автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Обоснование рациональных параметров сталежелезобетонных двухпилоных автодорожных вантовых мостов с вантами по схеме "веер"

На правах рукописи

Зайяр Мин Шве

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ДВУХПИЛОНЫХ АВТОДОРОЖНЫХ БАЙТОВЫХ МОСТОВ С ВАНТАМИ ПО СХЕМЕ «ВЕЕР»

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 ОКТ 2013

Москва - 2013

005533852

005533852

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

Научный руководитель: - доктор технических наук, профессор

Саламахин Павел Михайлович

Официальные оппоненты: - доктор технических наук

Платонов Александр Сергеевич

- кандидат технических наук, начальник ОИС, главный инженерпроекта ОАО «Союздорпроект» Решетников Владимир Григорьевич

Ведущая организация: - ОАО «Гипротрансмост»

Защита диссертации состоится 17 октября 2013 г. в ...... часов на

заседании диссертационного совета Д.212.126.02 ВАК РФ при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» по адресу: 125319, Москва, Ленинградский проспект, 64, ауд. 42. Телефон для справок (499) 155-93-24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью огранизации, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Копию отзыва просим прислать на E-mail: uchsovet@madi.ru

Автореферат разослан «16» сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, профессор, канд. техн. наук

/Н.В. Борисюк/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Актуальность работы для республики Мьянмы

определяется возрастающей во времени необходимостью строительства

мостов через её реки шириной до 1 км, протекающие, в основном, с севера на

юг и разделяющие западные и восточные районы страны. Для обеспечения

успешного экономического развития этих районов необходимо строить

автомобильные дороги, которые пересекают эти реки и строить мосты через

них.

В настоящее время в мировом мостостроении находят все более широкое применение вантовые мосты, позволяющие своими пролетами перекрывать широкие и глубокие водные преграды. Значительный интерес к применению вантовых мостов с вантами по схеме «веер» проявляется в последние годы в Мьянме. Наблюдается тенденция к их более широкому применению. На этапе их вариантного проектирования весьма важно выбрать из их возможных решений те варианты, которые удовлетворяет критерию оптимальности по минимуму стоимости используемых в них материалов. Эта задача может быть с успехом решена с применением персональных компьютеров, если в основу алгоритма их работы заложить логику действий инженера-проектировщика.

Настоящая диссертация является продолжением цикла научно-исследовательских работ, выполняемых на кафедре мостов и транспортных тоннелей МАДИ в последние 16 лет, направленных на разработку программ автоматизированного проектирования различных мостовых сооружений и на разработку рекомендаций по обоснованию рациональных значений их независимых параметров на стадии их вариантного проектирования.

Цель работы. Обоснование рациональных параметров сталежеле-зобетонных двухпилонных автодорожных вантовых мостов с вантами по схеме «веер» для Мьянмы с помощью разработанной программы их автоматизированного проектирования .

Задачи работы;

1. Выявить особенности обобщенной конструктивной схемы , расчетного модуля и программы автоматизированного проектирования сталежелезобетонных двухпилонных вантовых мостов с вантами по схеме «веер» с учетом расчетных и конструктивных к ним требований действующих норм проектирования (СНиП 2.05.03-84*).

2.Разработать блок-схему программы автоматизированного проектирования сталежелезобетонных двухпилонных вантовых автодорожных мостов с вантами по схеме «веер» с использованием расчетного модуля на основе МКЭ с учетом основных требований (СНиГТ 2.05.0384*).

3.На основании результатов по п.1 и 2 разработать и отладить программу автоматизированного проектирования сталежелезобетонных двухпилонных вантовых автодорожных мостов с вантами по схеме «веер», которая может быть использована в практике их вариантного проектирования.

4.С помощью разработанной программы автоматизированного проектирования выполнить исследование влияния независимых параметров двухпилонных сталежелезобетонных вантовых мостов с вантами по схеме «веер» на стоимость и массу используемых в них материалов.

5.Разработать рекомендации по выбору оптимальных значений независимых параметров конструктивных решений двухпилонных вантовых мостов с вантами по схеме «веер» по критерию минимальной суммарной стоимостью используемых в них материалов на стадии их вариантного проектирования.

Объект исследования. Сталежелезобетонные двухпилонные вантовые автодорожные мосты со вантами по схеме «веер».

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

1.Разработана и тестирована программа автоматизированного проектирования сталежелезобетонных двухпилонных вантовых мостов с вантами по схеме «веер» .

2.С помощью разработанной программы автоматизированного проектирования выполнено исследование влияния независимых параметров сталежелезобетонных двухпилонных вантовых мостов с вантами по схеме «веер» на массу и стоимость используемых в них материалов.

