автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Оптимизация гибкости сжатых элементов мостовых конструкций

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.0.06.асть применения и конструктивные формы сжатых элементов в мостовых конструкциях.

1.1. Теоретические основы устойчивости сжатых элементов мостовых конструкций.

1.1.1. Основы работы и расчета центрально сжатых элементов.

1.1.2. Основы работы и расчета внецентренно сжатых элементов.

1.2. Нормативные расчеты элементов мостовых конструкций на устойчивость и существующий способ определения размеров сжатых элементов.

1.2.1. Расчет деревянных элементов мостов на устойчивость.

1.2.2. Расчет железобетонных элементов мостов на устойчивость.

1.2.3. Расчет на устойчивость стальных элементов мостов.

1.3. Существующий способ определения требуемых сечений сжатых элементов мостовых конструкций.

1.4. Понятие об оптимальной гибкости сжатых элементов и способе её определения.

1.5. Задачи настоящей работы.

ГЛАВА 2. УСТАНОВЛЕНИЕ ЗАВИСИМОСТЕЙ ОПТИМАЛЬНОЙ ГИБКОСТИ СЖАТЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ОТ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ

2.1. Вводные замечания.

2.2. Оптимальная гибкость деревянных сжатых элементов.

2.3. Оптимальная гибкость стальных элементов.

2.4 Эмпирические формулы зависимости оптимальной приведенной гибкости стальных сжатых элементов от безразмерного параметра, для стальных элементов.

2.5. Оптимальная гибкость железобетонных элементов.

2.6. Эмпирические формулы зависимости оптимальной гибкости от безразмерного параметра для железобетонных конструкций.

2.7. Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРА р ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ

ПОПЕРЕЧНЫХ СЕЧЕНИЙ СЖАТЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МОСТОВЫХ

КОНСТРУКЦИЙ ИЗ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

3.0. Предварительные замечания.

3.1. Круглое поперечное сечение сжатого элемента из древесины.

3.2. Прямоугольное поперечное сечение центрально сжатого деревянного элемента.

3.3. Двутавровое сварное металлическое сечение центрально или внецентренно сжатого элемента.

3.4. Коробчатое сварное металлическое сечение центрально или внецентренно сжатого элемента.

3.5. Кольцевое металлическое сечение сжатого или внецентренно сжатого элемента.

3.6. Коробчатое сварное металлическое сечение, подкрепленное продольными ребрами, центрально или внецентренно сжатого элемента.

3.7. Кольцевое металлическое сечение сжатого или внецентренно сжатого элемента, подкрепленного ребрами.

3.8. Прямоугольное сечение железобетонных стоек сжатых или внецентренно.

3.9. Круглое сечение сжатых железобетонных стоек.

3.10. Кольцевое сечение железобетонных стоек сжатых или внецентренно сжатых элементов.

3.11. Вывод по главе 3.

ГЛАВА 4 РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ СЖАТЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С УЧЕТОМ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИХ ОПТИМАЛЬНОЙ ГИБКОСТИ И ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОПЕРЕЧНЫХ СЕЧЕНИЙ СЖАТЫХ ДЕРЕВЯННЫХ, СТАЛЬНЫХ, ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ МОСТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

4.1. Вступительные замечания.

4.2. Оценка эффективности поперечных сечений сжатых деревянных элементов мостовых конструкций.

4.3. Оценка эффективности поперечных сечений сжатых стальных элементов мостовых конструкций.

4.4. Оценка эффективности поперечных сечений сжатых железобетонных.

4.5.Рекомендации по последовательности проектирования сжатых и внецентренно сжатых элементов мостовых конструкций с учетом предварительного определения оптимальной их гибкости.

4.6. Выводы по главе 4.

Актуальность работы.

В конструкциях опор и в сквозных балочных пролетных строениях автодорожных и железнодорожных мостов, а также в пилонах современных висячих и вантовых мостов широко используются линейные элементы, воспринимающие сжимающие усилия. В настоящее время при проектировании этих сжатых элементов мостовых конструкций их требуемая площадь определяется в соответствии со СНиП 2.05.03-84* с использованием метода последовательных приближений. Это связано с тем, что для определения требуемой площади поперечного сечения любого сжатого элемента в настоящее время используется условие устойчивости, в котором имеется две неизвестных величины: площадь поперечного сечения и коэффициент продольного изгиба, зависящий от неизвестной гибкости. Реализация метода последовательных приближений вызывает особые сложности при проектировании пилонов современных вантовых и висячих мостов, имеющих большую высоту и значительные сжимающие усилия.

