автореферат диссертации по строительству, 05.23.15, диссертация на тему:Оптимальное проектирование балочно-вантовых пролетных строений автодорожных мостов

СИБИРСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ АВТОЛЮБИЛЬНО-ДОРОЖНЫИ ИНСТИТУТ им. В. В. КУЙБЫШЕВА

Р Г Б ОД

На правах рукописи

ДЕЙНЕКА Андрей Викторович '

ОПТИМАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ БАЛОЧНО-ВАНТОВЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ АВТОДОРОЖНЫХ МОСТОВ

Специальность 05.23.15 — Мосты и трг Сиоргные тоннели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Омск—1994

Работа выполнена в Сибирском ордена Трудового Красного Знамени автомобильно-дорожном институте им. В. В. Куйбышева на кафедре «Мосты».

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: кандидат технических наук, профессор Л. Г. Горынин

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор технических наук, профессор П. М. Саламахин, кандидат технических наук, додент С. А. Бахтин.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: УкрПроектстальконструк-ция, г. Киев

Защита состоится .....1994 г. в .....

часов на заседании специализированного совета К 063.26.01 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Сибирском ордена Трудового Красного Знамени автомобильно-дорожном институте им. В. В. Куйбышева по адресу: 644080, 0мск-80, проспект Мира, 5, СибАДИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан « 2/ъ

Ученый секретарь специализированного со! кандидат технических н; доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность исследований. Совершенствование конструкций пролетных строений мостов невозможно баз автоматизации проектно-конструктореких и научно-исследоьатольскшс работ, в сбою очередь, автоматизированное проектирование связано с проблемой оптимального проектирования конструкций.

Применительно к проектирование балочно-вантоЕих пролетных строений актуальна совместная оптимизация параметров, определяющих геометрическую схему сооружения, использование в составе сооружения' унифицированных блоков балочных прэлетних строений и сборк? конструкций с подкреплением вантами балки жесткости.

Оптимальнее распределение металла в пролетном строении с использованием при монтаже схема подкрепления вантами балки жесткости, а также рациональное сочетание унифицированных монтажных блоков по длине моста в сочетании с оптималышми геометрическими параметрами схемы пролетного строения способны уменьшить металлоемкость конструкции.

Цель работы заключается в разработке методики оптимального проектирования балочно-вантовых пролетны? строений и исследовании факторов, влияющих на 1а металлоемкость. Для достижения данной цели в ходе исследований необходимо решить следующие задачи:

1. Создание математической модели работы пролетного строения, учитывающей геометрическую нелинейность конструкции, требования нормативных документов.

2. Разработка методики загружвния геометрически нелинейной балочно-вантовой системы.

3. Безработна алгоритма оптимизации и щограммч расчета на ЭВМ балочно-вантовых пролетных строений.

4. Определение оптимальных соотношений длин пролетов и панелеЛ, высоты пилонов и балки жесткости, схемы анкеровки вант нэ пилонах и в балке жесткости для трехпролетннх систем с длиной главного пролета 150...400 м.

Научная новизна. В работе исследовяно влияние геометрической не линейно с ги отдельных элементов пролетных строений и в целом всей оистеш для розничных жесткостей пилона, оттяики, соотношения эксплуатационных и монтажных

3

усилий в вантпх, с учетом влияния температуры и ползучести вант, при применении различных по прочности канатов, с регулированием и беэ регулирования напряжений в балочно-вантовой системе после ее ■ сборки, Разработана методика расчете геометрически нелинейной балочно-вантовой системы с учэтом деформированного состояния элементов в любом из расчетная состояний, учитывающей начальные несовершенства конструкций и использующей специальный аппарат загружения без применения лиьлй рхляшя. 1.'ря оптимизация параметров геометрической схемы пролетного строения на завершающем этапе использован план факторного эксперимента для систематизации результатов оптимального Проектирования и получены регрессионные уравнения металлоемкости пролетите строений при длине главного пролета 160...400 м.

