, 1980, с. 133.

17. Заковенко В.В., Пассек В.В., Польевко В.П. Определение средней температуры мостовых конструкций при их замыкании. - Транспортное строительство, №9,1981, с.43-44.

18. Пассек В.В. Некоторые пути сокращения требуемых объемов памяти, длительности счета, упрощения задания исходных данных и обработки результатов расчета при решении на ЭВМ задач тепло- и массообмена. - В кн.: Температурный режим и вопросы повышения устойчивости и долговечности транспортных сооружений на БАМ, М, ЦНИИС, 1980, с.103-117.

19. Пассек В.В., Колина JI.H. Расчет теплообмена между двумя блоками с учетом переменности их температуры в течение временного шага. - В кн.: Температурный режим и вопросы повышения устойчивости и долговечности транспортных сооружений на БАМ, М, ЦНИИС, 1980, с.117-121.

20. Пассек В.В., Костяев А.П. Методика расчета на ЭВМ теплового взаимодействия между столбом, омоноличивающим его в скважине раствором и вечномерзлым грунтом. - В кн.: Климатические испытания и прогнозирование долговечности материалов и конструкций транспортных

сооружений, М, ЦНИИС, 1987, с.54-58.

21. Пассек В.В., Соколов B.C. Расчет температурного режима земляного полотна с учетом просадок грунтов основания. - В кн.: Исследование устойчивости земляного полотна железных дорог в районах вечной мерзлоты, М, ЦНИИС, 1987, с.24-30.

22. Косов Ю.Н., Пассек В.В. Особенности прогрева трансформаторов в условиях отрицательных температур. - Вестник Всесоюзного научно-исследовательского института железнодорожного транспорта, 1989, №3, с.25-28.

23. Пассек В.В., Душницкий В.М., Черный Д.Г. Правка грибовидности поясов балок и Н-образных элементов. - Транспортное строительство, 1992, №5, с.20-26.

24. Пассек В.В., Душницкий В.М., Черный Д.Г. Повышение эффективности термической правки металлоконструкций. Транспортное строительство, 1993, №№5-6, с.42-43.

25. Пассек В.В. Метод приближенного решения теплофизических задач транспортного строительства с труднорегулируемыми условиями. -В сб. научных трудов ЦНИИСа, М, 1995, с.126-135.

26. Пассек В.В. К вопросу о разработке технических решений на уровне изобретений в отраслевой науке. - Транспортное строительство, №8, 1995, с.22-25.

27. Пассек В.В., Заковенко В .В., Дробышевский Б. А. Температурно-усадочные воздействия на пролетные строения мостов. - В кн.: Материалы международного симпозиума "Исследования и строительство в экстремальных условиях", М, МИИТ, 1996, с. 14.

28. Пассек В.В. Теория и опыт управления тепловым состоянием вечномерзлых грунтов в основаниях мостов на железных и автомобильных дорогах. - В кн.: Материалы Первой конференции геокриологов России, М, МГУ, 1996, с.151-159.

29. Пассек В.В., Мамчур И.Г. Теория и опыт возведения мостов на вечномерзлых грунтах Заполярной тундры. - В кн.: Материалы 11-ой международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта", тезисы докладов, т. 2, М, МИИТ, 1996, с.4.

30. Пассек В.В., Цуканов H.A., Величко В.П. Новые патентно-защищенные конструкции опор мостов для автомобильных дорог Сибири и Заполярной тундры. - В кн.: Тезисы докладов II Международной научно-технической конференции "Автомобильные дороги Сибири", Омск, 1998, с. 347-349.

Монографии, брошюры, номативно-рекомендательные документы

31. Пассек В.В., Заковенко В.В., Дробышевский Б.А. Температурные и усадочные воздействия на пролетные строения мостов. Депонированная рукопись монографии, ВНИИ ПС Госстроя СССР, №8314 от 08.10.87. -138с.

32. Душницкий В.М., Пассек В.В. Указания по методам правки элементов сварных мостовых конструкций. - М: ЦНИИС,'1973. - 73 с.

