автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Новые конструкции железобетонных льдозащитных оболочек мостовых опор

ДАНКОВЦЕВ АЛЕКСАНДР ФЁДОРОВИЧ

НОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЛЬДОЗАЩИТНЫХ ОБОЛОЧЕК МОСТОВЫХ ОПОР

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических

наук

Москва -2003

Опоры моста через р. Волгу у с. Пристанное

I - уши реи и с до ,4,5 V», 2 - буронаб»шная свая, 3 ■ стальная мши гная оболочка. 4 - лыкпащнтная обо лочка. 5 - ростверк, 6- «мойка опоры.

ДАНКОВЦЕВ АЛЕКСАНДР ФЁДОРОВИЧ

НОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЛЬДОЗАЩИТНЫХ ОБОЛОЧЕК МОСТОВЫХ5 ОПОР

Специальность 05.23.11 - Проектирование и строительство дорог,1 метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

АВТОРЕФЕРАТ

1 г

диссертации на соискание учёной Степени кандидата технических

наук

} *

! ШёЩХ'УЮЗ

Л' О-

Работа выполнена в ОАО "Научно-исследовательский институт

транспортного строительства" (ОАО ЦНИИ С)

Научный руководитель:

кандидат технических наук Величко Владимир Павлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Беда Владимир Иванович кандидат технических наук Антипов Алексей Сергеевич

Ведущее предприятие: ГП институт "Союздорпроект"

Защита состоится 21.11.2003 в 1 & часов на заседании диссертационного совета Д 303.018.01 в ОАО "Научно-исследовательский институт транспортного строительства (ОАО ЦНИИС)", адрес 129329, Москва, Кольская ул., д.1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО ЦНИИС

Автореферат разослан -2октября 2003 г.

Учёный секретарь диссертационного — х"")

Совета кандидат технических наук (р^&гмр^' Петрова Ж.А.

•ОС. НАЦИОНАЛЬН БИБЛИОТЕКА С.Пс«р«Я»г Л.2* 09 пяЮЛ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. За последние 100 лет конструкция опор мостов и технология их сооружения на больших акваториях претерпели существенные изменения. Если вначале века и вплоть до начала 60-х годов в основном применялись кессоны и опускные колодцы в фундаментной части и крупные бетонные массивы с наклонными^ облицованными гранитом ледорезами в над фундаментной части, тО, начиная с крупных мостов в Китае (р.Янцзы и др.), широкое распространение получили опоры на сваях-оболочках с бетонными вертикальными водорезами.

В России совместными усилиями ученых ОАО "ЦНИИС", проектировщиков (ОАО "Гипротрансмост") и строителей (ОАО "Волгомост") выполнены работы по созданию новой технологии сооружения опор с высокими свайными ростверками, включающими льдозащитную оболочку (ЛЗО) с вертикальным водорезом. Новый конструктивно-технологический комплекс внедрён на нескольких больших уникальных мостах и получил высокую оценку Правительства РФ. Автор принимал участие в разработках и внедрении с 1991 г.

Обладая существенным преимуществом, конструкция не может быть применена повсеместно без проведения специальных исследований, так как в ней имеется полость в зоне льдообразования. Действующими нормами в мостостроении и гидротехнике не предусмотрен расчёт таких конструкций на внутреннее давление льда при его температурном расширении. С участием автора была обоснована возможность применения полых ЛЗО в опорах на р. Волге и р. Каме, однако дальнейшее более широкое применение этих высокоэффективных конструкций сдерживает отсутствие научного обоснования и конструктивной проработки с учётом большого многообразия климатических и гидрологических условий, а так же размеров мостовых опор.

Актуальность данной работы определяется большим ожидаемым экономическим эффектом за счёт более широкого применения ЛЗО в мостах разных классов и систем с продвижением высокоэкономичной конструкции в более' суровые климатические условия России, составляющие значительную часть её территории.

Таким образом, целью работы является теоретическое обоснование новых конструктивно-технологических решений ЛЗО и исследование их работы в различных климатических и гидрологических условиях.

Методы исследований. Исследование температурных климатических воздействий на железобетонную ЛЗО совместно с процессами тепловыделения при укладке и твердении бетона проведено методами математического моделирования. Исследование ледовых воздействий выполнено с учетом фазовых переходов вода-лёд. Термонапряжённое состояние ЛЗО и её прочность оценена методами теории упругости. При этом был использован метод конечных элементов, а также алгоритмы и программы, разработанные в ОАО ЦНИИС и МАДЙ. Достоверность теоретических исследований проверялась наблюдениями на строящихся мостовых переходов.

Научная новизна. работы заключается в определении закономерностей льдообразования во внутренней полости ЛЗО в зависимости от климатических и гидрологических условий, в том числе с учётом турбулентности водного потока; в предложенных методах расчёта термоледового режима внутри ЛЗО; в научном обосновании новых конструкций ЛЗО, защшцённых патентами.

Практическая значимость. На основании выполненных автором исследований разработаны новые конструктивно-технологические решения, включая особые условия сооружения и эксплуатации ЛЗО, в том числе при отрицательных температурах. Разработана методика наблюдений, набор технических средств и приспособлений, которые позволят обеспечить живучесть конструкции ЛЗО в построенных мостах.

Реализация результатов работы. Результаты работы реализованы при разработке рабочей документации и строительстве мостов через р.Волгу у с. Пристанное и в г. Волгограде, р.Болду в Астраханской области, П пускового комплекса мостового перехода через р. Каму у с. Сорочьи Горы на автодороге Казань-Чистополь-Бугульма (Республика Татарстан).

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на IV Международной конференции по проблемам свайного фундаментостроения (Пермь, 1994 г.)), на Российско-финском семинаре "Ремонт и содержание мостов" (Сургут, 2002 г.), на 5-ом Международном симпозиуме "PERMAFROST ENGINEERING" (Якутск, 2002 г.), на Конференции аспирантов и соискателей ОАО ЦНИИС (Москва, 2002 г.), на секции "Строительство и реконструкция искусственных сооружений Ученого совета ОАО ЦНИИС (2003 г.).

Достоверность полученных результатов подтверждается опытом эксплуатации построенных мостов на реках Волге и Каме, а также

- г

решениями ФИПС о выдаче патентов на новые конструкции ЛЗО.

Публикации*По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе получены два патента на изобретение. Кроме того, результаты работы автора отражены в научно-техническом отчете ОАО ЦНИИС, где диссертант являлся одним из руководителей.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дан исторический обзор конструкций мостовых опор с льдозащитными ограждениями, показана актуальность работы, сформулирована цель, определена методика исследований и намечены задачи, которые следовало решить.

По проблеме создания новых облегченных конструкций опор мостов известны работы ряда организаций: ЦНИИСа, МИИТа, Гипротрансмоста, Союздорпроекта, Волгопроекгстроймоста и др., а также исследования учёных:

1 буровые Сваи 4. Стенки ЛЗО толщиной 0,5'. м усилены двумя распорками. Затем был йостроен мост черёз р. Каму у с. Сорочьи Горы и опоры моста через основное русло р. Волга в г. Волгограде, мост через р. Болду в Астраханской области.

Получен значительный экономический эффект, а опыт первых лет эксплуатации, подтвердил правильность расчётов и конструктивных решений. Тем не менее область применения высокоэффективной конструкции и технологии ограничена специфическими климатическими и гидрогеологическими условиями перечисленных мостовых переходов. *

В связи с этим, были поставлены следующие задачи: 11) провести исследования условий льдообразования во внутренней полости ЛЗО, в том числе в более суровых климатических условиях;

ЛЛ ш-шг

1- растверк; 2 - льдозашитная оболочка; 3 - металлическая оболочка; 4 - буровая свая; 5 - распорка.

Рисунок 1 Опора с льдозащитной оболочкой моста через р Волгу у с. Пристенное

в

2) произвести оценку величины давления льда на стенки ЛЗО при термическом расширении;

3) проверить расчётом несущую способность ЛЗО на внутреннее давление льда;

4) исследовать условия льдообразования внутри ЛЗО при наличии искусственно организованных турбулентных потоков и предложить на этой основе новые конструкции ЛЗО;

5) исследовать термонапряжйнное состояние ЛЗО, бетонируемых на месте при отрицательной температуре окружающего воздуха, а также при опускании зимой в воду, в проектное положение;

6) с учетом выявленных' особенностей эксплуатации ЛЗО предложить комплекс приборов и приспособлений для зимнего мониторинга. *

Методика исследований, выполнявшихся автором в Лаборатории инженерной теплофизики (ИТ) ЦНИИС, базировалась на теплофизических расчетах с помощью комплекса алгоритмов и программ, разработанных В.В. Пассеком. Методика определения величины давления льда на ЛЗО при термическом расширении базировалась на аналогичной методике В.П. Величко для пустотелых цилиндрических оболочек. Термонапряжйнное состояние и оценка несущей способности ЛЗО осуществлялись методами теории упругости в лаборатории и в сотрудничестве с МАДИ, конструкторские проработки в сотрудничестве с Гипротрансмостом, Киевсоюздорпроектом, и Волгопроектстроймостом. Автор выражает благодарность научному консультанту, руководителю лаборатории ИТ, доктору технических наук В .В. Пассеку.