Степени обоснованности и достоверности полученных результатов основана на сравн?"йй математической модели с известными »¡римэреми расчетов, в том числе с использованием врограмного комплекса "СПРИНТ", данными натурного вкстаримента при испытании Байтового моста через р.Туру в г. Тюмени, ¡ри исследовании работы пролгт1ШХ строений ктш давались методики и алгоритмы, б&зирушиося на классических положениях строительной механики и положениях СНИП,

Практическая ценность роботы. При расчета бвлочио винтовых систем» оЗладйиЩ значительной геометрической нелинейностью, возможно использование расчетной методики и основных зависимостей, приведенных в работе. Алгоритм оптимизации и результаты оптимального проектирования позволяют оценить влияние назначаемых в проекте пирометров балочно-вантовой системы па ее металлоемкость. Возможно использование при ввриантно... проектировании методики фактор..ого активного эксперимента.

Бпдрение результатов исследований. Результат!! расчета пролетного строения валового моста в Т. Тшоии использованы Сибирским участком "ГосоргблигоустроЯсчво" при испытаниях моста. Рекомогдации по онткм'шиому проектирования Оодично-впнтовых мостов принята институтом "Рюфокоммундортрпнс" для проектировании.

-)

Апробация работа. Основные положения работы доложонн и обсувдены на научно-технических конференциях МАДИ в 1984 г., ШСИ в 1988 г., СибАДИ в 1984... 1986 гг, мездунатчдаой российской научно-технической конференции "Дороги Сибири" (г. Шок, 1994 Г.)

Публикации. По тема диссертации опубликовано 4 печатных работы^

Объем работ. Диссертация состоит из введения, четырех глав,"списка литературы и содержит 160 страниц» Машинописного текста, В том числа 19 страниц с таблицами, 21 страши; о рисунками. Список литература содержит 177 наименовагаей.

Основные положения, выносимые на защиту;

1. Методика расчета гес метрически нелинейных балочно-ваитових систем.

2. Загружекке геометрически налинвймой системы без использования линий влияния.

3. Методика оптимального проектирования балочш-вантовых пролетных строений.

4. Результаты оптимального проектирования балочно-вантогах пролетных строений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Ьо введении раскрывается актуальность работы.

6 первой глава дается общая характеристика объекта исследования.

Объектом исследования в датой работе являются стальные Оалочно-ввнтовыв трехпролетнне строении автодорожных мостов с длиной главного пролета 1Б6...357 м из цельноперевозимых монтажных блоков с двутавровыми или короочатнш главными балками.

Анализ данных о построенных зарубзшк и отечественных байтовых мостор позволяет заключить, что наибольшее распространение получим двух- и чрохпролетныа системы о длиной главного пролета до 400 м. Назначение длин пролетов, панелей, топология подкрепляющих вакт для большинства пролетов индивидуальны, как и высота стенок главных балок и компановка поперечного сечения балки жесткости. В то кэ время, производство отечественных крупноблочных монтажных элементе? больших мостов, в том числе индивидуальных

5

проектов, составляет около 50% общего выпуска мостовых металлоконструкций на заводах.

Поэтому, в случаз" унификации комплекса главных балок для ил щяшоиетя в Овлочна-вантовых системах, н еобходима ЗПШ'Еикацля параметров балочнэ-йзнтовых мостов на основании их предвари гв.-зьной опткмпзацди.

Но данным раз.'гнчш'Х огэчэственшх и зарубежных иселадона*елэй нерационально пркмен&юга мощных взнг-ikwscok, шгокоз и белки жесткости. Перемещения и усилия в белочко-вентовоя системэ 'олредляюжся в основном податливостью вант и ура тачекпо шсткоста. только вент-оттяжек з^фективиа -отражается ко общем ашшэшш металлоемкости конструкции. Поэтому, существует тенденция к использовании гибких талонов а бялкк хосткости в многояанвлша пролетных строениях.