33. Цуканов H.A., Пассек В.В., Герасимова Е.И. Методические рекомендации по проектированию теплоизолирующих слоев в

железнодорожных выемках, пересекающие льдонасыщенные вечномерзлые грунты, неустойчивые при оттаивании. - М, ЦНИИС, 1978. - 31с.

34. Меренков Н.Д., Перетрухин H.A., Цвелодуб Б.И., Гулецкий В.В., Михайлов Г.П., Соколов B.C., Пассек В.В.. Рекомендации по совершенствованию и уточнению проектных решений и методики расчета и учета осадки насыпей на марях. - М: ЦНИИС, 1978. - 107с.

35. Авторский коллектив из ЦНИИПСК, ВДЩИС (Большаков К.П., Душницкий В.М., Пассек В.В.), Челябинский политехнический институт, Курский политехнический институт. Руководство по проектированию заводов металлоконструкций, раздел "Правка мостовых элементов стальных конструкций, режимы и выбор оборудования", М: ЦНИИПСК, 1981. - 76с.

36. Авторский коллектив из ЦНИИСа (Лукьянов B.C., Соловьянчик А.Р., Пассек В.В., Денисов И.И., Цуканов H.A., Величко В.П., Меркин В.Е., Смолянский В.М., Антонов Е.А., Цимеринов А.И., Петров В.И., Костяев А.П.) и НИИЖБа. Руководство по бетонированию фундаментов и коммуникаций в вечномерзлых грунтах с учетом твердения бетона при отрицательных температурах. - М: Стройиздат, 1982. - 161с.

37. СНиП 2.05.03-84. Мосты и трубы, М, 1985. Участие в разработке пп.2.27, 5.10, приложение 20.

38. Пассек В.В., Заковенко В.В., Стрелецкий H.H. Рекомендации по расчету температурных и усадочных воздействий на пролетные строения мостов. - М: ЦНИИС, 1988. - 29с.

39. Душницкий В.М., Пассек В.В. Рекомендации по правке стальных мостовых конструкций. - М: ЦНИИС, 1988. - 107с.

40. Пассек В.В., Дробышевский Б. А. и др. Рекомендации по проектированию и постройке опор автодорожных и железнодорожных мостов на вечномерзлых грунтах. Приложение 1. - М: ЦНИИС, 1988. - 107с.

41. Проектирование и устройство фундаментов опор мостов в

районах распространения вечномерзлых грунтов, СП 32-101-95, Система нормативных документов в строительстве, свод правил. Приложение А. - М: Трансстрой, 1996. - 89с.

Алгоритмы, сданные в госфонд алгоритмов и программ

42. Расчет температурных полей в стальных конструкционных элементах при нагреве их линейно перемещающимся источником, например, горелкой. П000552, Пассек В.В., бюлл. №1, М, 1974.

43. Расчет температурных деформаций и напряжений в линейных элементах при их нагреве отдельными пятнами. П000553,Пассек В.В., бюлл. №1, М, 1974.

44. Расчет температурных деформаций и напряжений в линейных элементах при их нагреве непрерывными полосами. П000554, Пассек В.В., Величко В .П., бюлл. №1, М, 1974.

45. Расчет температурных полей в грунтах мерзлых оснований гидротехнических сооружений. П001198, Пассек В.В., Колина JI.H., Герасимова Е.И., бюлл. №2, М, 1975.

46. Расчет температурных и влажностных полей в сечениях пролетных строений от воздействия климатических факторов. П001573, Пассек В.В., Заковенко В.В., бюлл. №1, М, 1976.

47. Расчет температурных полей в грунтах оснований и тела земляного полотна. ПОО1693, Пассек В.В., Цуканов H.A., Колина Л.Н., бюлл. №2, М, 1976.

48. Расчет температурных полей в грунтах вечномерзлых оснований гидротехнических сооружений с учетом переноса тепла фильтрующей водой. ПОО 1772, Пассек В.В., Герасимова Е.И. бюлл. №2, М, 1976.

49. Расчет температурных полей в грунтах оснований различных транспортных сооружений. П001692, Пассек В.В., бюлл. №2, М, 1976.

50. Расчет температурного режима трансформаторной подстанции. П002284, Пассек В.В., Гринблат И.С., бюлл. №5, М, 1977.