Во второй главе приведены результаты анализа ледовых явлений на реках с количественной оценкой возможной величины статического давления льда внутри ЛЗО на основании работ ученых: Петруничева H.H., Коржавина К.Н., Панфилова Д.Ф., Проскуряюова Д.Ф.,

Н. Ройена, Б. Лёфквиста, Гаврилова Н.В., Тамарова П.Б., Величко В.П. и др.

На основе ранее выполненных натурных наблюдений произведена оценка взаимного положения ледяных пробок и окружающего ледяного покрова, в результате чего обоснован выбор расчётной схемы для проведения теплофизических расчётов.

Рис 2 Схема тя расчета процесса льдообразования снару жи и внутри Л'Ю

СлояснЙЙ форма надфундаментной части опоры со столбами и ЛЗО, которая имеет' внутри диафрагмы потребовала проведения на ЭВМ трехмерных теплофизических расчетов. Одна из схем приведена на (Рис.2).

Область исследования включала надводную часть опоры, подводную часть опоры (включая столбы и ЛЗО),

Расчетная схема для решения этой задачи методом элементарных балансов составлена путем разбиения области исследования на прямоугольные блоки, в пределах каждого из которых все теплофизические расчетные параметры одинаковы. Размеры блоков задавались из условий точности получения результатов в какой-либо части области исследования и конструктивных особенностей всего сооружения. При изменении в процессе расчета условий (понижения уровня воды в реке, образования льда, воздушных прослоек и т.п.)

Л *

расчетная схема на различных этапах расчёта также изменялась.

Рассматриваемая выше область исследования по виду составляющих материалов состоит из двух зон - зоны бетона и зоны воды, процессы теплообмена в которых, обусловленные различием теплофизических характеристик этих материалов, отличаются по характеру друг от друга. В бетоне отсутствуют различия между значениями теплофизических характеристик при положительной к отрицательных температурах, поэтому процесс теплообмена в бетоне но одному из направлений (в частности, по оси ОХ) и с учетом имеющей место однородности теплофизических характеристик бетона по всей зоне бетона описывается уравнением Фурье следующей формы:

дТ, д2Т

~дГ'адхт' С1)

где а- коэффициент температуропроводности грунта, воды, льда; Т~ температура грунта, воды, льда.

В воде, помимо различий теплофизических характеристик в талом и мерзлом состояниях, имеет место явление "отработки" скрытых теплот в процессе фазового перехода. Одной из наиболее распространенных моделей процесса промерзания-пропаивания материала с фазовыми переходами является схема Стефана. Физическая сущность такой модели заключается в следующем:

- в талом и мерзлом состояниях теплофизические свойства материала принимают постоянными, но отличающимися друг от друга;

- переход воды из одного фазового состояния в другое происходит при. одном значении температуры - температуре фазового перехода 0° С.

Таким образом, процесс теплообмена в воде (опять же с учетом однородности свойств ее по всей зоне воды) математически выражается следующим образом:

8ТМ > дгТм ..

агл дгтп

(3)

Ы дх2

г.-г. ¿г.

№

гдеам,ат- коэффициенты температуропроводности соответственно мерзлого и талой грунта (или вода - лед);

, Ят~ коэффициенты теплопроводности соответственно мёрзлого и талого грунта воды льда;

ТМЛт,Тъ - соответственно темперапура в мерзлой зоне, талой зоне, температура замерзания;

х3 (/) - координата фронта промерзания; £ - скрытая теплота при фазовых переходах.

Условия (2) и (3) формулируют характер изменения температуры в точке в пределах соответственно мерзлой и талой зон. Для решения этих уравнений в ОАО ЦНИИС В.В. Пассеком разработан ряд алгоритмов, в основу которых положен метод элементарных балансов. Область исследования рассматривается дискретно, т.е. разбивается на ряд блоков математической модели. Время также рассматривается дискретно.

Результаты расчета представляют собой зафиксированные в определенные моменты времени (в нашем случае - нарастающим итогом через каждый месяц) результаты теплообмена. Выдаются результаты в виде набора матриц значений температур в центрах блоков; каждая матрица - слой блоков по горизонтали, нумерация которых начинается сверху, причем первый и последний слои представляют собой "фиктивные" слои граничных условий. Анализируя эти матрицы, определили толщину ледяных пробок и прослоек в различных частях внутренней полости ЛЗО.

В пределах выделенного фрагмента области исследования рассмотрены характерные (в смысле льдообразования) зоны:

- наружное ледяное поле у опоры;

- узкий промежуток между столбом и ЛЗО;

- то же в носовой и кормовой частях;

- пространство между столбом и перегородкой;

- центральная часть внутренней полости.

На Рис.3 представлены результаты одного из теплофизических расчетов в виде графиков роста льда в течение зимнего периода в четырех характерных зонах при трех различных режимах уровня: понижение к концу зимы, соответственно, на 25, 125 и 400 см. Было установлено, что характер формирования ледяных пробок во всех случаях различен. При медленном понижении уровня на небольшую величину (25 см) ледяные пробки наибольшей толщины и имеют сплошную (без воздушных прослоек) структуру при толщине от 84 до 156 см (Рис.За). При максимальном понижении уровня (400 см) образуются только слоистые ледяные пробки (Рис. Зв).

Рисунок 3. Рост толщины льда в различных зонах опоры в течение холодного сезона при понижении уровня воды: а - при понижении уровня за зиму на 25 см, б - при понижении уровня за зиму на 125 см, в - при понижении уровня за зиму на 400 см.

1-е реке, вокруг опоры; II - между столбом и лъдоэащштой оболочкой; III - между столбом и перегородкой; IV- в центре внутренней полости, между двумя столбами м двумя перегородками. Пунктиром • суммарная толщина нескольких ледяных прослоек

Таной слоистый лед вряд ли может быть опасен для ЛЗО, даже'в зоне П,где суммарная толщина превышает толщину льда в реке, но отдельные перемычки не толще 15 20 смГ В зонах Ш и IV ойи еще тоньше (см. Рис.Зв). Наиболее опасным оказался второй вариант (см. Рис.Зб). Оказалось, что в зоне П (между льдозащитной оболочкой Н столбом) образуется лед, толщина которого (205 см) вдвое превышает толщину льда в реке, а в кормовой и носовой частях - бЬлее, чем в полтора раза. В центре опоры между двумя столбами и двумя перегородками - зона IV, наоборот, сплошного льда нет.

В качестве расчетной величины для проверки прочности стенок ЛЗО в данном случае следует принять наибольшую из полученных толщин льда, т.е. 205 см. Чтобы уменьшить толщину льда в полости, а еще лучше, полностью исключить льдообразование, возможны различные инженерные решения, многие из которых применялись в гидротехнике. Автором проанализированы следующие: организация подогрева воды в полости, устройство принудительной циркуляции, применение внутренней теплоизоляции, амортизационных слоев и различного рода компенсационных устройств. Для целей мостостроения признано целесообразным использовать

принудительную циркуляцию.

Автором исследована эффективность организации турбулентных потоков воды внутри ЛЗО. Учет турбулентности выполнен двумя способами.

Первый способ моделирования состоял в последовательном изменении расчетной схемы с переносом нижнего граничного условия вниз по мере роста толщины льда, а коэффициент теплоотдачи между нижним слоем льда и перемещающимися донными слоями воды принят постоянным. Процесс льдообразования моделировался для 3 месяцев с подекадной выдачей результатов. Подекадная выдача результатов позволяет проследить динамику роста толщины льда внутри ЛЗО, а первые 3 месяца наиболее наглядно характеризуют процесс нарастания льда, т.к. позже он резко замедлятся. Результаты расчетов по расчетной схеме, учитывающей турбулентный перенос

донных слоев воды к поверхности, отличаются, как и следовало ожидать, от расчетов без учета турбулентности: толщина льда внутри ЛЗО оказалась в два раза меньше.

Второй способ моделирования это решение классической задачи Стефана: расчетная схема изменяется автоматически путем перемещения фронта промерзания, но в данном случае в "талой зоне" (в воде) обычный коэффициент кондуктивной теплопроводности заменен на коэффициент турбулентной теплопроводности. В качестве примера приведён сопоставительный прогноз роста толщины льда во внутренней полости ЛЗО со стенками толщиной 0,8 м для типичной зимы за 50-80 лет наблюдений в нижнем течении Енисея (Игарка) и для более тонкой ЛЗО (0,5 м) в умеренных климатических условиях (р. Волга, Саратов).

X XI ХН I II HI IV

а - еяайое перемешнатш t X»"P.5-3<j>. ^^^^^ ^

6 - сргдмв мрешыпштшг ( Al *J/ i'.-.'."."• 'Л тр. ИшееО

в - сильной перемешивание ( ¡1-194).

Рисунок 4. Влиснив изменения коэффициента турбулентной теплопроводности воды в р. Енисей (у а Игарка) и р Волга (у г Саратова) на рост льда во внутренней полости ЛЗО.