вощюея: : соварййнствовглгля конструкций bshtobhx мостов, прэоктирора'»;л отвчестващщх эффективных- сооружений посвявднн раоогх К.П. Большакова, ИЛИ. Гера/ir.-;, В.П. Егорова, Л.И., ' KociUiC-ÊCKûro, В.И. Кнреенко, H.H. Ковалева, М.М. Корнеава,, З.И, Крйша^й, й.И. Крыяьцовэ, A.A. Петропавловского, В.И. Полякова, A.A. Нотшгкша, Э.Я. Слошма, Б.Б. Трофимовича, B.W. Зридюша, Г.С. фукса, В.Л. Шяйкезича.

Вольной вкгзд в проектирование бвлочно-ваытошх. дрэлогных строения; внесли коллвктивц научно-исследовательских; •институтов (ЦШШЖ, ШИО, 1ДШСК.Сошдор!Ш, УкрПСК), . щхлптых институтов (Гжротравсмост, Соютдоргроект),'б такз;в : ЛЖЯ, ЛЖ'Я.МШ, институт влоктросмрки АН Украшю. : '."• Шкрокоо щодонеюю находят -Оалочио-вантовые 'мосты ' в ;

Японии и .îpyriix промшдаияо разышгх 'странах,' :• Ttmiswat разработкам баяотао-ваитошх систем эа рубювом ■посзяцмч рыЗоты ■ l.-P.Andra, ...Daniel, H.J.Ernot, X.F.fiemlüg. K.Furukawa, Ji.E. Lasar, F.Lôonhardt, U.NakaJ, Jf.ï.PodoUty, ".Suul, H.Svenason, M.-C.Tung, А.Теваг, y.Vair/id'i. '■•.•..'. .■ '-

В кода?» глави сформулированы цзль и "зааьчк исслодоааяия.

: ■ Н"» второй главе рассмотрев мзтемэтаческчя модель dз;tочиcPîîсi• г оЪоГ^-проjы того строэкчя. рзометричесжея н-элишЯностъ системы учитывав тся системой гэлинайкнх ъазрешй пцих урйЕнэшй итерационным путем с уч^тси

б

деформированного состояния всех элементов. Значения коэффициентов и свободных члинов уравнений метода сил имеют

звд: - Н1(Х)И^(Х) Т^Х^СХ)

^ .= V Г1

^ ш=1х=01 ЕГ(Х) ЕА (X)

вц- Е. 1[ ■ _....;

м х В1{Х)Б,(Х)

4я 2 2 Г-

Е1(Х)

2 2—--¿х;

+1 х==0 Е^А П., (Х)М'(Х) (Х)К* (X)

„ х В1(Х)П'(Х)

1 "х

+ 22 I-Дх+

т=з+1х>01 ЕА 2 Ч) С(Х) ВС(Х)

* . и

т+в т+ 2 я, (х)м.;

1=1 1 1

где И^ ^(Х>. И^ ^(X), эпзоры изгибающих моментов

в продольных сил в элементах от единичных воздействий; М°(Х). №(Х), 01(Х), <3(Х)- то же при заданной нагрузке, причем 0*(Х) и П*(Х)- исходные эпюры поперечных сил и продольных усилий в вантах до их нагружения; М^- неизвестные метода сил; я- оищее количество элементов пролетного строения; Б- общее количество элементов Салки жесткости и шмонов; 1- длина- элемента; ЛХ-длина участка элемента с постоянной жесткостью; 1(Х) и А(л)-функции изменения момента инерции и площади поперечного сечения по длине элемента; Е^ - условный модуль деформации вант.

Математическая модель пролетного строения учитывает продольно-поперечный изгиб элементов пилонов и балки жесткости, наличие эксцентриситетов анкеров, прогибы элементов и возможные начальные несовершенства конструкции. Приложения расчетных и единичных нагрузок при формировании уравнений учитывают деформированное состоягие предыдущего нагружения.

Для ускорения итерационных процессов определения перемещений на промежуточных итерациях используются условия совместимости деформаций пилонов, балки жесткости и вант

7

Я.

(метод "засечек"). Загружение расчетной нагрузкой пр;шято ступснчатш, обеспечивэюадам линеаризацию нелинейной диаграммы деасрулрования вантовОй системы в пределах каждой , ступени ногружения. ...