51. Расчет трехмерных температурных полей в основаниях и теле транспортных сооружений. П003 880, Пассек В.В., бюлл. №6,М, 1979.

52. Расчет температурных полей в стальных конструкционных элементах при нагреве их линейно перемещающимся источником, например, горелкой. П004098, Пассек В.В., бюлл. №2, М, 1978.

53. Расчет температурного режима оснований и тела транспортных

сооружений. П005248, Пассек В.В., бюлл. №3 (47), М, 1982.

54. Расчет напряженного состояния мостовых конструкций. П006030, Пассек В.В., Цимеринов А.И., Поляков Д.Н., Старчевская JIJL, бюлл. №2 (53), М, 1983.

55. Расчет температурного режима оснований и тела насыпей с учетом изменения расчетной схемы в результате просадок оттаивающих вечномерзлых грунтов основания. П008173, Пассек В.В., Соколов B.C., бюлл. №3, М, 1984.

56. Определение температуры грунта на глубине нулевых годовых амплитуд. П000902, Пассек В.В., бюлл. №3, М, 1974.

Авторские свидетельства и патенты

57. A.c. № 325421 (СССР). Переменный дроссель/Пассек В.В. -Опубл. в Б.И., 1972, №3.

58. A.c. № 377817 (СССР). Интегратор для расчета деформаций и напряжений/Пассек В.В. - Опубл. в Б.И., 1973, №18.

59. A.c. № 493268 (СССР). Устройство для правки грибовидности полок сварных элементов/ Большаков К.П., Пассек В.В., Душницкий В.М., Гурин Л~Я., Киселев A.B., Ананьев А.Ф., Передереев В.М. - Опубл. в Б.И., 1975, №4.

60. A.c. № 564639 (СССР). Гидравлическое моделирующее уст-ройство/Пассек В.В., Заковенко В.В. - Опубл. в Б.И., 1977, №25.

61. A.c. № 580027 (СССР). Устройство для правки грибовидности полок сварных элементов/Большаков К.В., Пассек В.В., Душницкий В.М., Гурин Л.Я., Шаферман И.М., Пасеков П.Х., Передереев Б.М., Синявский А.И. - Опубл. в Б.И., 1977, №42.

62. A.c. № 724239 (СССР). Способ термической правки грибовидности полок сварных элементов/Большаков К.П., Пассек В.В., Душницкий В.М. - Опубл. в Б.И., 1980, №12.

63. A.c. № 1027738 (СССР). Гидравлическое устройство для моделирования деформаций и напряженных состояний линейных элементов (его варианты)/Пассек В.В., Заковенко В.В., Гринблат И.С., Гонтарев В.П., Долгов В.А., Субботин С.Л., Харичев Е.В., Смирнов A.B. - Опубл. в Б.И., 1983, №25.

64. A.c. № 1167918 (СССР). Способ аккумуляции холода в грунте основания/Пассек В.В., Цуканов H.A., Гаврилова Л.В. - Опубл. в Б.И., 1995, №28.

65. A.c. № 1222474 (СССР). Кондуктор для сборки под

сварку двутавровых балок/Душницкий В.М., Пассек В.В., Передереев Б.М., Мамлин Г.А. - Опубл. в Б.И., 1986, №13.

66. А.с.№ 1263000 (СССР). Система для охлаждения грунта /Пассек В.В., ДробышевскийБ.А., ГринблатИ.С. - Опубл. в Б.И., 1986, №37.

67. A.c. № 1272773 (СССР). Мостовой переход на вечной мерзлоте/ Пассек В.В. - Опубл. в Б.И., 1995, №28.

68. A.c. № 1342093 (СССР). Система для аккумуляции холода в грунте/Пассек В.В., Цуканов H.A., Листов A.M., Дробышевский Б. А., Бродский A.M. - Опубл. в Б.И., 1987, №36.

69. A.c. № 1358502 (СССР). Водопропускное сооружение под насыпью/Оршанский Е.В., Клейнер P.C., Романов А.П., Потапов A.C., Нарусов Ю.Б., Пассек В.В., Седлецкий Л.Б. - Опубл. в Б.И., 1987, №45.