На Рис. 4 представлены результаты серии расчётов. Рисунок наглядно показывает, насколько более суровыми являются климатические условия в Игарке по сравйению с Саратовом. Если в первом случае максимальная толщина льда к кощу зимы в полости ЛЗО приближается к 2 м, то во втором не достигает и 70 см.

Это исследование показало, что создание условий для интенсивного перемешивания с подъёмом глубинных слоёв вверх может сократить конечную толщину льда в'рассматриваемых случаях на 25 -:- 32%, а при более интенсивной турбулентности и до 50%.

Тем не менее, при любой толщине льда, необходимо произвести расчётную оценку ожидаемой величины его давления на стенки ЛЗО. Автором проанализированы существующие методики и в результате была рекомендована к применению методика В.П. Величко, дающая результаты идущие в запас прочности.

Статический расчет ЛЗО на внутреннее давление ледяной пробки рекомендуется проводить в два этапа.

На первом этапе методами теории упругости следует определить рабочую ширину оболочки, вовлекаемую в работу от внутреннего давления.

Для этого по направлению образующей оболочки требуется решить дифференциальное уравнение прогибов (внутрь оболочки).

. > ♦ р ,/за-А3) п

В частности, определено, что Для ЛЗО, приведённой на Рис. 2 при толщине льда внутри 2 м, ¿"работу вовлекаются ещё две полосы шириной 0,645 м сверху и снизу ледяной пробки, т.е. рабочая ширина в расчёте равна 3,29 м.

На втором этапе методом конечных элементов рассчитана оболочка заданной в плане конфигурации на действие внутреннего давления с учетом пространственной работы (Рис. 5).

а)

Рисунок 5. К расчету ЛЗО методом конечных элементов: а - схема эагружения ЛЗО внутренним давлением льда, б - величины продольной силы N1 от единичной нагрузки Р= 1 т/м, в - значение единичных моментов М1 от единичной нагрузки Р-1 т/м.

В результате может быть получено1 напряженно-деформированное состояние конструкции и найдены максимальные значёния осевой растягивающей силы (Рис. 56) и изгибающего1 момента (Рис! 5в), зная которые можно проверить толщину стенки ЛЗО и назначить армирование еб элементов.

По данной методике былой рассчитаны ЛЗО на всех упомянутых выше мостах.

Третья глава посвящена разработке новых конструкций ЛЗО для различных условий применения в мостостроении. Дело в том, «по на построенных мостах применена ЛЗО одного типа: с толщиной стенки 0,5 м двумя распорками при фиксированном числе столбов (8 шт.) и фиксированном диаметре столбов (2,02 м). В практике мостостроения возможны иные варианты и они должны быть конструктивно проработаны.

Во-первых, должны быть осуществлены мероприятия, уменьшающие льдообразование во внутренней полости с целью продвижения их в более суровые климатические условия: на Север и Северо-восток России.

Во-вторых, в первой конструкции (Рис.1) применялось ограниченное число столбов фундамента, а для пролетов более 140 м потребуется их увеличение.

В-третьих, первая конструкция (Рис.1) не может быть применена при однорядном расположении столбов, что важно для опор-стенок на реках, где существуют ограничения по стеснению русла.

В данной главе даны предложения по новым конструкциям ЛЗО.

В значительной степени они базируются на теоретических исследованиях проведённых во второй главе.

В частности, проведёнными теплофизическими исследованиями показано, что организация турбулентных потоков воды во внутренней полости ЛЗО замедляет рост льда, и в результате к концу зимы его толщина оказывается иногда даже вдвое меньше толщины окружающего ледяного покрова. В связи с этим, автор совместно со. специалистами институтов ОАО ЦНИИС и ОАО Типротрансмост"

предложил и запатентовал две конструкции, которые реализуют этот физический процесс. . . .

В первой из них предложено выполнить ЛЗО переменной высоты, увеличивающейся вниз плавно или ступеньками по направлению течения, причем глубина нижней кромки кормовой (или низовой по ; течению) части больше глубины нижней кромки носовой (верховой) части оболочки на величину 0,25-0,5 наибольшего ее диаметра, при этом ЛЗО совмещена со сваями (столбами) таким образом, что ее внутренняя вертикальная поверхность заходит внутрь полости между сваями не менее ? и не более, чем на 1/3 диаметра сваи (столба).

Сущность предложения поясняется рисунком 6а, где изображена часть предлагаемой опоры - продольный (по течению) разрез, а на Рис. 66 - поперечный разрез. Во внутренней полости не предусматривается никаких перегородок, как это было сделано на построенных мостах.

В новом техническом решении приняты меры для снижения размеров льдообразования внутри оболочки или даже для его полной ликвидации. Во-первых, тело ЛЗО совмещено со сваями (столбами). Этим достигается двойной эффект: ликвидируется полость (зазор) между сваей (столбом) и оболочкой (как это имеет место на построенных мостах), которая при заполнении водой легко перемерзает (в связи с малыми ее размерами), и увеличивается термическое сопротивление при передаче холода внутрь оболочки. Однако при совмещении тела ЛЗО с телом сваи появился побочный отрицательный эффект: увеличилось суммарное поперечное сечение бетона, поэтому созданы более благоприятные условия для подтока холода вниз (т.е. в вертикальном направлении по телу ЛЗО). Поэтому для компенсации этого отрицательного влияния высота ЛЗО увеличена для соединения ее с более глубинными слоями воды, откуда по бетону предполагается более усиленный подток тепла. Однако при увеличении высоты оболочки повышаются затраты материала, что может свести на нет выигрыш от снижения давления льда. Поэтому был сделан третий шаг: увеличение высоты оболочки сделано только

Рисунок б. Новые конструкции ЛЗО

А

19

в ее кормовой части (по отношению к течению) и убраны диафрагмы-стяжки , имеющиеся в построенных мостах на Волге и Каме. Ликвидация диафрагм-стяжек, которые в прототипе обеспечивали дополнительную жесткость ЛЗО стала возможной, в свою очередь, в связи с объединением тела оболочки со сваями, что увеличивает

, ЧЧ

жесткость системы. Ликвидация диафрагм обеспечила единую полость внутри оболочки. При этом течение, ударяясь об увеличенную кормовую часть, частично направляется вверх, неся вверх болей тегйтые нижние слои воды (в зимний период). Далее эта вода циркулирует внутри единой полости, смягчая температуру в пределах всех стенок ЛЗО, создавая более благоприятный микроклимат.

Во второй конструкции предложено оснастить ЛЗО в подводной части специальными струенаправляющими лопастями, например, из листовой стали, Здесь не предусматривается никаких энергетических затрат: пддъем масс воды осуществляется за счет течения в реке. Плоские наклоненные вниз в сторону, противоположную направлению течения реки, конструктивные элементы 4, прикрепленные 'в один или несколько ярусов к перфорированным диафрагмам-стяжкам 5. Площадь отверстий 6 в диафрагмах-стяжках должна составлять не менее 0,3 площади каждой диафрагмы. Угол наклона плоских элементов к горизонту должен быть равен = 30 -60о, при этом суммарная горизонтальная проекция наклонных элементов должна составлять 0,3 1,5 площади внутренней полости ЛЗО. Расположение наклонных элементов 4 должно учитывать понижение уровня воды в реке зимой, чтобы обеспечивать подъем масс вбды при самом низком уровне. Нижний конец диафрагм-стяжек 5 также должен быть постоянно погружен в воду.

Конструктивные элементы, предложенные в данном техническом решении, позволяют уменьшить либо полностью исключить внутреннее льдообразование. Движущийся поток воды в реке ударяется о плоский наклонный элемент 4 и поднимается вверх вдоль диафрагмы-стяжки 5 к водной поверхности. В результате этого во

внутренней полости ЛЗО 2 создается некоторый избыток давления и поступающие сюда массы глубинных вод начинают перемещаться внутри полости и через отверстия в диафрагмах поступают из одной секции в другую. Если уровень воды в реке в течение зимы понизится, то благодаря тому, что диафрагмы-стяжки выполнены перфорированными (отверстия б на Рис. бг), движение воды не будет прекращаться. Чем больше угол наклона плоских наклонных элементов 4 и больше скорость течение, тем больший объем глубинных вод поступает вверх во внутреннюю полость 7 ЛЗО. Непрерывное движение воды во внутренней полости 7 ЛЗО и подъем более теплых гпубин-ных вод к поверхности воды, где они, отдавая тепло нижней поверхности ледя-ного покрова (если он образовался), обеспечивают постоянное таяние льда и, в конце концов, при непрекращающейся подаче более теплой воды снизу могут привести к полному очищению ото льда поверхности веды во внутренней полости ЛЗО.

Применённая на построенных мостах и в двух рассмотренных выше изобретениях ЛЗО предусматривает использование только от 4 до 8 столбов. Однако, в практике мостостроения для пролётов более 140 м, либо при ширине проезжей части более 20 м, либо для ещё более суровых ледовых условий может возникнуть необходимость увеличения толщины стенки ЛЗО, и в случае слабых грунтов потребует увеличения числа свай в фундаменте, что повлечёт увеличение габаритов ЛЗО (более 500 т) и приведёт к практической неосуществимости данного технического решения. В практике мостостроения может возникнуть также необходимость сооружения опор-стенок, например для широких мостов либо на реках, эде недопустимо стеснение русла широкими опорами.