На начальных этапах оптимизации используются коэффициент геометрической нёлгтс-йности отдельных элементов и Сзлоччо-^антоБой системы ь ц«лом (1)), полученные на основании предварительных исследований (рис.1), исходя из соотношения усилий: в вантах на монтаже и. ка ' стадии ек ттлуьгацип (ц), а такие некоторые аппроксимирующие зависимости полоконая расчетной нагрузки б зависимости от ' »есткости подкракляклих вант (Х2), Солки (Х1), координат г.ологчння рассматриваемого сечения (К) б панели (Х^) и в пролете (Х^)(рис.2} в виде:

В качеств монтажного состояния пролетного строении россуотрена уравновешенная сборка укрупненным;: до разборов пенелой блоками. Моктек конструкций проводится .с заданным строительным подъемом в статически определимой системе. Учет взаимного влияния' перемещений " монтарувшх '•';. алемвнтов . 'производится итерационным путем, .. исхода кз конечного ^монтажного состояния. ;■'.'■■■■

Алгоритм расчета реализован на ЭВМ применительно к ОС ЕС в ьаде пакета прогреми.

В третьей главе для оценки адекватности математической модели 'объекта исследования расскотромв результаты испытания ьзнтового ышаходного моста в г. Тамедк через р. Туру. По этим экспериментальным донным напряжений в основных нс-сускх элементах и прогибов проведено сравнение с теоретическим! результатами по линейной и нелинейной теориям.

С :ределено значительное влияние геометрической нелинейности на прогиби Оалкн жесткости (рис.3) и усилил в элементах пролетного строения (до 10...I«..* по прогибам). При ьтом расхоздеже теоретических результатов по .н-; лилейной теории с экспериментальными по пр-оги'зм составляет около 10%,

8

Коэф*иц'леют геометрической нелинейности балочно-вантовогоишлзшого стрдднщ,.

Пип ; 1/00 МПа Рил - то млз

700

200

ж

Рис.1

1- горизонтальная проекция ванты; нормативное

временное сопротивление проволок канатов; ц- отношение усилий в вантах при монтаже и на стадии эксплуатации.

Схет установки временной нагрузки

1с

Рис.2

К- рассматриваемое сечение; границы положешя нагрузки;

ХдД4- относительные координаты сечения; 1- длина пролета.

о

m;

I b££] 89Q

'ий

m) [щ;/ w

LßicJ fil i

ÍUll 003

[¡¿193 Х~% \

)

4

[ÚZ!)

йлши

V.

Хп

а по усилиям в отдельных элементах, в среднем до 10...

На рис.3 приведен! опхрц прогибов при нодоуент.: испытательной нагрузки в главном пролете. Эксгтериг^нтпль-ис результаты приведены в круглхх скобках и czzr.zn.eZ

линией. Результаты по нелинейной теории даиц б-?з счобох п соединена пунктирной линией. Остяльч. э значения прэгкбог относятся к линейной теории. При уровне значимости а--0,С5 опытные данные адекватны результатам к^лин^ой

В четвертой главэ пр:пзэдеиа у.отодиз:а и рс^ул-таты

оттгкального проектирования бглочко-ззпгсвкл. прс.чггдах

строений. 3 качестве критерия оптошзапж! принят ебдий расход стали на пролетное строе:«« с ваедоякэм ксз^Спцаек.'л г. расходу стали ка канаты. В качество параметроз опглзк'ыг'л приняты:

з) "внутренние" парзхегрн, характеркгуыко pr,?.vvpL* и количество основных косуци" элементов- площади ксяеов С;i талонов, гямокяжяхся ступенчато по дпи-о элзхкктег, тог-тиш

стенок салки звсткости и пилонов, количество с а:-»? 2 про.*.-:;hos.