3. Разработаны рекомендации по выбору оптимальных значений независимых параметров конструктивных решений двухпилонных вантовых мостов с вантами по схеме «веер» по критерию минимальной суммарной

стоимостью используемых в них материалов на стадии их вариантного проектирования. '

Практическая ценность и значимость работы: заключается в том,

что:

Разработанная программа автоматизированного проектирования сталежелезобетонных двухпилонных вантовых автодорожных мостов с вантами по схеме «веер» позволяет определять их оптимальные параметры с оптимизацией их проектного решения по минимуму суммарной стоимости и массы использованных материалов, повысить качество проектной документации и сократить срок проектирования. Эффективность работы определяется возможностью повышения производительности труда проектировщиков на этапе вариантного проектирования за счет использования современной вычислительной техники в режиме тесного общения инженера - проектировщика с персональным компьютером.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту;

1.Обобщенная конструктивная форма сталежелезобетонных двухпилонных вантовых мостов с вантами по схеме «веер» и блок-схема программы их автоматизированного проектирования с использованием расчетного модуля на основе МКЭ с учетом основных требований СНиП 2.05.03-84*.

2.Программа автоматизированного проектирования сталежелезобетонных двухпилонных вантовых автодорожных мостов с вантами по схеме «веер» с реализацией расчетной её части на основе МКЭ .

3.Результаты исследования влияния независимых параметров сталежелезобетонных двухпилонных вантовых мостов с вантами по схеме «веер» на стоимость и массу используемых в них материалов.

4.Рекомендации по выбору оптимальных значений независимых параметров конструктивных решений двухпилонных вантовых мостов с вантами по схеме «веер» по критерию минимальной суммарной стоимостью

используемых в них материалов на стадии их вариантного проектирования .

5

Степень обоснованности и достоверности научных положений:

Обоснованность и достоверность научных положений, результатов и выводов, содержащихся в работе, определяется тем, что в качестве инструмента исследований была использована программа, расчетный и проектирующий модули которой были тестированы путем сравнения результатов расчета с результатом расчета по общепризнанным программам.

Апробация работы и публикации по теме диссертации:

Основные результаты работы опубликованы в 2 статьях, доложены и одобрены на ежегодных научно-технических конференциях (2012-2013г) Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 136 страницах текста и включает в себя введение, пять глав, заключение, 56 рисунков, список литературы из 109 источников .

Во введении обоснована актуальность темы диссертации и приведены основные её результаты, выносимые на защиту.

В первой главе приведены сведения о применении вантовых мостов в

Мьянме, выполнен анализ состояния автоматизации проектирования автодорожных мостовых сооружений, приведена концепция автоматизированного их проектирования, сформулированная профессором Саламахиным П.М., произведен выбор критерия оптимальности мостовых сооружений при автоматизации их проектирования, сформулированы цель и основные задачи работы.

Отмечено применение первых трех вантовых мостов с вантами по схеме «веер» в Мьянме. (мост Аттаран, мост Маха Вандонла , мост Аиндг Зайяр).

Приведены сведения о развитии автоматизированного проектирования мостовых сооружений в России и других странах, отмечены различия.

В последние 16 лет в МАДИ аспирантами кафедры мостов и транспортных тоннелей под руководством профессора Саламахина П.М. выполнен ряд работ по автоматизированному проектированию мостов (аспиранты Джха Виджай Кумар, Новодзинский A.JL, Jle Тху Хэонг, Ализаде Шахраи, Нг^ен Тхак Куанг, Нгуен Нам Xa,JIe Ван Мань,Нгуен Мань Тхыонг, Зыонг Тхе Ань, Ле Мань Хан) и аспирантом кафедры строительной механики Мохаммедом Эльтантави Эльмадави Авад под руководством профессора Демьянушко И.В.

Отмечено, что в последние десятилетия во многих странах мира находят широкое применение расчетные комплексы, основанные на использовании метода конечных элементов, для строгого пространственного расчета разнообразных проектируемых мостовых сооружений. Наибольшую известность и применение в разных странах получают расчетные комплексы Sofistik, MiDas, Kosmos, Nastran, SAP2000. Следует особо отметить, что для выполнения расчета мостового сооружения с помощью любого из этих комплексов необходимо знать размеры всех элементов проектируемого сооружения. Но размеры любого нового сооружения в начале проектирования не известны, кроме того к сооружениям различной конструктивной формы по нормативным документам предъявляются разнообразные конструктивные требования, учесть которые можно лишь при разработке программы автоматизированного проектирования, ориентированной на проектирование мостового сооружения определенной конструктивной формы. Для реализации метода последовательных приближений к искомым размерам элементов сооружения, удовлетворяющим условиям прочности, жесткости, местной и общей устойчивости к этим расчетным комплексам необходимо создавать дополнительные программы, которые должны быть различными для конструкций различной формы и системы. Если судить по опубликованным материалам результатов проектирования мостовых сооружений с помощью упомянутых расчетных комплексов, то складывается представление, что с их помощью выполняется лишь строгий расчет с использованием заданных

размеров без необходимого количества шагов изменения искомых размеров и их оптимизации.