В связи с этим предложены три новые конструкции.

Первая из них содержит три и более ростверков, расположенных как вдоль течения реки, так иг поперёк, причём один из них вынесен выше по течению на дистанцию не более 2 м для дополнительной льдозащиты (Рис. бд).

Между собой ростверки соединены с помощью распорки 3, установленной выше уровня высокого ледохода. Каждая ЛЗО 2 обьемлет куст свай 4, головы которых заделаны в плиту 5, которая одновременно объединяет два и более ростверков 1. Один из ростверков 6 выполняет функцию ледореза. ЛЗО 2 выполнена' ромбовидной или эллипсовидной в плаке и разделена на секции посредством поперечных диафрагм-стяжек 7, которые делят полость таким образом, что в каждой секции расположено две и более свай 4.

Зависший лед между сваями 4 и в зазорах между соседними ЛЗО 2 может оказать давление на стенки ЛЗО 2 при повышении * температуры, однако, фактически при поперечном к течению расположении двух и более ростверков На конструкциях зависает л большая масса льда, связанная в тепловом отношении с водой через железобетон 2, свай 4 и диафрагм-стяжек 7. Эти конструкции являются проводниками тепла в зависший лед от воды, имеющей зимой положительную температуру. В результате колебания температуры льда и, следовательно, давление на стенки будут чрезвычайно малы:

Предлагаемое техническое решение ликвидировало противоречия, которые не позволяют применять первую конструкцию ЛЗО (Рис. 1) на мостовых переходах с пролетами более 140 м или при ширине проезжей части более 20 м.

Второе новое техническое решение снимает противоречие, возникающие при увеличении габаритов ЛЗО, другим способом. ' Предлагается членение ЛЗО на две автономные секции, при этом полость каждой секции содержит одну или несколько свай, каждая ^ секция или несколько смежных секций выполнены автономными с общей плитой ростверка, причем вертикальный зазор между секциями меньше или равен 20 мм (Рис. бе,ж).

В период ледостава уровень воды в реках, как правило, понижается. Вместе с ним опускается окружающий опору ледяной покров, но между сваями 4, а также в зазорах б между секциями ЛЗО 2 он зависает. В зазоре б между смежными секциями в процессе

льдообразования возникает давление на стенки в связи с увеличением объема замерзающей воды на 9%, но поскольку величина зазора ограничена (20 мм) каждая из автономных секций ЛЗО способна воспринять эти незначительные деформации без разрушения.

Третье новое техническое решение направлено на обеспечение возможности сооружения опор с однорядным высоким ростверком при сохранении всех преимуществ, которые имеют высокотехнологчные мостовые опоры с ЛЗО.

Сущность данного решения заключается в том, что мостовая опора включающая ряд свай с высоким ростверком и объемлющую их ЛЗО, повторяющую по внешней форме плиту ростверка, расположенные в переменном уровне воды н ледохода, причем ряды свай с высокими ростверками установлены друг за другом вдоль течения реки с зазором по всей высоте ростверков и соединены друг с другом посредством распорки, установленной выше уровня высокого ледохода, при этом каждый ростверк выполнен удлиненным в плане и ориентированным вдоль течения наибольшим своим размером, а в месте их соединения между распоркой и ростверкам установлена упругая водостойкая и морозоустойчивая прокладка, при 5 этом внутренняя полость каждой ЛЗО разделена на секции сплошными диафрагмами-стяжками, причем диафрагмы-стяжки установлены с горизонтальным воздушным зазором относительно низа плиты ростверка, а их нижний конец постоянно погружен в воду. При этом в каждой внутренней секции расположено по одной свае, а также могут быть пустые секции, без свай. В носовой и кормовой секциях сваи размещены таким образом, что на половине периметра зазор между сваей и внутренней поверхностью льдозащитной оболочки отсутствует. Сама опора содержит один, два и более ростверков, расположенных друг за другом вдоль течения реки, причем в случаях, когда ростверков два и более, один из них в&несен выше по течению на дистанцию не более 2 м йля дополнительной льдозащшы опоры (Рис.6 з).

Зависший лед между сваями 5 и в зазорах между ЛЗО 2 может

оказать давление на её стенки при повышении температуры, однако наличие пустых секций 6 и диафрагм-стяжек 4, низ которых постоянно находится в воде с положительной температурой, создает более мягкий микроклимат под плитой ростверка 1. В результате колебания температуры льда и, следовательно, давление на стенки будут малы, и возникающие растягивающие усилия будут восприниматься диафрагмами-стяжками 4.

Четвёртая глава посвящена исследованию проблем, которые возникают в процессе сооружения железобетонных ЛЗО при низких отрицательных температурах.

При круглогодичном производстве работ по сооружению опор учёт температурного фактора является необходимым гарантом качества и трещиностойкости монолитных железобетонных ЛЗО. В процессе исследования особое внимание уделено следующим вопросам:

В технологических регламентах должны быть отражены следующие моменты:

- какие температурные перепады опасны для данной конструкции;

- какие практические меры должны быть приняты для снижения опасности температурных перепадов;

- как контролировать динамику твердения бетона;

- в каких местах следует контролировать температуру твердения бетона;

- как назначить сроки начала бетонирования и распалубки очередного яруса ЛЗО, если сооружение поярусное;

- когда можно опускать в воду готовую конструкцию.

Решение поставленных вопросов потребовало проведения специальных теплофизических исследований, которые были выполнены автором в лаборатории ИТ ОАО ЦНИИС.

В результате было установлено и разработано следующее: - поярусное бетонирование ЛЗО в зимний период является очень ответственным и опасным в отношении трещинообразования, ему должно предшествовать проведение теплофизических исследований с разработкой специальных требований в технологических регламентах;

- тепловыделение в свежей кладке приводит к значительным перепадам температуры бетона как по толщине, так и по высоте даже при наличии теплозащитной оснастки. Наибольших значений они достигают через 2,5 суток после бетонирования (Рис. 7);

Х.сут

Рис. 7. Изменение температуры и нарастание прочности в "теплой" и"холодной" зонах свежей захватки ЛЗО.

- в нижней части забетонированного верхнего яруса вблизи границы со старой кладкой (кривые 2 на Рис. 7) температура бетона почти не повышается после укладки, а только падает, в результате чего имеет место значительное отставание процесса набора прочности;

- для обеспечения нормальных условий твердения бетона в ЛЗО в зимний период строительства в суровых климатических условиях необходимо в течение месяца поддерживать температуру воздуха в оснастке (теплозащитном ограждении) не менее +5 °С.

- прочность бетона в контрольных точках (т.е. в "теплой" и "холодной" зонах стенки ЛЗО) через месяц твердения достигает 84 91% от 1128. Таким образом, даже при последующей распалубке при низкой отрицательной температуре воздуха с возможностью замерзания бетона, уже обеспечена "критическая" прочность бетона более 70% от К28, что удовлетворяет требованиям нормативных документов.

Температурные напряжения в ЛЗО в процессе её возведения (бетонирования) возникают по двум причинам:

- от неравномерности температур по толщине стенки ЛЗО;

- от неравномерности температур по высоте ЛЗО (при переходе от ста рой к свежей кладке).

Как показал анализ работ, выполненных в ОАО ЦНИИС, от первой причины в стенках такой толщины (0,5 - 0,8 м) напряжения не могут быть опасными.

Только при распалубке конструкции при отрицательных температурах могут возникнуть некоторые проблемы трещиностойности. Тем не менее, соблюдение условий распалубки согласно нормативным документам нейтрализует эти проблемы.

Более важное значение имеет неравномерность температур по высоте, практически неизбежно возникающая вследствие перерыва в бетонировании двух последовательных захваток. Здесь свежеуложенный бетон очередной захватки твердеет при температуре более высокой, чем температура предыдущей захватки.В процессе выравнивания температур (после схватывания, первоначального

затвердевания и остывания) свежая кладка как бы натягивается на жестко связанную с ней и более холодную старую кладку. При этом в свежей кладке появляются растягивающие напряжения по всей толщине стенки ЛЗО, которые даже с учетом ползучести бетона составляют порядка 20 кгс/см2. Соответствующая величина вероятности трещинообразования достигает предельно допустимой величины Р(-) 10%.

Температурные напряжения аналогичного характера и почти такой же величины могут иметь место в готовой ЛЗО на этапе погружения еб в воду зимой. После такого погружения нижняя часть ЛЗО оказывается в воде, а верхняя - на воздухе, и под влиянием перепада температур в ней возникают температурные напряжения, растягивающие в надводной зоне и сжимающие - в подводной (Рис. 8 б).