70. A.c. № 1358503 (СССР). Водопропускное сооружение под на-сыпью/Пассек В.В., Потапов A.C., Клейнер P.C., Цуканов H.A., Дробышевский Б.А., Оршанский Е.В. - Опубл. в Б.И., 1987, №45.

71. Патент№ 1552707 (РФ). Мостовой переход на вечной мерзлоте/ Пассек В.В., Постовой Ю.В., Прохоров И.Г. - Опубл. в Б.И., 1996, №13.

72. Патент № 1506965 (РФ). Причальное сооружение/ Герасимова Е.И., Пассек В.В., Балунов Ю.К., Мороз Л.Р., Титова З.А. -Опубл. в Б.И., 1996, №2.

73. A.c. № 1506966 (СССР). Теплоизолирующее покрытие для сохранения вечномерзлых грунтов/Дыдышко П.И., Пассек В.В., Цуканов H.A., Минайлов Г.П., Дербас В.А., Жданова С.М. - Опубл. в Б.И., 1989, №33.

74. Патент № 1664973 (РФ). Земляное сооружение на вечномерзлых грунтах/Пассек В.В., Мамчур И.Г. - Опубл. в Б.И., 1991, №27.

75. Патент№ 1805709 (РФ). Мостовой переход на вечной мерзлоте/ Пассек В.В., Цуканов H.A., Мамчур И.Г. - Опубл. в Б.И., 1996, №7.

76. Патент № 2052010 (РФ). Мост на вечной мерзлоте/Пассек В.В., Александрович А.П. - Опубл. в Б.И., 1996, №1.

77. Патент № 2035537 (РФ). Переход дороги через водоток на вечномерзлых грунтах/Пассек В.В., Мамчур И.Г. - Опубл. в Б.И., 1995,

78. Патент № 2039146 (РФ). Мостовой переход на вечной мерзлоте/ Пассек В.В., Мамчур И.Г., Репко Г.Н. - Опубл. в Б.И., 1995, №19.

79. Свидетельства на полезную модель №7422 и №7423. Опора моста на вечной мерзлоте/Пассек В.В., Петров В.И., Александрович А.П., Руденко В.Е. - Зарегистрировано 16.08.98.

№14.

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА (ЦНИИС)

На правах рукописи

Пассек Вадим Васильевич

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ЭФФЕКТИВНОГО УЧЕТА И

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ МОСТОВ И ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

Специальности: 05.23.15 "Мосты и транспортные тоннели" 05.23.13 "Строительство железных дорог"

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

/ ¿У

/

Москва - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................................................................................................5

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ, ЭТАПЫ РАБОТЫ................................................15

1.1. Области транспортного строительства, связанные с тепловыми 15 процессами.......................................................................................

1.2. Состояние вопроса, актуальность, цель работы..........................................................17

1.3. Формулировка рассматриваемых проблем с позиций физики и 24 математической физики. Краевая теплофизическая задача...........

1.4. Отраслевая теплофизическая задача как объект исследования..........32

1.5. Этапы работы......................................................................................................................................................................36

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА НА ЭВМ..................................................................40

2.1. Структура расчетной части теплофизической задачи........................................40

2.2. Анализ специфики исследуемых тепловых процессов и выбор 58 основного метода их расчета...........................................................

2.3. Разработки по схеме задания уравнений................................................................................65

2.4. Разработки по методу решения уравнений и по схеме задания 80 граничных условий..........................................................................

2.5. Расчеты процессов фильтрации, диффузии, набора прочности 97 бетона при его твердении и др........................................................

2.6. Расчет температурных напряжений и деформаций................................................112

2.7. Решение вспомогательных вопросов в алгоритмах................................................125

2.8. Выводы по главе 2......................................................................................................................................................132

3. РАЗРАБОТКА ШИНЦИПИАЛЬНЬ1Х СХЕМ КОНСТРУКЦИЙ И 134 ТЕХНОЛОГИЙ......................................................................................

3.1. Постановка вопроса..................................................................................................................................................134

3.2. Охлаждающие уширенные площадки в условиях Заполярной 135 тундры..............................................................................................

3.3. Комплекс мероприятий для понижения температуры вечномерз- 147 лых грунтов......................................................................................