Во второй главе разработаны обобщенная конструктивная форма сталежелезобетонных двухпилонны х вантовых мостов с вантами по схеме «веер» и блок-схема программы их автоматизированного проектирования .

В качестве обобщенной конструктивной формы сталежелезобетонных двухпилонных вантовых мостов принят вантовый мост (рис 1), состоящий из двух металлических пилонов, сталежелезобетонной балки жесткости и произвольного количества вант, прикрепленных к узловым точкам балки жесткости к пилонам по схеме «веер». Кроме того, верх пилонов прикреплен специальными крайними вантами- оттяжками к неподвижным точкам в телах устоев.

Рис. 1. Обобщенная схема байтового моста Узлы крепления вант к балке жесткости по всей её длине располагаются на равных расстояниях с1, при этом в пределах крайних пролетов может быть по т узлов, а в пределах среднего пролета 2к + 1 узлов, где шик произвольные числа. В середине основного пролета находится узел, порядковый номер которого равен (ш+к)+1, к которому ванты не присоединяются. Общее количество узлов составляет Н=2(т+к)+1, при этом Ы=ш<1 , Ь2=2(к+1 )<1 а Ь0=2(к+1)ё+2тс1=2(т+к+1)с1. Узлы крепления вант к пилонам по их высоте располагаются на равных расстояниях с.

Сталежелезобетонная балка жесткости принята с поперечным сечением,

имеющем две металлические коробки с наклонными стенками(Рис.2),

верхний пояс которых объединяется с железобетонной плитой по способу

к.т.н. Решетникова В.Г (Рис.3)( металлические полосы с гибкими

цилиндрическими упорами), и нижний пояс в виде ортотропной плиты.

Рис.2. Обобщенная форма поперечного сечения балки жесткости в плоскости поперечных банок проезжей части

Рис.3.Конструкция стыка металлической главной балки и железобетонной плиты по способу к.т.н. Решетникова В.Г (1-верхняя сетка арматуры; 2-нижняя сетка армамуры;3-анкерный стержень "коротыш";4-стяжки;5-

гребенчатый упор) Стенки балок укреплены поперечными ребрами жесткости с шагом Ь для обеспечения их местной устойчивости, по которым размещены поперечные балки проезжей части. В плоскостях крепления вант балки жесткости объединяются диафрагмами(Рис.4)

Рис. 4. Обобщенная форма поперечного сечения балки жесткости в плоскости крепления вант

Принято , что на левом устое балка жесткости имеет неподвижную, а на правом устое- подвижную опорные части. Балка жесткости не опирается непосредственно на пилоны во избежание возникновения значительных отрицательных изгибающих моментов, в узлах m и m+2(k+l) она подвешена на вертикальных вантах, линейной жесткости которых можно будет придавать различное значение, что позволит моделировать пилон и как жесткую опору.

Обобщенная конструктивная форма поперечного сечения пилона принята в виде двух ветвей, установленных на расстоянии ВО , каждая из которых принята в виде прямоугольной коробки высотой Вх и шириной Ву. Боковые стенки этой коробки выполнены из стального листа толщиной dst, укрепленного продольными и поперечными ребрами. Расстояние между продольными ребрами L30 ветви пилона принимается из условия обеспечения устойчивости листа, а расстояние между поперечными ребрами L20 из условия минимального расхода материала.

Размеры всех элементов пролетного строения и пилонов вантового моста будут определяться с учетом удовлетворения условий прочности и жесткости, местной устойчивости элементов под воздействием возникающих силовых факторов.

В третьей главе приведена последовательность реализации разработанной блок-схемы программы автоматизированного проектирования моста и обоснования принимаемых размеров его элементов.

Четвертая глава содержит проверку правильности работы разработанной программы автоматизированного проектирования моста . Правильность работы программы определения сжимающих усилий и изгибающих моментов по высоте пилонов, прогибов, изгибающих моментов и поперечных сил по длине балки жесткости, усилий в вантах и оттяжках, осуществлялась путем сравнения их значений со значениями, полученными с использованием расчетного комплекса Midas. Кроме того, правильность решения осуществлялась и путем качественной оценки характера эпюры прогибов при различных схемах загружения пролетного строения.

10

Аналогично проверялась правильность работы блоков вычисления расчетных силовых факторов во всех точках по длине балки жесткости и выбора их максимальных значений при всех принимаемых вариантах загружения пролетного строения временными нагрузками.

Логичность качественной картины изменения прогибов балки

жесткости, изгибающих моментов в ней, усилий в пилоне, а также усилий в вантах при разных схемах загружения позволила сделать вывод о правильной работе расчетной части программы проектирования двухпилонного вантового моста с вантами по схеме « веер».

В пятой главе с помощью разработанной программы автоматизированного проектирования произведено определение оптимальных значений независимых параметров сталежелезобетонных вантовых мостов с вантами по схемой «веер» по критерию минимальных веса и стоимости, используемых материалов.