Рисунок 8. Распределение температурных напряжений по высоте ЛЗО в процессе сооружения в зимний период (I н.в. --28.6" С):

а) в зоне сопряжения двух захваток, забетонированных в разное время (верхняя часть е тепляке, нижняя на открытом воздухе);

б) вблизи горизонта воды после опускания готовой ЛЗО частично в воду (верхняя часть на воздухе, нижняя в воде).

В процессе моделирования на ЭВМ данного технологического этапа было установлено следующие:

- температура в подводной зоне на глубине более 1 м быстро повыша- ется от -28,6 оСдоОоС (кривая 1);

- температура в надводной зоне на высоте более 1 м от уровня воды практически не меняется и остается приблизительно равной среднеянварской температуре воздуха -28,бо С;

- через неделю после погружения в воду процесс изменения температур затухает; температурный режим становится установившимся (стационарным); 1

- перепад температур (после погружения в воду) между подводной

и надводной частями ЛЗО менее, чем через 7 суток, возрастает от Оо С , до более, чем 28о С.

Именно этот температурный перепад, точнее, кривая температур по высоте, является главной причиной температурных напряжений, приведённых на Рис. 86. Вероятность трещинообразования также около 10%.

На основе этих исследований сделан вывод, что конструкции ЛЗО с утолщёнными стенками (0,8 м) могут применяться в рассмотренных климатических условиях (г. Игарка Красноярского края).

Определенную роль в возможном трещинообразовании играет также усадка бетона. В большей степени она проявляется летом, в меньшей степени - зимой, способствуя, отчасти, появлению трещин.

Для снижения температурных напряжений следует перерывы в бетонировании захваток сократить, а в холодный период года прогреть старую кладку (захватку) перед бетонированием на ней свежей « кладки. Для обеспечения трещиностойкости ЛЗО при погружении в воду зимой следует применять оболочки с утолщёнными стенками (0,8 м).

Для снижения вредного влияния усадки бетона весьма эффективно применение пленкообразующих влагозадерживающих покрытий, нанесенных на поверхность бетона.

Выполненные исследования показали допустимость применения

рассматриваемых конструкций ЛЗО не только в умеренных, но в более суровых климатических условиях, для которых автором разработана методика расчёта.

Пятая глава посвящена разработке методике мониторинга и комплекса контрольно-измерительной аппаратуры и приспособлений для проведения наблюдений внутри ЛЗО в процессе эксплуатации моста. Измерения следует проводить зимой один раз в меся1Г и в конце зимы, во время ледохода, когда толщина льда в полости ЛЗО достигает наибольших значений. Дается подробная меВДика проведения и фиксации результатов измерений. Измерительный комплекс состоит из трёх частей.

Во-первых, он включает новые, оригинальны приспособления, предназначенные для измерения толщины льда во внутренней полости и для контроля за формирования прослоек льда. Приспособления основаны на использовании низковольтного электричества и могут быть легко изготовлены силами эксплуатационной организации по расчетам и эскизам, приведенным в диссертации.

Второй составной частью измерительного комплекса являются приборы для измерения деформаций в бетоне и арматуре ЛЗО от воздействия льда. Применены струнные датчики (преобразователи), применяющиеся на гидростанциях (ПЛДС - для бетона и ПСАС - для арматуры). Принцип работы преобразователя основан на зависимости собственной частоты свободных колебаний струнного резонатора от его натяжения. В тело ЛЗО до бетонирования устанавливаются 8 датчиков ПЛДС и 4 датчика ПСАС.

Третьей составной частью измерительного комплекса являются приборы для измерения температуры льда. Предложены две системы. Первая, новой оригинальной конструкции, десятиточечная с термометрами сопротивления. Вторая, заводского изготовления - восьмиточечная с термопарами. Обе с погрешностью не боле 0,1 ° С.

Наблюдения с помощью разработанного комплекса следует начинать в момент сдачи моста в эксплуатацию. А затем вести вести регулярно каждую зиму. Целью регулярных наблюдений является

накопление сведений о текущем состоянии ЛЗО и своевременное выявление критического состояния, при котором необходимо принимать меры по предотвращению негативных последствий.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

1. Одним их элементов новой конструкции опор с высоким ростверком является льдозащитная оболочка (ЛЗО). Серьезным препятствием широкому применению новой конструкции является неизбежное льдообразование во внутренней полости ЛЗО. Оно вызывало опасение перед началом строительства мостов на Волге и Каме, и тем более это обстоятельство должно быть проанализировано в случае применения подобной конструкции в более суровых климатических условиях. Этой проблеме посвящена основная часть диссертационной работы.

2. Проанализированы особенности ледовых условий рек Севера и Северо-востока России, которые могут повлиять на несущую способность и долговечность ЛЗО. Натурными наблюдениями и методами математического моделирования произведена оценка наиболее вероятного взаимного положения ледяных пробок и окружающего ледяного покрова вокруг ЛЗО. На основе этих исследований разработана расчетная схема и методика оценки несущей способности ЛЗО при действии ледовой нагрузки.

3. Разработана методика определения величины внутреннего давления льда на стенки ЛЗО и получены его количественные значения для суровых климатических условий (р. Ангара, г. Иркутск). Методом конечного элемента выполнен статический расчет ЛЗО реальных размеров с ледяной пробной толщиной 2 м, который доказывает возможность применения конструкций в суровых климатических условиях.

4. Установлены закономерности льдообразования внутри ЛЗО при наличии организованных турбулентных потоков. Показано, что подъем придонных более теплых потоков воды в реке может быть использован для уменьшения и даже полной ликвидации льдообразо-

ванйя во внутренней полости Л$0. Длк1' применения в суровых климатических условиях' разработаны две конструкции, использующие этот эффект. Разработан также ряд новых конструкций ЛЗО длят различных условий применения.'

5. Разработан ряд новых конструкций ЛЗО для различных услоёий применения: для мостов с пролётами более 140 м, при Наличии слабых грунтов в основании и др.

6. Проведены теплофизические исследования технологии сооружения ЛЗО при низких отрицательных температурах с оценкой термонапряженного состояния на разных стадиях технологического процесса. Полученные результаты позволяют обеспечить качественное изготовление ЛЗО при круглогодичном строительстве.

7. Разработаны принципиальные положения методики наблюдений за льдообразованием в полости ЛЗО и ее сопротивляемостью ледовым воздействиям в процессе эксплуатации. Разработан комплекс аппаратуры и несложных приспособлений, которые рекомЬндуются для эксплуатационных организаций. ' '

8. Разработанные конструкции ЛЗО защищены двумя патентами РФ, еще четыре заявки поданы и находятся в стадии рассмотрения.

9. Результаты исследования использованы при разработке рабочей документации и строительстве мостов через р.Волгу у с. Пристанное и в г. Волгограде, р.Болду в Астраханской области, II пускового комплекса мостового перехода через р. Каму, у с. Сорочьи Горы на автодороге Казань-Чистополь-Бугульма (Республика Татарстан).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Данновцев А.Ф. Бычковский H.H. Конструкгивно-. технологический комплекс сооружения фундаментов русловых опор

на крупных реках. Труды IV Международной конференции по проблемам фундаментостроения, г. Пермь, 1994 г. Часть II, Стр. 137139. (Издательство Пермского Госуниверситета).

2. Данковцев А.Ф. Стыковка моста через р. Волгу на обходе г. Саратова. Ж. "Весгаик мостостроения", №1-2,2000.

3. Данковцев А.Ф., Величко В.П. Льдозащитные оболочки опор мостов для севера и северо-востока России. Российско-финский семинар "Ремонт и содержание мостов". (9-12 апреля 2002 г.). Доклады, г. Сургут, с. 103 - 108.

4. Данковцев А.Ф. Анализ льдообразования в полости льдозащитньтх оболочек мостовых опор при наличии организованных турбулентных потоков. Труды ЦНИИС, вып, № 213 "От гидравлического интегратора к современным компьютерам". М., 2002 г., с. 157 -166.

5. Харебава Ж.А. Данковцев А.Ф. Совершенствование конструкций свайных фундаментов мостовых глубоководных опор и технологии их сооружения. Ж. "Вестник мостостроения" М. № 3-4 2003 г.

6. Ликверман А.И., Величко В.П., Пассек В.В., Чепурнов К.Г., Данковцев А.Ф. и др. Патент на изобретение №2209870 "Мостовая опора". М. 10.08.2003 г.

7. . Ликверман А.И., Величко В.П., Пассек В.В., Чепурнов К.Г., Данковцев А.Ф. и др. Патент на изобретение №2209871 "Опора моста". М. 10.08.2003 г.

8 . Velichko V.P., Dankovtsev A.F. , Passek Vyach.V. Possibilities of Application of ise Deflectors around Bridge Piers on Mayor Watercourses in Northern Regions of Russia. PERMAFROST ENGINEERING. First International Symposium. Proceedings, vol. 1, Yakutsk, 2002, p.p. 239243.

i 32

Отпечатано издательством "Архитектор". Лицензия ИД № 03038 от 13.10.2000 г.