3.4. Технология и оборудование для термической правки грибовид- 174 ности сварных элементов................................................................

3.5. Формирование продольных деформаций в линейных элементах 185 путем местных высокотемпературных нагревов при термической правке выгиба и саблевидности......................................................

3.6. Создание криволинейных конструкций.......................................... 200

3.7. Предотвращение перекоса поясов сварных балок......................... 207

3.8. Выводы по главе 3.......................................................................... 211

4. РАЗРАБОТКА ИНЖЕНЕРНЫХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА.................... 213

4.1. Постановка вопроса......................................................................... 213

4.2. Приближенный метод расчета температурного режима грунтов 214 оснований в трехмерной постановке...............................................

4.3. Приближенный метод расчета влияния времени отсыпки под- 220 ходной части насыпи на начальное температурное состояние грунтов оснований устоев мостов...................................................

4.4. Расчет температурных напряжений от неравномерного по сече- 234 нию распределения температуры в сталежелезобетонных и железобетонных пролетных строениях...................................................

4.5. Определение средней температуры элементов пролетных строе- 253 ний при воздействии на них различных климатических факторов

4.6. Расчет остаточных деформаций при термической правке............. 259

4.7. Выводы по главе 4........................................................................... 265

5. РАЗРАБОТКА НЕКОТОРЫХ ОСНОВНЫХ КОНЦЕПЦИЙ УЧЕТА 266 ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В МОСТОСТРОЕНИИ...........................

5.1. Температурный режим грунтов оснований мостов, возводимых 266 на вечной мерзлоте...........................................................................

5.2. Температурные климатические воздействия при проектировании 283 и сооружении пролетных строений мостов....................................

5.3. Температурные остаточные деформации при изготовлении свар- 298 ных балок и Н-образных элементов. Формирование деформаций

общего искривления стальных элементов......................................

5.4. Выводы по главе 5......................................................................................................................................................304

6. МЕТОДОЛОГИЯ РЕШЕНИЯ ОТРАСЛЕВОЙ ТЕПЛОФИЗИ- 309

ЧЕСКОЙ ЗАДАЧИ................................................................................

6.1. Особенности отраслевой теплофизической задачи и общий под- 309 ход к их решению.............................................................................

6.2. Требования к существу технического решения............................................................312

6.3. Порядок решения отраслевой задачи............................................................................................322

6.4. Характер творческого процесса............................................................................................................334

6.5. Выводы по главе 6......................................................................................................................................................356

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................................................................................359

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..........................................................364

ПРИЛОЖЕНИЕ..........................................................................................................................................................................398

ВВЕДЕНИЕ

Большинство проблем транспортного строительства в той или иной степени связано с тепловыми процессами. Эти процессы являются определяющими при возведении и эксплуатации сооружений на вечной мерзлоте, при изготовлении сборных и возведении монолитных железобетонных конструкций, при проведении сборочно-сварочных работ во время изготовления и монтажа металлических конструкций и во многих других случаях. Они определяют долговечность и комфортность эксплуатации сооружений, влияют на себестоимость строительства, на эксплуатационные затраты. Поэтому понимание этих процессов и умение управлять ими является важной актуальной задачей как для транспортного строительства, так и для народного хозяйства в целом.

В 70-х - 80-х гг. в транспортном строительстве резко возрос объем задач, связанных с учетом температурного фактора. Осуществлялось интенсивное освоение новых регионов страны в зоне распространения вечномерзлых грунтов: сооружались Байкало-Амурская магистраль, автомобильные и железные дороги на севере Западной Сибири, в Якутии, причалы в устье Оби, Енисея, различные жилые и производственные комплексы и т.п. Уточнялись нормы расчета конструкций. В частности, для пролетных строений мостов потребовалась выработка принципиально новых подходов к учету различных тепловых воздействий при их проектировании и строительстве. Дальнейшее совершенствование многих технологических процессов (термическая правка, сварка стальных конструкций, бетонирование в заводских условиях, зимнее бетонирование и т.п.) оказалось немыслимым без глубокого оперативного и всестороннего анализа тепловых процессов. На момент начала данной работы (в конце 60-х годов) существовал большой комплекс работ, посвященных процессам тепло- и массообмена в строительстве.