В качестве искомых независимых параметров двухпилонного вантового моста приняты: количество узловых точек на балке жесткости тик; величина угла наклона наиболее удаленной от пилонов ванты; высота балки жесткости; расстояние между поперечными ребрами, устанавливаемыми по высоте пилона и рациональный уровень прочности материала для балок жесткости и пилонов.

Для установления оптимальных значений этих независимых параметров вантовых мостов со сталежелезобетонными балками жесткости со схемой вант в виде «вера» была использована разработанная автором программа их автоматизированного проектирования. Экономически рациональные значения высот НО сталежелезобетонных балок жесткости вантовых мостов со схемой вант типа «веер» и экономически рациональные значения количества N узловых точек на них в зависимости от полной длины балки жесткости L0 (рис1) вантового моста в пределах от 250 м до 1000м определялось с использованием разработанной программы автоматизированного проектирования этих мостов при варьировании в

циклах по НО и N численных значений высоты балки жесткости НО и количества узловых точек на балке жесткости N в широком диапазоне .позволившем определить их оптимальные значение по критерию минимальной стоимости используемых материалов.

Так для полной длины баки жесткости L0= 250 м высота НО балки жесткости изменялась в пределах от 80 до 120 см., а количество узловых точек N изменялось от 21 до 37за счет изменения М =К от 5 до 9., угол наклона наиболее удаленной ванты изменялся в пределах 15°" 45°.

Для полной длины баки жесткости L0= 500 м высота НО балки жесткости изменялась в пределах от 90 до 130 см., количество узловых точек N изменялось от 29 до 45 за счет изменения М =К от 7 до 11. угол наклона наиболее удаленной ванты изменялся в пределах 15°" 45° .

Для полной длины баки жесткости L0=750 м высота НО балки жесткости изменялась в пределах от 120 до 160 см., а количество узловых точек N изменялось от 37 до 53 за счет изменения М =К от 9 до 14. угол наклона наиболее удаленной ванты изменялся в пределах 15°" 45°.

Ддя полной длины баки жесткости L0= 1000м м высота НО балки жесткости изменялась в пределах от 130 до 170 см., количество узловых точек N изменялось от 45 до 61 за счет изменения М =К от 11 до 15. угол наклона наиболее удаленной ванты изменялся в пределах 15°" 45°.

На рис.5, приведены полученные по данным автоматизированного проектирования графики стоимости вантового моста с полной длиной балки жесткости L0= 250 м в зависимости от высоты балки жесткости при различных М = К ( от 5 до 9 ); на рис.6.- график стоимости вантового моста в зависимости от количества узловых точек на балке жесткости при предварительно выявленной по данным рис.5, оптимальной высоте НО = 100 см; на рис.7.- график стоимости вантового моста в зависимости от угла наклона наиболее удаленной ванты.

--: " , " '

Высоты балки жесткости в см

Рис. 5. Зависимость стоимости вантового моста от высоты балки жесткости при М=К (¿0=25Ом)

Количества узловых точек

Рис. 6. Зависимость вантового моста от количества узловых точек (Н0=100

см)

Угол наклона наиболее удаленной ванты

Рис. 7. Зависимость стоимости байтового моста от угла наклона наиболее удаленной ванты (М=К=7,Ь0=250м, Н0=100см)

Анализ этих графиков позволил сделать следующие выводы:

1. Стоимость вантового моста (балки жесткости, пилонов, вант, оттяжек) с длиной балки жесткости 250 м в зависимости от высоты балки жесткости при принятых значениях М = К описывается графиком, имеющим ниспадающую ветвь с точкой минимума при оптимальной высоте 100 см и М = К=7.

2. Стоимость вантового моста с длиной балки жесткости 250 м в зависимости от количества узловых точек на балке жесткости описывается графиком, имеющим точку минимума при оптимальном количестве узловых точек, равном 29 .

3. Стоимость вантового моста с длиной балки жесткости 250 м в зависимости от угла наклона наиболее удаленной от пилонов ванты описывается графиком, имеющим точку минимума при оптимальном угле наиболее удаленной от пилонов ванты равным 25°.

Аналогичный анализ результатов автоматизированного проектирования был выполнен для вантовых мостов с полными длинами балок жесткости 500м, 750м и 1000 м. Результаты этого анализа приведены в таблице 1. В ней

приведены диапазоны изменения основных независимых параметров вантовых мостов со схемой вант типа «веер» и оптимальные их значения, принятые по критерию минимальной стоимости используемых материалов.

Таблица 1.К обоснованию оптимальных значений независимых параметров вантовых мостов со схемой вант типа «веер».

Длина ЬО в м Диапазон N Диапазон НО в см Диапазон А1Га N опт НОопт А^а опт

250 21-37 80-120 15°" 45й 29 100 25"

500 29-45 90-130 15°" 45и 41 120 250_ 39"

750 37- 53 120-160 15и~ 45" 49 140 25"' 39"

1000 45 -61 130-170 15°" 45" 57 150 25"_ 39"

расстояния между поперечными ребрами в см

Рис.8. Зависимость масса пилонов от расстояния между поперечными ребами при М=К=7,10= 250 м и Н0= 100см

На рис.8, приведен график полученной по данным автоматизированного проектирования зависимости массы пилона от расстояния между поперечными ребрами ортотропной плиты пилона, которое изменялось в пределах от 200 до 700см с интервалом 100см.