410028, Саратов, Мичурина, 112 Тел.: (8452) 23-63-49, (8452) 23-08-66

Технологический комплекс по сооружению опор моста

I - Платформа, 2 - колонка, 3 - рабочий мост, 4 - бурения машина, 5 - обсадная трубя, 6 - стальная защитная оболочки, 7 - ушнритсль

2SBÏzL Э 16 32 1

Введение

1. Актуальность, задачи и методика исследования

1.1. Обзор конструкций мостовых опор с ледорезами и льдозащитными ограждениями

1.2. Актуальность разработки новых конструкций мостовых опор с льдозащитными оболочками

1.2.1 Создание и развитие конструктивно-технологического комплекса сооружения фундаментов мостовых опор, приведшее к новой конструкции высоких ростверков с льдозащитными оболочками

1.2.2 Новая конструкция высоких свайных ростверков с льдозащитной оболочкой и новая технология их сооружения на Волжских и других мостах средней по. лосы России

1.2.3. Характеристика ледовых условий на реках Севера и Северо-востока России

1.2.4. Цель и задачи работы 62 1.3 Методика исследований

2. Исследование работы железобетонных льдозащитных оболочек на реках с ледоставом

2.1. Динамическое и статическое воздействие льда на льдозащитную оболочку

2.2. Оценка взаимного положения ледяных пробок и окружающего ледяного покрова на основе ранее выполненных натурных наблюдений

2.3. Теплофизические расчеты формирования ледяного покрова и ледяных пробок в замкнутой полости льдоза-щитных оболочек

2.4 Анализ льдообразования в полости при наличии организованных турбулентных потоков

2.5. Расчетная оценка давления льда внутри льдозащитной оболочки и ее несущей способности

Выводы по главе

3. Разработка новых конструкций льдозащитных оболочек для различных условий в мостостроении

3.1. Льдозащитная оболочка со струенаправляющими элементами

3.2. Льдозащитная оболочка для большого числа свай с дистанционным ледорезом

3.3. Бифункциональная льдозащитная оболочка.

Выводы по главе

4. Исследования условий сооружения железобетонных льдозащитных оболочек с предложениями по технологии

4.1 Температурный режим и динамика твердения бетона льдозащитной оболочки при ее возведении

4.2 Температурные и усадочные напряжения в стенках льдозащитной оболочки при ее возведении

4.3. Температурные перепады и напряжения в льдозащитной оболочке при погружении её в воду

4.4. Оснастка для сооружения льдозащитных оболочек

Выводы по главе

5. Особенности эксплуатации мостовых опор с льдозащитными оболочками в зимний период и предложения по комплексу контрольно-измерительной аппаратуры

5.1. Методика долговременных наблюдений за температурным режимом, процессами льдообразования и напряжениями в бетоне

5.2. Измерения толщины льда во внутренней полости льдо-защитной оболочки и контроль за формированием прослоек льда

5.3. Измерение деформаций в бетоне и арматуре льдозащитной оболочки от воздействия льда

5.4. Варианты термоизмерительной аппаратуры

Выводы по главе 5.

Актуальность. За последние 100 лет конструкция опор мостов и технология их сооружения на больших акваториях претерпели существенные изменения. Если в начале века и вплоть до начала 60-х годов в основном применялись кессоны и опускные колодцы в фундаментной части и крупные бетонные массивы с наклонными, облицованными гранитом ледорезами в надфундаментной части, то, начиная с крупных мостов в Китае (р.Янцзы и др.), широкое распространение получили опоры на сваях-оболочках с бетонными вертикальными водорезами.

Строительство мостов через реки и озера сопряжено, как правило, с пересыпкой пойм и русел, что приводит к загрязнению воды, наносит прямой ущерб водоемам, имеющим рыбохозяйственное значение.

Традиционная технология сооружения мостов изначально предполагает нарушение природной среды, а осуществляемые строителями работы по рекультивации земель, временно отводимых под стройплощадки, и последующая расчистка русел не обеспечивают полного восстановления их до первоначального состояния, т.е. восполняют причиненный ущерб природной среде лишь частично. В современных условиях, когда все более важным и социально значимым становится состояние окружающей среды, особую ценность приобретает отечественный опыт сооружения фундаментов опор.

В России совместными усилиями учёных ОАО ЦНИИС, проектировщиков (ОАО «Гипротрансмост») и строителей (ОАО «Врлгомост») выполнены работы по созданию новой конструкции фундамента мостовой опоры и технологии его сооружения в виде высо^рго свайного ростверка, включающего льдозащитную оболочку

JI30) с . вертикальным водорезом. Новый конструктивно-технологический комплекс внедрён на нескольких больших уникальных мостах и получил высокую оценку Правительства РФ. Автор принимал участие в разработках и внедрении с 1991 г.

При сооружении мостов на больших акваториях в этом случае применяются плавучие самоподъемные платформы ПМК-67.

В сравнении с широко применяемыми конструктивно-технологическими решениями (устройство островков и полуостровков в шпунтовом ограждении и др.) новые разработки не требуют выполнения котлованных работ и обеспечивают минимальное вмешательство в жизнь реки, наиболее полно отвечают мерам по охране окружающей среды.

Новая конструкция опор и новая технология их сооружения имеют также более выгодные технико-экономические показатели. По данным ОАО «Волгомост» (Мостострой № 3) экономия по металлу и бетону может составить свыше 200%, а по стоимости свыше 100% в сравнении с традиционными технологиями.

Назначение ЛЗО состоит в следующем:

- исключить некоторый объем бетона, а, следовательно, уменьшить вес опоры за счет устройства пустотелой конструкции в пределах части высоты ростверка;

- исключить обнажение буровых свай при низких уровнях воды, что улучшает эстетическое восприятие внешнего вида опоры;

- исключить истирающее воздействие льда на металлическую защитную оболочку буровых свай, что повысит ее коррозиостойкость, так как этот участок свай расположен в наиболее агрессивной зоне с точки зрения коррозии; уменьшить количество циклов замораживания и размораживания бетона свай за счет более длительного сохранения положительных температур и уменьшения амплитуды колебаний отрицательных температур воздуха в замкнутой полости внутри оболочки.

Обладая существенным преимуществом, конструкция не может быть применена повсеместно без проведения специальных исследований, так как в ней имеется полость в зоне льдообразования. Действующими нормами в мостостроении и гидротехнике не предусмотрен расчёт таких конструкций на внутреннее давление льда при его температурном расширении. С участием автора была обоснована возможность применения полых ЛЗО в опорах мостов на р. Волге и р. Каме, однако дальнейшее более широкое применение этих высокоэффективных конструкций сдерживает отсутствие научного обоснования и конструктивной проработки с учётом большого многообразия климатических и гидрологических условий, а так же размеров мостовых опор.

Актуальность данной работы определяется большим ожидаемым экономическим эффектом за счёт более широкого применения ЛЗО в мостах разных классов и систем с продвижением высокоэкономичной конструкции в более суровые климатические условия России, составляющие значительную часть её территории.

Таким образом, целью работы является теоретическое обоснование новых конструктивно-технологических решений ЛЗО и исследование их работы в различных климатических и гидрологических условиях.

Методы исследований. Исследование температурных климатических воздействий на железобетонную ЛЗО совместно с процессами тепловыделения при укладке и твердении бетона проведено методами математического моделирования. Исследование ледовых воздействий выполнено с учётом фазовых переходов вода-лёд.

Термонапряжённое состояние JI30 и её прочность оценена методами теории упругости. При этом был использован метод конечных элементов, а также алгоритмы и программы, разработанные в ОАО ЦНИИС и МАДИ. Достоверность теоретических исследований проверялась наблюдениями на строящихся мостовых переходов.

Научная новизна работы заключается в определении закономерностей льдообразования во внутренней полости ЛЗО в зависимости от климатических и гидрологических условий, в том числе с учётом турбулентности водного потока; в предложенных методах расчёта термоледового режима внутри ЛЗО; в научном обосновании новых конструкций ЛЗО, защищенных патентами.

Практическая значимость. На основании выполненных автором исследований разработаны новые конструктивно-технологические решения, включая особые условия сооружения и эксплуатации ЛЗО, в том числе при отрицательных температурах. Разработана методика наблюдений, набор технических средств и приспособлений, которые позволят обеспечить живучесть конструкции ЛЗО в построенных мостах.

Реализация результатов работы. Результаты работы реализованы при разработке рабочей документации и строительстве мостов через р.Волгу у с. Пристанное и в г. Волгограде, р.Болду в Астраханской области, I пускового комплекса мостового перехода через р. Каму у с. Сорочьи Горы на автодороге Казань-Чистополь-Бугульма (Республика Татарстан).

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на IV Международной конференции по проблемам свайного фундаментостроения (Пермь, 1994 г.)), на Российско-финском семинаре «Ремонт и содержание мостов» (Сургут, 2002 г.), на 5-ом Международном симпозиуме «PERMAFROST ENGINEERING» (Якутск,

2002 г.), на Конференции аспирантов и соискателей ОАО ЦНИИС (Москва, 2002 г.), на секции «Строительство и реконструкция искусственных сооружений Ученого совета» ОАО ЦНИИС (2003 г.).