Однако уровень имевшихся разработок не всегда мог удовлетворить возросшим запросам. В частности, следует отметить в них два существенных пробела:

- достаточно хорошо развитая теория теплообмена при практической реализации базировалась на технике (аналитические расчеты, аналоговая техника), которая уже не удовлетворяла требованиям скорости и сложности расчетов. Необходимо было широкое использование ЭВМ;

требовались разработки, проблемно ориентированные на специфические нужды транспортного строительства.

Представленная к защите диссертация в некоторой степени восполняет указанные пробелы.

Результаты работы в конечном счете направлены на обеспечение долговечности, экономичности и высокого качества сооружений при строительстве мостов и железных дорог. Такие результаты могли быть получены только на основе новых методов учета и использования тепловых процессов.

Специфика работы заключается в том, что она направлена не на детальное изучение отдельного узкого раздела, а посвящена теплофизике инженерных сооружений транспортного строительства в целом. Такой характер работы позволил выявить новые закономерности и получить практические результаты, ценные одновременно для многих областей транспортного строительства: при возведении сооружений на вечной мерзлоте, строительстве в суровых климатических условиях, изготовлении металлических, бетонных и железобетонных конструкций с применением технологий, основанных на тепловых процессах и т.п.

Актуальность работы определяется:

- широтой областей, где требуется решение задач теплообмена как первоочередных;

- важностью рассматриваемых задач, поскольку несовершенные с точки зрения теплофизики технические решения могут значительно усложнить строительство, увеличить его себестоимость и не обеспечить надлежащего качества и надежности сооружений;

- необходимостью обеспечения соответствия скорости развития техники транспортного строительства и возможностей средств решения задач (методов расчета и методов поиска нового решения).

Цель работы - разработка научных основ эффективного учета и использования тепловых процессов в инженерных сооружениях различных областей транспортного строительства, связанных непосредственно со строительством мостов и железных дорог.

Методы исследований - теоретические исследования тепловых процессов с корректировкой известных и разработкой новых методов математического моделирования, экспериментальные исследования на образцах в лабораторных условиях и натурные наблюдения на реальных объектах, апробация разработанных технических и технологических приемов и решений в производственных и натурных условиях.

Предмет защиты - разработанные автором научные основы эффективного учета и использования тепловых процессов, которые определяются шестью основными составляющими (рис. 1):

методы расчета на ЭВМ тепловых и смежных с ними процессов (температурных напряжений, фильтрации, диффузии и др.);

комплекс инженерных методов для расчета различных тепловых параметров, необходимых при проектировании и строительстве сооружений на железных дорогах;

комплекс принципиальных схем конструкций и технологий, основанных на тепловых процессах, которые могут быть эффективно применены при строительстве мостов и других сооружений на железных дорогах;

общие теплофизические концепции основных исследованных в работе классов задач: возведение мостов на вечной мерзлоте, проектирование и сооружение пролетных строений мостов с учетом температурных климатических воздействий, термическая правка сварных металлических конструкций;

внедренные конкретные объекты (конструкции, технологии), разработанные с учетом рекомендаций автора (они могут быть рассмотрены как прецеденты конкретных воплощений при дальнейшем внедрении разработок);

вопросы методологии решения отраслевых теплофизических задач. Научная новизна работы заключается в следующем: выявлены закономерности тепловых процессов, специфических для различных сооружений, конструкций и технологических процессов транспортного строительства;

на основе сопоставительного анализа различных методов расчета обоснована возможность и целесообразность использования метода элементарных балансов (явная схема) и разработаны методики, позволяющие с использованием ЭВМ осуществить применение указанного метода;

разработана методика учета пластических деформаций при расчете высокотемпературных нагревов стальных конструкций, на основании которой создан комплекс программ для расчета на ЭВМ и два новых аналоговых метода: метод гидравлических и метод механических аналогий для расчета деформаций и напряжений;

разработана новая концепция прогнозирования температурного режима вечномерзлых грунтов оснований в зоне мостовых переходов, заключающаяся: а) в учете трехмерности теплового процесса, б) в сочетании расчета на ЭВМ и инженерного метода расчета с единым подходом к формированию граничных условий и принципов описания общей схемы;