Из его анализа следует, что увеличение расстояния между поперечными ребрами приводит к уменьшению веса пилонов, что объясняется сопутствующим уменьшением массы поперечных ребер. При этом интенсивность снижения массы пилонов уменьшается с увеличением расстояния между поперечными ребрами . При расстояния между поперечными ребрами более 500см интенсивность дальнейшего снижения массы пилона становится несущественной, что дает основание назначать размер 500см в качестве рекомендуемого.

Расчетные сопротивления материала в балках жесткости пролетных строений из сталей разных марок: 16Д, 15ХСНД, 10ХСНД изменялись в пределах от 2200 кгс/см2 (для 16д) до , 3550 кгс/см2 (для 10ХСНД). В ходе исследования установлено, что в нижних кромках балок жесткости длиной 250 м полностью реализуются расчетные сопротивления только стали 15ХСНД. Расчетные сопротивления стали 10 ХСНД в нижних кромках балок жесткости полностью используются только в балках жесткости большей длины и в пилонах мостов с любыми длинами балок жесткости.

Заключение

В выполненной работе поставлена и решена задача разработки программы автоматизированного проектирования сталежелезобетонных двухпилонных вантовых мостов с вантами по схеме «веер» и использования её для оптимизации их конструктивных решений и значений их независимых параметров по критерию минимальной стоимости и массы используемых в них материалов.

При этом:

1. Выявлены особенности обобщенной конструктивной схемы и расчетного модуля программы автоматизированного проектирования

16

сталежелезобетонных двухпилонных вантовых мостов с вантами по схеме «веер» с учетом расчетных и конструктивных к ним требований действующих норм проектирования (СНиП 2.05.03-84*).

2. Разработана блок-схему программы автоматизированного проектирования сталежелезобетонных двухпилонных вантовых автодорожных мостов с вантами по схеме «веер» с использованием расчетного модуля на основе МКЭ с учетом основных требований (СНиП 2.05.0384*).

3. На основании результатов по п.1 и 2 разработана и отлажена программа автоматизированного проектирования сталежелезобетонных двухпилонных вантовых автодорожных мостов с вантами по схеме «веер», которая может быть использована в практике их вариантного проектирования.

4.С помощью разработанной программы автоматизированного проектирования выполнено исследование влияния независимых параметров двухпилонных сталежелезобетонных вантовых мостов с вантами по схеме «веер» на стоимость и массу используемых в них материалов.

5.Разработаны следующие рекомендации по определению оптимальных

значений независимых параметров конструктивных решений двухпилонных вантовых мостов с вантами по схеме «веер» по критерию минимальной суммарной стоимостью используемых в них материалов на стадии их вариантного проектирования:

> оптимальное значение высоты балки жесткости вантовых сталежелезобетонных мостов с вантами по схеме « веер» по критерию минимальной стоимости используемых материалов при её длине 250м составляет 100 см, при длине 500м - 120 см, при длине 750 м -140 см, при длине 1000м-150 см.;

> оптимальное значение количества узловых точек на балке жесткости вантовых сталежелезобетонных мостов с вантами по схеме «веер» по критерию минимальной стоимости используемых материалов равно при длине балки жесткости 250м -29, при длине балки жесткости 500м -41, при длине балки жесткости 750м -49, при длине балки жесткости 1000м -57.;

> оптимальное значение угла наклона наиболее удаленных вант вантовых сталежелезобетонных мостов с вантами по схеме «веер» по критерию минимальной стоимости используемых материалов равно 25°

> на этапе вариантного проектирования в качестве рекомендуемого расстояния между поперечными ребрами пилонов вантовых сталежелезобетонных мостов с вантами по схеме «веер» следует назначать расстояние равное 500см.;

> рациональные марки стали для элементов балки жесткости вантовых сталежелезобетонных мостов с вантами по схеме « веер» по критерию минимальной стоимости используемых материалов с общей длиной балки жесткости 250м -15 ХСНД, а для длин от 500м до 1000м - 10 ХСНД.;

> рациональные марки стали для элементов пилона вантовых сталежелезобетонных мостов с вантами по схеме « веер» по критерию минимальной стоимости используемыматериалов являются 10 ХСНД.

Основные положения диссертации опубликованы в работах.

1. Саламахин П.М.,Зайяр Мин Шве., Автоматизация проектирования сталежелезобетонных мостов с вантами по схеме «веер», Наука и техника в дорожной отрасли , №1,2013 -стр 19-21.