строении, 5ксц«.триси??г закрепления Баи? отнс^^^но Бархного горизонтального листа псперэ'шогс сегнпд о::л>*н кэсткости;

б) параметры, огфадггягцае схогс ссору:;:о:г.<.г -

отксгсэнив дл-к продетое (Oj), отасп-лше высоте пилона к ' главного пролета !а.,}, отпоспхельлая еглэднлд -:.ысс.тг. закрепления вон? на вврвино пилона (си) л отн:.,^?";^ длгя панелей по мерэ удаления от ппдоиа (с^}: .

¿j "■? 1 1

-L, i^i 1

v г, ! : Ь" cv

где высота пилонов; й,- дина среднего пролета; дата крайних пролетов; Н- oCsw« количество г.акт; H„:- высота' закрепления каздсЯ ванты нз пилоне; соответетвенно длины блигаисс к пилону и Солее уд::.г.«нных от него панелей.

Последние четыре параметра оптимизировались совместно, с использованием одного из факторных планов эчепориу.ента-ротатабельного центрально-композиционного. 'Леслэдовались

II

трехлрэлеткье системы с габаритом Г 11,5 из двух двутавровых элйу.ениз в птаеречком сечении белок при расстоянии между стенка;,^ бьжл 7,6 м. Длина среднего пролета варьировалась от 1А7 до 224 к.По полученным предварительно на ЭВМ значениям Сгунхщш цели (расходу стали но погонный метр пролетного строения) определена регрессионная зависимость в виде полинома втстюй стесет..:

гл— 6.531+0,113а, +1, бЗс^-Ю, 140(^-7,47а4+Ю, 226а^+Е, 095а|+

+3,334а?+3,054а^-8,338а1а2+0,225а1а--0,7а^а4-0,125а2ои- •

-3,6сца,+5,25а-.с.. Условием оптимума з этом сгучае является решение систем! лп~эйзшх уравнений, полученных путем дифференцирования уравнения регрессии по каждому из четырех факторов. Полученная модель ■адекватно опытным данным при уровне значимости ДЙ.

Решение системы линейных уравнений позволяет определить оптимальные значения параметров:

а°= 0,2?с; 0,552; а°= 0,667; а°= 0,811. Определены грангды интервалов оптимизируемых параметров ат...а4- соответствующие 1% изменения массы пролетного строения:

0,1:9...О 277; О,475...О,618; 0,842...0,904; 0.803...0,832. Такие широкие интервалы свидетельствуют о пологости целевой функции в зоне экстремума. Это позволяет получать различные эффзктивш"* сочетания исследуемых геометрических параметров БВПС в случае их дискретного изменения или конструктивного ограничения, например, при применении унифицированных элементов балки жесткости и пилонов.

На рис.4 построены В линиях равного уровня зависимости металлоемкости пролетного строения от двух пар параметров а-ц-ои и сц-а^. В общем расходе металла не учтены, принимаемые конструктивно по типовым проектам, связи, плита проезжей части, опорные части и т.п.

"Внутренние" параметры, характеризующие геометрические размеры элементов пролетного строения, оптимизировались независимо от параметров схемы сооружения в несколько этапов поочередно. Минимизация площадей полеречных сечений балки и

то

шло коз произво жглась методом касательных, остальных плрймз^роь - методом'покоординатного спуска.

Сравнение эффективности применения различных канатов приедено кз условия минимизации изготовительной стоимости для используемого сортамента. Минимальная стоимость и ?,'этсл."0о;„дость достигаются при использовании канатов дадоетрох 43...7ьк<: гс ГОСТ 30СЬ-74, а при диаметре канатов коже 40:.м по ГОСТ 3007-74.

Количество панелей балки кесткостк зависит от высоты '•теног. батан и при привязке к ущфщированным блокам с высотой: стенки 2,48 - 3,16 и, соответственно, для габаритов Г 11,5 и Г 28,5, .^ризодбш кт рис.5 б зависимости от высоты г л явного цролета.

Исследованиями по оптимизации эксцентриситета Бсктзепленид вант в балке жесткости установлено, что рационально смещение точек анкеровки относительно верхнего горизонтального листа сечения в пределах 0,23...О,28 высоты стенки балки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1, Разработана методика оптимального проектирования балочно-вантовых пролетных строенгй, учитывающая геометрическую нелинейность конструкции, технологические ограничения и требования нормативных документов. В соответствии с данной методикой создана программа, ориентированная на использование в ЕС ЭВМ.