Достоверность полученных результатов подтверждается опытом эксплуатации построенных мостов на реках Волге и Каме, а также решениями ФИПС о выдаче патентов на новые конструкции J130.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе получены два патента на изобретение. Кроме того, результаты работы автора отражены в научно-техническом отчете ОАО ЦНИИС, где диссертант являлся одним из руководителей. Автор выражает благодарность научному консультанту, руководителю лаборатории ИТ, доктору технических наук В.В. Пассеку и всем сотрудникам этой лаборатории за методическую помощь в подготовке диссертации.

1. АКТУАЛЬНОСТЬ, ЦЕЛЬ, ЗАДАЧИ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

9. Результаты исследования использованы при разработке рабочей документации и строительстве мостов через р.Волгу у с. Присланное и в г. Волгограде, р.Болду в Астраханской области, II пускового комплекса мостового перехода через р. Каму у с. Сорочьи Горы на автодороге Казань-Чистополь-Бугульма (Республика Татарстан).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Появлению новой конструкции мостовых опор предшествовал долгий путь, в течение которого конструкция и технологии их сооружения претерпевали качественные изменения. Данный процесс протекал также под влиянием других сопутствующих факторов: регулирование стока рек гидросооружениями, применение в мостостроении новых материалов и новых механизмов. В результате от массивных монолитных бетонных опор с наклонными ледорезами, облицованными штучным камнем мостостроение пришло к облегченным железобетонным опорам на буровых столбах с высоким ростверком в виде пустотелой льдозащитной оболочки с вертикальным водорезом.

Одним их элементов новой конструкции опор с фундаментом на высоком свайном ростверке является льдозащитная оболочка (ЛЗО). Серьезным препятствием широкому применению новой конструкции является неизбежное льдообразование во внутренней полости ЛЗО. Оно вызывало опасение перед началом строительства мостов на Волге и Каме, и тем более это обстоятельство должно быть проанализировано в случае применения подобной конструкции в более суровых климатических условиях. Этой проблеме посвящена основная часть диссертационной работы.

2. Проанализированы особенности ледовых условий рек Севера и Северо-востока России, которые могут повлиять на несущую способность и долговечность ЛЗО. Натурными наблюдениями и методами математического моделирования произведена оценка наиболее вероятного взаимного положения ледяных пробок и окружающего ледяного покрова вокруг ЛЗО. На основе этих исследований разработана расчётная схема и методика оценки несущей способности ЛЗО при действии ледовой нагрузки.

3. Разработана методика определения величины внутреннего давления яьда на стенки ЛЗО и получены его количественные значения для суровых климатических условий (р. Ангара, г. Иркутск). Методом конечного элемента выполнен статический расчет ЛЗО реальных размеров с ледяной пробкой толщиной 2 м, который доказывает возможность применения конструкций в суровых климатических условиях.

4. Установлены закономерности льдообразования внутри ЛЗО при наличии организованных турбулентных потоков. Показано, что подъем придонных более теплых потоков воды в реке может быть использован дщ уменьшения и даже полной ликвидации льдообразования во внутренней полости ЛЗО. Разработаны две конструкции, использующие этот эффект.

5. Разработан ряд новых конструкций ЛЗО для различных климатических и инженерно-геологических условий применения: для мостов с пролётами более 140 м, при наличии слабых грунтов в основании и др.

6. Проведены теплофизические исследования технологии сооружения ЛЗО при низких отрицательных температурах с оценкой термонапряженного состояния на разных стадиях технологического процесса. Полученные результаты позволяют обеспечить качественное изготовление ЛЗО при круглогодичном строительстве.

7. Разработаны принципиальные положения методики наблюдений за льдообразованием в полости ЛЗО и ее сопротивляемостью ледовым воздействиям в процессе эксплуатации. Разработан комплекс аппаратуры и несложных приспособлений, которые рекомендуются для эксплуатационных организаций.

8. Разработанные конструкции ЛЗО защищены двумя патентами РФ, еще четыре заявки поданы и находятся в стадии рассмотрения.

1. Анисимов Н.И. Водохранилшцные плотины. Руководство для транспортных ВТУЗов. ОГИЗ-Гострансиздат, М., 1931.

2. Антонов Е.А. Инструкция по технологии сооружения столбов тела промежуточных опор моста через р. Волгу Мостовой переход через р. Волгу у с. Пристанное Саратовской области (I очередь строительства). Научно-технический отчет, М., ЦНИИС, 1993.

3. Баланин В.В., Бородин Б.С., Мелконян Т.И. Использование тепла глубинных вод водоемов. М., «Транспорт», 1964.

4. Берденников В.П. Расчет действия раздробленного льда на сооружения. В кн.: «Труды координационных совещаний по гидротехнике». Вып. XVH «Воздействия льда на сооружения и методы борьбы с ледовыми затруднениями». Изд. «Энергия», М. Л., 1965, стр. 20-24.

5. Бодров Г.Д., Левый Г.М. О трещинах в полых железобетонных сваях. Автомобильные дороги., № 3, 1963.

6. Бычовский Н.Н., Данковцев А.Ф. Конструктивно-технологический комплекс сооружения фундаментов русловых опор на крупных реках. Труды IV Международной конференции по проблемам свайногофундаментостроения. Часть П. Пермь, 1994.

7. Василисков И.А. Готлиб Я.Л., Займин Е.Е., Смолин Н.И. Изучение зимнего режима рек при гидротехнических изысканиях. Гос. энергетическое издательство, М. Л., 1962.

8. Вейнберг Б.П. Свойства, возникновение и исчезновение льда. Госиздат, 1940.

9. Величко В.П. Давление ледяных пробок в полых железобетонных оболочках. Сб. научных трудов ЦНИИС, вып. 36, М., 1970, стр. 63-70.

10. Величко В.П. Обратная задача определения вязкости льда по экспериментальным данным о температурах и напряжениях в ледяном покрове. Материалы третьей научно-технической конференции молодых исследователей. Изд-во ЦНИИ, М., 1967, стр. 52-53.

11. Величко В.П., Пассек В.В. Льдообразование и полостях опор мостов и прогноз внутреннего давления льда. В кн.: «Материалы Первой конференции геокриологов России», МГУ им. М.В. Ломоносова. Книга 3. Инженерная геокриология. М., 1996, стр. 198-205.

12. Винников С.Д., Проскуряков Б.В. Гидрофизика (физика вод суши). Гидрометиоиздат, Л., 1988.

13. Геращенко О.А. Федоров В.Г. Тепловые и температурные измерения. Справочное руководство. «Наукова думка», Киев, 1965.

14. Глотов Н.М., Силин К.С. Строительство фундаментов глубокого заложения. -М.: Транспорт, 1985.

15. Гордов А.Н. и др. Точность контактных методов измерения температуры. М. Изд. Стандартов, 1976, стр. 230.

16. Данковцев А.Ф. Стыковка моста через р. Волгу на обходе г. Саратова. Вестник мостостроения, №1-2, 2000.

17. Данковцев А.Ф., Величко В.П. Льдозащитные оболочки опор мостов для севера и северо-востока России. Российско-финский семинар «Ремонт и содержание мостов». (9-12 апреля 2002 г.). Доклады, г. Сургут, с. 103- 108.

18. Данковцев А.Ф. Анализ льдообразования в полости льдозащитных оболочек мостовых опор при наличии организованных турбулентных 'потоков. Труды ЦНИИС, вып. № 213 «От гидравлического интегратора к современным компьютерам». М., 2002 г., с. 157 166.

19. Друэн М. (Канада). Лабораторные исследования термического давления льда. МАГИ Симпозиум « Лед и его воздействие на гидротехнические сооружения». Л., 1972, стр. 80-91.

20. Заявка на изобретение: «Опора моста с льдозащитной оболочкой», Приоритет 19.11.97.

21. Ильинский В.М. Строительная теплофизика. (Ограждающие конструкции и микроклимат зданий). Изд-во «Высшая школа», М., 1974

22. Каменцев В.П., Мойжес JI.B. Современные методы бетонных работ при строительстве мостов. М., «Транспорт», 1972.

23. Киеня М.А., Лихошерстный Н.Н. Постройка опор Саратовского моста. М., «Трансжелдориздат», 1934.

24. Комаровский А.Н. Действие ледяного покрова на сооружения и борьба с ним. НКТП СССР, Госэнергоиздат, М. Л., 1932.

25. Коржавин К.Н. Воздействие льда на инженерные сооружения. Изд-во СО АН СССР, Новосибирск, 1962.

26. Кручинкин А.В. Сборно-разборные мосты. Изд-во "Транспорт", М., 1987.

27. Линейные деформации в металле и бетоне. Методика выполнекия измерений измерительными преобразователями типа ПЛДС-150. Изд. ВНИИФТРИ, М, 1995.

28. Лисер И .Я. Влияние условий замерзания на толщину ледяного покрова рек. Труды транспортно-энергетического института. Вып. 15. «Ледотермический режим рек Сибири и его изменение при строительстве ГЭС». СО АН СССР, Новосибирск, 1964, стр. 29-35.

29. Лукьянов B.C., Денисов И.И. Защита бетонных опор мостов от температурных трещин. Трансжелдориздат, 1959.