2. Саламахин П.М.,Зайяр Мин Шве., Рациональные параметры сталежелезобетонных двухпилонных вантовых автодорожных мостов с вантами по схеме «веер», Наука и техника в дорожной отрасли , №3,2013-стр 29-30.

Подписано в печать:16.09.2013 Тираж: 100 экз. Заказ №969 Отпечатано в типографии «Реглет» г.Москва, Ленинградский проспект д.74 (495)790-47-77 www.reglet.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

на правах рукописи

04201361497

ЗАИЯР МИН ШВЕ

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ДВУХПИЛОНЫХ АВТОДОРОЖНЫХ ВАНТОВЫХ МОСТОВ С ВАНТАМИ ПО СХЕМЕ «ВЕЕР»

ДИССЕРТАЦИЯ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

(05.23.11 - проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей)

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ -ДОКТОР ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК ПРОФЕССОР, АКАДЕМИК PAT П. М.С АЛ А МАХИН

Москва

-2013 г.

Оглавление

Введение..................................................................................................................7

Глава 1. Состояние применения и проектирования вантовых мостов в Мьянме, цель и задачи исследования.

1.1.Краткая характеристика сети рек и автомобильных дорог в республике Мьянма...................................................................................................................1 1

1.2.Краткие сведения о применении вантовых мостов в Мьянме...................12

1.3.Анализ состояния технологии проектирования автодорожных мостовых сооружений............................................................................................................14

1.4.Концепция автоматизированного проектирования мостовых конструкций, сформулированная профессором Саламахинным П.М....................................20

1.5.Выбор критерия оптимальности мостовых сооружений при автоматизации их проектирования.....................................................................24

1.6.Цель и задачи работы.....................................................................................28

Глава 2. Разработка обобщенной конструктивной формы сгалежелезобетонных двухпилонных вантовых мостов с вантами по схеме «веер» и блок-схемы программы их автоматизированного проектирования.

2.1 .Обобщенная конструктивная форма сталежелезобетонных двухпилонных вантовых мостов с вантами по схеме «веер» ....................................................29

2.2.Разработка системы исходных данных........................................................33

2.2.1 .Данные о требуемой ширине моста...........................................................33

2.2.2.Данные о временных нагрузках.................................................................34

2.2.3.Данные о материалах для пролетных строений, вант и пилонов...........34

2.2.4.Геометрические параметры и размеры......................................................35

2.3.Определение перечня всех параметров и размеров сооружения, которые подлежат определению и которые необходимы для выполнения чертежа

проектируемого сооружения...............................................................................36

2.3.1 .Независимые параметры проектируемого вантового моста...................37

2.3.2.Зависимые параметры проектируемого вантового моста.......................37

2.3.2.1 .Размеры поперечного сечения всех элементов балки жесткости........37

2.3.2.2.Размеры вант и оттяжек...........................................................................38

2.3.2.3.Размеры всех элементов пилона..............................................................38

2.3.2.4.Стоимость варианта двухпилонного вантового моста.........................40

2.4.Определение перечня данных о результатах проектировании и способа

их выдачи компьютером......................................................................................40

2.4.1 .Генеральные размеры конструкции...........................................................40

2.4.2.Данные о поперечном сечении балки жесткости.....................................41

2.4.3.Данные о железобетонной плите проезжей части....................................42

2.4.4.Данные о напряженно-деформированном состоянии поперечных сечений балки жесткости.....................................................................................42

2.4.5.Данные о главных поперечных балках балки жесткости........................42

2.4.6.Данные об оттяжках и вантах.....................................................................43

2.4.7.Данные о размерах и геометрических характеристиках поперечных сечений пилона......................................................................................................43

2.4.8.Данные о деформациях,усилиях и напряжениях в сечениях пилона.....45

2.4.9.Данные о динамических и аэродинамических характеристика балки жесткости и вант...................................................................................................46

2.5.Формулировка задачи автоматизированного проектирования двухпилонного вантового моста.......................................................................46

2.6.Принятая блок-схемы разработанной программы АПВМ.......................47

2.7.Выводы по главе 2..........................................................................................50

Глава 3. Разработка программы автоматизированного проектирования двухпилонных вантовых мостов со сталежелезобетонными балками жесткости с вантами по схеме «веер».

3.1 .Предварительные замечания.........................................................................5 1

3.2.Разбивка расчетной схемы двухпилонного вантового моста со схемой вант в виде «веер» на конечные элементы, нумерация узлов и конечных элементов...............................................................................................................52

3.3.Формирование матриц жесткости конечных элементов вантового моста54

3.4.Формирование матрицы индексов................................................................56

3.5.Формирование матрицы жесткости конструкции Байтового моста

в целом...................................................................................................................61

3.6.Приведение рассматриваемой схемы загружения временной нагрузки к узловым точкам.....................................................................................................63

3.7.Приведение заданных постоянной и временной нагрузок к узлам

объединений конечных элементов......................................................................65

3.8.Определение силовых факторов при разных схемах загружения.............66

3.9.Формирование и решение системы линейных уравнений МКЭ

конструкции вантового моста..............................................................................68