ПРЕДМЕТ ЗАЩИТЫ

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ЭФФЕКТИВНОГО УЧЕТА И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ И МОСТОВ

Методы расчета на ЭВМ Инженерные методы расчета Принципиальные схемы конструкций и технологий Общие теплофизические концепции основных классов задач Внедренные объекты Вопросы методологии решения отраслевых теплофизческих задач

■

Рис. В1

разработана новая концепция учета температурно-усадочных воздействий на пролетные строения мостов, заключающаяся в замене ранее существующего интегрального учета выделением характерных расчетных сочетаний воздействий;

разработаны методы управления формированием температурных деформаций при термической правке грибовидности и выгиба стальных конструкций, в результате чего, впервые в мировой практике разработаны технология и оборудование для автоматизации указанных процессов;

сформулирован ряд принципов методологии решения отраслевых теплофизических задач, заключающейся в определении основных положений подхода: а) к созданию технического решения (алгоритма, принципиальных схем конструкций и технологий и т.п.) и б) к творческому процессу при решении задач рассматриваемого класса.

Практическая значимость. На основании выполненных автором исследований разработаны теоретические положения, позволяющие повысить надежность, экономичность и обеспечить высокое качество строительства транспортных сооружений на вечной мерзлоте и в суровых климатических условиях, изготовления металлических, бетонных и железобетонных конструкций с применением технологий, основанных на тепловых процессах и т.п.

Разработки внедрены более, чем в 7 областях транспортного строительства (мосты, тоннели, земполотно, гидротехнические сооружения, здания и др.) при возведении сооружений на мерзлоте, при разработке технологии изготовления стальных и бетонных конструкций, при проектировании теплозащит в различных конструкциях и т.д. Результаты исследований широко использованы: на крупнейших стройках страны (БАМ, железные и автомобильные дороги севера Западной Сибири - Обская-Бованенково, Ягельная-Надым, Ягельная-Уренгой, Ягельная-Ямбург, Медвежье-Ямбург, промысловые

дороги для обустройства месторождений ЗСНГК; железные и автомобильные дороги в Якутии и др.);

на заводах металлоконструкций (Воронежский, Чеховский, Улан-Удэнский, Белгородский, Курганский, Ярославский и др.);

на внеклассных мостах через реки Шексна в Череповце, Днепр в Днепропетровске, Волга в Ульяновске, Обь у с. Мельникове, на комплексе мостов через реку Москва и др.

Результаты исследований тепловых процессов использованы также на самых различных объектах транспортного строительства: при проектировании трансформаторных подстанций, зданий, причалов в Заполярье, при проведении бетонных работ в суровых климатических условиях и т.п.

По результатам выполненных научных исследований с участием автора разработано 15 нормативно-рекомендательных документов, которые широко используются в различных областях транспортного строительства.

Апробация работы. Достоверность и эффективность основных положений диссертации подтверждены их многолетней практикой использования не только в транспортном строительстве, но и в других областях.

Использовались методы расчета, нормативно-рекомендательные документы. Разработанные технологии и конструкции внедрены в производство.

Основные положения диссертации доложены, обсуждены и получили признание на XXVI научно-технической конференции кафедр ХабИИЖТа с участием представителей железных дорог, промышленных и строительных предприятий Дальнего Востока (Хабаровск, 1969), на секции машинных методов и средств решения краевых задач научно-технического общества радиотехники, электроники и связи им. A.C. Попова на Всесоюзных конференциях в Москве (1976, 1980, 1981, 1983), Харькове (1978), Таганроге

(1979), Ростове-на-Дону (1980), на Всесоюзной научно-технической конференции "Повышение эффективности и качества транспортного строительства на БАМе, а также в других районах Сибири и Дальнего Востока" (Москва, 1979), на Всесоюзной научно-технической конференции "Совершенствование методов проектирования и строительства железных дорог в суровых климатических условиях Сибири" (Новосибирск, 1979), на Всесоюзной научно-технической конференции "Композитные строительные материалы" (Саранск, 1987), на сессии Совета по