2. Необходимое для оптимизации быстродействие алгоритма достигнуто за счет использования линейной модели с применением коэффициентов геометрической нелинейности и аналитического метода определения кевыгоднейших загрукений временной нагрузкой. Выполненные исследования показали, что 1 еометрическуа нелинейность в работе балочно-вантових пролетках строений на стадии эксплуатации следует учитывать при длине пролетов свыше 200...Я50М. Применение специальнох'о аппарата загружения расчетной нагрузкой без использования Л1ший влияния целесообразно для систем, обладающих

14

Отшшьноо количество панелей С алавнсш пролете Г 11,6

6U

е,м

40 X

W-2.

W*4

¡V- количество бант ô s.toâ?tait jyxгле;пе

±:

К ..!

450

200 1.,'м

300

Г 2в,5

б)

40

50

1

M :

W'O

¿50

m

i,M

, 400

!>:%5

Х- длил& главного пролэтя; i- длжг! ианвлк

значительной (Солее 5%) геометрической нелинейностью.

3. Предложен • алгоритм оптимизации с разделением оптимизируемых параметров на "внутренниеявляющиеся геометрическими характеристиками основных несущих элементов и "внешние", являющиеся параметрами расчетной схемы. Такое разделение повышает универсальность алгоритма и дазт возмошость решения ягцач оптиьг.зацид в различной постановка.

г) определение оптимвльных геометрических параметров основных несущих элементов в рамках заданной расчетной схемы;

б) определение оптимальных параметров самой расчетной схемы: отношения длин крайнего и среднего пролетов; отношения высоты пилонов к длине среднего пролета; схемы закрепления шнт на вершинах пилонов; отношения длин панелей.

4. па основании оптимизации получены аналитические зависимости, позволяющие определять оптималыше значения высоты пллонов1 ¿дан крайних пролетов, схемы закрепления вант на пилонах, длин панелей,

б, Минимальная металлоемкость и стоимость вант обеспечивается при использовании пенатов диаметром 40..,76мы по ГОСТ 3068-74, а при диаметре канатов менее 40мм более экономичны канаты по ГОСТ 3067-74.

6. Оптимизация относительного вксцентриситета крепления ван" к балке кесткости приводит к снижению металлоемкости балки. Рационально закрепление вант при высоте с¿знак балки 2,43..,3,См на расстоянии от верхнего пояса равном:

а) 0,25..,0,28 высоты стенок для пролетных строений с габаритом Г й8,Б;

б) 0,23...0,26 высоты стенок для пролетных строений с габаритом Г II,Б.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Горынкн Л.Г., Дейнека A.B. Алгоритм расчета балочно-вантовых пролетных ' строений автодорожных мостов // Теоретические и экспериментальные исследования мостов / Тр. СиОАДИ. -Омск, 1985 -С.85...98.

2. Дейнека A.B. Оптимизация параметров балочш-вантовых пролетных строений ьвтодороат'ых мостов // Теоретические и

16

экспериментальные исследования мостов / Тр. СибАДИ. -Омск, 1Э86,-С.24...38.

3. Дейнека A.B.. Зкмтбримэоталыю-тво^эги'юскиэ исследования ваятового моста // Деп. науч. ро^чтн /РиОл. указ.-М.,1989.- Ü 8(1в1).-19 о. Дзп... в ЦБНТИ Гйш0втодор.ч PC®CF, Й 101 -вд -89 Деп.

4. Тбраданоа Б.Л., Дейшо A.D. Эагруяешм ¿ромэшюй нагрузкой пролетных строений балочпо-ппнтовых автодорогам* мостов // Дэп. пауч. работы /Библ. указ.- М., ISQ5.-, $12(170). -21с.- Деп. в ЦШМ иянавтодора POSCP, А 88 -од -пя Доп.