3.9.1 .Свойства системы линейных уравнений МКЭ.........................................68

3.9.2.Метод решения системы уравнений МКЭ вантового моста...................69

3.10.Регулирование усилий в вантах из условия обеспечения горизонтального положения балки жесткости при воздействии её

собственного веса.................................................................................................74

3.11 .Расчет сечений балки жесткости.................................................................75

3.1 1.1 .Расчет по прочности сталежелезобетонной балки на воздействие

положительных изгибающих моментов.............................................................75

3.1 1.2.Расчет прочности сталежелезобетонной балки на воздействие

отрицательных изгибающих моментов..............................................................79

3.1 1.3.Проверка местной устойчивости стенки, подкрепленной

вертикальными ребрами жесткости....................................................................81

3.11.4.Особенности реализованного динамического расчета..........................83

3.12.Особенности реализации алгоритма по подбору сечений элементов

вантового моста.....................................................................................................85

3.12.1 .Проектирование железобетонной плиты проезжей части.....................85

3.12.2.Определение размеров элементов балки жесткости, начальных

размеров вант, оттяжки и пилонов.....................................................................85

3.1 2.3.Особенности определения размеров поперечных сечений пилонов и вант.........................................................................................................................88

3.12.4.Особенности определения шага между гибкими стержнями в узле присоединения железобетонной плиты к металлической балке жесткости по

способу к. т. наук Решетникова В.Г....................................................................92

3.13.Выводы по главе 3........................................................................................94

Глава 4. Отладка и освоение программы автоматизированного проектирования двухпилонных вантовых автодорожных мостов со сталежелезобетонными балками жесткости с вантами по схеме «веер».

4.1.Вводные замечания.......................................................................................95

4.2.Оценка правильности результатов вычисления сжимающих усилий и изгибающих моментов по высоте пилона, прогибов и изгибающих моментов в балке жесткости , усилий в вантах при разных схемах загружения временной нагрузкой............................................................................................96

4.3.Тестирование расчетного модуля разработанной программы автоматизированного проектирования двухпилонных вантовых мостов со схемой вант типа «веер» ................................................................................... 101

4.4.Выводы по главе 4...............................................................................106

Глава 5. Обоснование рациональных параметров сталежелезобегоннвых двухпилонных вантовых мостов с вантама по схеме «веер».

5.1 .Обоснование оптимальных значений высот балки жесткости вантовых мостов и количества узловых точек на них в зависимости от их общей их длины....................................................................................................................107

5.1.1 .Вводные замечания....................................................................................107

5.1.2.Общие исходные данные..........................................................................108

5.1.3.Оптимальные значения НО и N для вантовых мостов с длиной балки

жесткости 250м...................................................................................................109

5.1.4.Оптимальные значения НО и N для вантовых мостов с длиной балки жесткости 500м...................................................................................................111

5.1.5.Оптимальные значения НО и N для вантовых мостов с длиной балки

жесткости 750м...................................................................................................1 12

5.1.6.Оптимальные значения НО и N для вантовых мостов с длиной балки

жесткости 1000м.................................................................................................114

5.2.Обоснование оптимальных значений угла наклона наиболее удаленной

ванты....................................................................................................................116

5.2.1 .Длина балки жесткости 250м....................................................................1 16

5.2.2.Длина балок жесткости 500м-1000м.......................................................118

5.3.Исследование влияния на массу пилонов расстояния между поперечными

ребрами по их высоте.........................................................................................1 19

5.4.Обоснование выбора рационально марки стали для балки жесткости и

пилонов вантового моста...................................................................................120

5.5.Зависимость стоимости двухпилонных вантовых мостов от полной

длины балки жесткости......................................................................................122

5.6.Выводы по главе 5........................................................................................123

Заключение........................................................................................................124

Литература......................................................................................................... 127

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Актуальность работы для республики Мьянмы определяс1ся возрас1ающей во времени необходимостью с i роительства мосюв через её реки шириной до 1 км, протекающие, в основном, с севера на ю] и разделяющие западные и вое i очные районы с фаны. Для обеспечения успешного экономического развития этих районов необходимо строи!ь автомобильные дороги, которые пересекают эти реки и строить мосты через них

В настоящее время в мировом мое i ос i роении находя i все более широкое применение вантовые мосгы, позволяющие своими ироле1ами перекрывать широкие и глубокие водные преграды Значительный интерес к применению ванювых мосюв с вашами по схеме «веер» проявляется в последние юды в Мьянме Наблюдайся тенденция к их более широкому применению На этапе их вариантного проектирования весьма важно выбрать из их возможных решений те вариант, которые удовлетворяет критерию оптимальности по минимуму стоимосш используемых в них материалов Эта задача может быть с успехом решена с применением персональных компьютеров, если в основу алгориша их pa6oibi заложи ib ло1 ику дейс i вий инженера-проек1 ировщика