30. Методические указания по расчету температурных и усадочных напряжений в железобетонных цилиндрических опорах мостов, Ротапринт ЦНИИС, М., 1979, 81 стр.

31. Миронов С.А. Теория и методы зимнего бетонирования. М., Гостройиздат, 1956.

32. Мостовая опора. Заявка на изобретение РФ № 2001134718/03, приоритет от 24.12.2001. Решение о выдаче патента от 03.03.2003.

33. Невилль A.M. Свойства бетона. Пер. с англ. М. Стройиздат, 1972.

34. Опора моста. Патент РФ № 2209871, приоритет от 24.12.2001. Зарегистрирован в Госреестре 10.08.03.

35. Панов Б.П. Зимний режим рек СССР. Изд. Ленинградского Университета, 1960.

36. Панфилов Д.Ф. О давлении льда при изменении температуры, вып. XVII. Изд-во «Энергия», М. Л., 1965.

37. Панфилов Д.Ф. О давлении льда при изменении температуры. В кн.: «Труды координационных совещаний по гидротехнике». Вып. XVII «Воздействия льда на сооружения и методы борьбы с ледовыми затруднениями». Изд. «Энергия», М. Л., 1965, стр. 256-265.

38. Пассек В.В. Научные основы эффективного учета и использования тепловых процессов при строительстве мостов и железных дорог. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. М., ЦНИИС, 1998.

39. Пассек В.В. Метод приближенного решения теплофизических задач транспортного строительства с трудно регулируемыми условиями. В кни.: Сб. научных трудов ЦНИИСа. М., ЦНИИС, 1995, с. 126+135.

40. Пассек В.В. Расчет наЭВМ трехмерных температурных полей в транспортных сооружениях. Транспортное строительство, 1978, № 10, с. 37-38.

41. Пассек В.В. Совершенствование методик расчета температурного режима грунтов. В кн.: Теплофизические исследования транспортных сооружений, вып. 72. М., ЦНИИС, 1974, с. 11+47.

42. Патент России RU 2167237 С1, «Однорядная столбчатаяя опора моста», Приоритет 24.1.00.

43. Патент России RU 2166578 С1, «Однорядная столбчатаяя опора моста», Приоритет 24.1.00.

44. Патент России RU 2099467 С1, «Опора моста с ледозащитной оболочкой», Приоритет 17.05.96.

45. Пертруничев Н.Н. Статическое давление льда на сооружения. В кн.: «Ледотермические вопросы в гидроэнергетике», Гос. Энергетическое издательство, М.-Л., 1954.

46. Петруничев Н.Н. Статическое давление ледяного покрова на гидротехнические сооружения. В сб. докладов конференции ВНИИГ им. Веденеева. Госэнергоиздат, Л., Доклад № 25, 1957.

47. Пехович А.И., Жидих В.М., Расчеты теплового режима твердых тел. Энергия, Л., 1968.

48. Пехович А.И., Разговорова Е.Л. Расчет давления, возникающего при замерзании воды в замкнутых полостях гидротехнических сооружений. Тр. координационных совещаний по гидротехнике. Вып. 117, Гидротехника Крайнего Севера, Л., 1977, с. 211-214.

49. Платонов Е.В. Опоры мостов. Трансжелдориздат. М., 1935.

50. Поладько В.В. Электрические термометры сопротивления для геокриологических исследований. АН СССР, М., 1962, стр. 94.

51. Предложения по расчету незаполненных цилиндрических железобетонных оболочек на внутреннее давление ледяных пробок. Ротапринт ЦНИИС, м., 1970, стр. 11 (Переиздание 1972г.).

52. Приходько В.В. Электрические термометры сопротивления для геокриологических исследований. АН СССР, М., 1962.

53. Проскуряков Б.В. Статистическое давление льда на сооружения. Труды Государственного гидрологического института. Вып. 4 (58), JT„ 1948.

54. Разработка и изготовление средств измерения температуры грунта. Научно-технический отчет Сиб ЦНИИС. Новосибирск, 1982, стр.79.

55. Разработка методики и аппаратуры для оценки водно-теплового режима грунтов и водных потоков в условиях строительства БАМ. Научно-технический отчет СибЦНИИС. Новосибирск, 1977, стр.85.

56. Руководство по зимнему бетонированию с применением метода термоса. М., Стройиздат, 1975.

57. Руководство по определению нагрузок и воздействий на гидротехнические сооружения (волновых, ледовых и от судов). П 58-76. ВНИИГ, Л., 1977.

58. Руководство по производству бетонных работ в зимних условиях районах дальнего Востока, Сибири и Крайнего Севера. М., Стройиздат, 1982.

59. Руководство по производству бетонных работ в условиях сухого жаркого климата. М., Стройиздат, 1977.

60. Руководство по производству бетонных работ. М., Стройиздат,1975.

61. Рымша В.А., Донченко Р.В. Характеристики условий образования и роста льда при быстром замерзании рек и водохранилищ. Труды государственного гидрологического института. Вып. 110, Гидрометеоиздат, Л. 1964, стр. 22-34. Библ. 9 назв.

62. Сила растяжения (сжатия) арматуры железобетонных конструкций. Методика выполнения измерений измерительнымипреобразователями ПСАС и ПСАС-М. (Отраслевой руководящий документ), Минэнерго, М., 1992г.

63. Силин К.С., Глотов Н.М., Завриев К.С. Проектирование фундаментов глубокого заложения. М.: Транспорт, 1981.

64. Сокольников Н.М. В кн.: «Труды координационных совещаний по гидротехнике». Вып. XVII «Воздействия льда на сооружения и методы борьбы с ледовыми затруднениями». Изд. «Энергия», М. Л., 1965, стр. 7986.

65. Строительные нормы и правила. СНиП 2.01.07-85 Строительная климатология и геофизика, Стройиздат, М., 1985.

66. Строительные нормы и правила. СНиП 2.05.03-84*. Мосты и трубы. М., Госстрой, 1992.

67. Строительные нормы и правила. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов). СНиП 2.06.04-82. Стройиздат, М., 1983.

68. Строительные нормы и правила. Строительная климатология и геофизика. СНиП 2.01-01-82. Стройиздат, М., 1983.

69. Теплофизические расчеты и предложения по устройству ледозащитной оболочки на русловых опорах моста через р. Каму у с.

70. Сорочьи Горы на автодороге Казань Чистополь - Бугульма - Оренбург. Отчет ОАО ЦНИИС по теме ЦЛИТ 95-53-66, машинопись, 14 стр, 1995.

71. Теплофизические расчеты русловой опоры моста через р. Волга у с. Пристанное для реальных условий зимы 1995/1996 г. С оценкой величены давления льда (дополнительные материалы по теме ЦЛИТ-93-3-815). Дог. №50/96 УНПО «Север», М., 1996г.

72. Тимошенко С.П., Войновский-Кригер С. Пластинки и оболочки. М., «Наука», 1966.

73. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости (пер. с англ.), М., «Наука», 1975. ' ,

74. Цернант А.А. Функциональная классификация методов и устройств для управления тепловым режимом грунтовых массивов в криолитозоне. Труды ОАО ЦНИИС, вып. 213. М., 2002.

75. Цернант А.А., Крафт Я. С. Методика расчета тепловых амортизаторов в конструкциях земляного полотна для районов вечной мерзлоты. Труды ОАО ЦНИИС, вып. 216. М., 2003.

76. Цимеринов А.И. Учет влияния ползучести бетона при анализе термонапряженного состояния элементов мостовых опор. Сб. научных трудов ЦНИИС, №77, 1974.

77. Цимеринов А.И. Эффективный метод борьбы с трещинообразованием. «Транспортное строительство». №4, 1987.

78. Цимеринов А.И. О расчете бетонных и железобетонных опор на влажностные воздействия с применением метода гидравлических аналогий. В сб. «тепло- и массоперенос при новых способах теплового воздействия на твердеющий бетон», Киев, «Будивельник», 1973.

79. Цимеринов А.И. Эффективный способ борьбы с трещинообразованием. «Транспортное строительство», 1987, №4.

80. Экспресс-информация «Путь и строительство железных дорог». М., ВИНИТИ, 1974, № 22, с. 28-30.

81. Юша Н.Д., Попов Ю.А. Способ измерения температуры в натурных условиях. Авт. Свид. №481796, «Бюллетень изобретений», 1975, № 31.

82. Hogg A.D. Ise pressure against dams. Some investigations in Canada. ASCE, Proceedings, v. 78, Separate N 161, 1952, p.p. 1-4.

83. Dronin M. Laboratory investigation on ice thermal pressures. Proc. 2nd Ice Symposium, Leningrad, 1972, p. 72-80.

84. Lofquist B. Ice pressure against dams: studies of the effects of temperature variations. Proceedings of ASCE, v 78, №160, 1952.

85. Rose E. Thrust Exerted by Expanding Ice Sheet. Trans. ASCE, vol. 112, 1947.

86. Royen N. Istryck temperatur hogningar. Hillminskrift, Stockholm,1922.