Насюящая диссер1ация являе1ся продолжением цикла научно-исследова1ельских работ, выполняемых на кафедре мостов и фанспортных тоннелей МАДИ в последние 16 лет, направленных на разработку программ авгома1 изированного проектирования различных мосювых сооружений и на разрабо1ку рекомендаций по обоснованию рациональных значений их независимых параметров на стадии их вариантного проектирования

Цель работы. Обоснование рациональных параметров сталежеле-зобетонных двухпилонных автодорожных вантовых мостов с вантами по схеме «веер» для Мьянмы с помощью разработанной программы их авюма! изированно! о проектирования Задачи работы;

1 Выявить особенности обобщенной конструктивной схемы , расчешого модуля и программы ав i ома i изированного iipoeKi ирования С1алежелезобетонных двухнилонных вантовых мостов с вашами по схеме

«веер» с учетом расчетных и конструктивных к ним требований действующих норм проектирования (СНиП 2.05.03-84*) .

2. Разработать блок-схему программы автоматизированного проектирования сталежелезобетонных двухгшлонных вантовых автодорожных мостов с вантами по схеме «веер» с использованием расчетного модуля на основе МКЭ с учетом основных требований (СНиП 2.05.0384*).

3. На основании результатов по п.1 и 2 разработать и отладить программу автоматизированного проектирования сталежелезобетонных двухпилонных вантовых автодорожных мостов с вантами по схеме «веер», которая может быть использована в практике их вариантного проектирования.

4. С помощью разработанной программы автоматизированного проектирования выполнить исследование влияния независимых параметров двухпилонных сталежелезобетонных вантовых мостов с вантами по схеме «веер» на стоимость и массу используемых в них материалов.

5.Разп\работать рекомендации по выбору оптимальных конструктивных решений двухпилонных вантовых мостов с вантами по схеме «веер» по критерию минимальной суммарной стоимостью используемых в них материалов на стадии их вариантного проектирования

Объект исследования. Сталежелезобетонные двухпилонные вантовые автодорожные мосты со вантами по схеме «веер».

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

1 .Разработана и тестирована программа автоматизированного проектирования сталежелезобетонных двухпилонных вантовых мостов с вантами по схеме «веер» .

2. С помощью разработанной программы автоматизированного проектирования выполнено исследование влияния независимых параметров сталежелезобетонных двухпилонных вантовых мостов с вантами по схеме «веер» на их массу и стоимость используемых в них материалов.

3. Разработаны рекомендации по выбору оптимальных конструктивных решений двухпилонных вантовых мостов с вантами по

схеме «веер» по критерию минимальной суммарной стоимостью используемых в них материалов на стадии их вариантного проектирования

Практическая ценность и значимость работы: заключается в том,

что:

Разработанная программа автоматизированного проектирования сталежелезобетонных двухпилонных вантовых автодорожных мостов с вантами по схеме «веер» позволяет определять их оптимальные параметры с оптимизацией их проектного решения по минимуму суммарной стоимости и массы использованных материалов, повысить качество проектной документации и сократить срок проектирования. Эффективность работы определяется возможностью повышения производительности груда проектировщиков на этапе вариантного проектирования за счет использования современной вычислительной техники в режиме тесного общения инженера - проектировщика с персональным компьютером.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Обобщенная конструктивная форма сталежелезобетонных двухпилонных вантовых мостов с вантами по схеме «веер» и блок-схема программы их автоматизированного проектирования с использованием расчетного модуля на основе МКЭ с учетом основных требований (СНиП 2.05.03-84*).

2. Программа автоматизированного проектирования сталежелезобетонных двухпилонных вантовых автодорожных мостов с вантами по схеме «веер» с реализацией расчетной её части на основе МКЭ .

3.Результаты исследования влияния независимых параметров сталежелезобетонных двухпилонных вантовых мостов с вантами по схеме «веер» на стоимость и массу используемых в них материалов.

4.Рекомендации по выбору оптимальных конструктивных решений двухпилонных вантовых мостов с вантами по схеме «веер» по критерию минимальной суммарной стоимостью используемых в них материалов на стадии их вариантного проектирования .

Степень обоснованности и достоверности научных положений:

Обоснованность и достоверность научных положений, результатов и выводов, содержащихся в работе, определяется тем, что в качестве

инструмента исследований была использована программа, расчетный и проектирующий модули которой были тестированы путем сравнения результатов расчета с результатом расчета по общепризнанным программам.

Апробация работы и публикации по теме диссертации:

Основные результаты работы опубликованы в 2 статьях, доложены и одобрены на ежегодных научно-технических конференциях (2012-2013г) Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 136 страницах текста и включает в себя введение, пять глав, заключение, 56 рисунков, список литературы из 109 источников .

Глава 1. Состояние применения и проектирования вантовых мостов в Мьянме, цель и задачи исследования.

1.1. Краткая характеристика сети рек и автомобильных дорог в республике Мьянма.

На территории республ