Профессор Саламахин П.М. по условию компоновки поперечных сечений сжатых элементов любой конструктивной формы с учетом обеспечения требуемой гибкости ввел второе уравнение, что позволяет найти их оптимальную гибкость по обычным исходным данным и исключить метод последовательных приближений при определении требуемой их площади. Настоящая работа имеет целью реализовать его методику при проектировании сжимаемых элементов мостовых конструкции из различных материалов любой конструктивной формы.

Для ее достижения были проставлены для решения следующие задачи: 1. Получить зависимости оптимальной гибкости сжатых элементов любой конструктивной формы из любых материалов от обычных исходных данных задачи их проектирования.

2. Получить формулы для новых геометрических характеристик сжатых элементов, необходимых для определения оптимальной их гибкости.

3. Разработать рекомендации по проектированию сжатых элементов мостовых конструкций с учетом предварительного определения их оптимальной гибкости.

Метод исследования.

Использован обычный математический аппарат для решения нелинейных уравнений и метод наименьших квадратов для получения эмпирических связей. Проведены численные экспериментальные исследования на ПК с целью выработки рекомендаций по проектированию сжатых элементов с учетом предварительного определения оптимальной гибкости.

Научная новизна и значимость работы Заключается в следующем:

1. Впервые получены зависимости оптимальной гибкости сжатых элементов любой конструктивной формы из любых материалов от обычных исходных данных задачи их проектирования.

2. Получены формулы для новых геометрических характеристик сжатых элементов, введенных профессором Саламахиным П.М., необходимых для определения оптимальной их гибкости.

3. Разработаны рекомендации по проектированию сжатых элементов мостовых конструкций с учетом предварительного определения их оптимальной гибкости.

Практическая значимость работы.

Заключается в том, что разработанные рекомендации по проектированию сжатых элементов мостовых конструкций позволяют определять оптимальные их размеры без использования метода последовательных приближений с учетом предварительного определения их оптимальной гибкости. Эффективность работы определяется возможностью резкого повышения производительности труда проектировщиков на этапе вариантного проектирования за счет использования современной вычислительной техники в режиме тесного общения инженера -проектировщика и ПК. Апробация работы.

Основные результаты работы опубликованы в 4 статьях, доложены и одобрены на научно-технических конференциях МАДИ в 2002 и 2003г. Структура работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Она содержит 117 страниц машинописного текста, список использованной литературы из 52 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В выполненной работе поставлена и решена задача оптимизации сжатых элементов мостовых конструкций по минимальной площади сечения. При этом:

1. С учетом зависимостей коэффициентов продольного изгиба от гибкости и приведенных эксцентриситетов для различных материалов впервые получены функциональные связи оптимальной гибкости деревянных, стальных и железобетонных сжатых элементов любой конструктивной формы от введенного безразмерного параметра, учитывающего все исходные данные в задачах проектирования сжатых элементов.

2. Полученные функциональные связи представлены двумя способами: в виде графиков и эмпирическими формулами, полученными с достаточной точностью методом наименьших квадратов.

3. Получены формулы для нового параметра Д для наиболее широко используемых поперечных сечений сжатых элементов мостовых конструкций из различных материалов:

- для круглых и прямоугольных поперечных сечений деревянных элементов;

- для неподкрепленных ребрами жесткости двутавровых, коробчатых и кольцевых поперечных сечений металлических элементов;

- для подкрепленных ребрами жесткости коробчатых и кольцевых поперечных сечений металлических элементов;

- для прямоугольных, круглых и кольцевых поперечных сечений железобетонных элементов.

4. Полученные графики и формулы позволяют по исходным данным задачи проектирования сжатых элементов для принятой конструктивной формы сечения с вычисленным значением параметра Р получать оптимальное значение гибкости сжатых элементов. Это позволяет затем без последовательных приближений сразу определить минимально возможную площадь их поперечного сечения по известной формуле и все размеры поперечного сечения.

5. Разработаны и предложены для практического использования рекомендации по последовательности проектирования сжатых элементов мостовых конструкций из различных материалов любой конструктивной формы с учетом предварительного определения оптимальной гибкости, позволяющие упростить методику проектирования сжатых элементов, существенно сократить время их проектирования и повысить точность решения.

6. Разработана и применена методика количественной оценки эффективности разных конструктивных форм поперечных сечений сжатых и внецентренно сжатых элементов мостовых конструкций из различных материалов.

1. Александров A.B., Матвеев A.B. Предельная нагрузка для сжатых и сжато-изогнутых стержней в упругопластической стадии.-М.: Вестник МИИТа, 2000,вып.3,с. 103-110.

2. Александров A.B. Роль отдельных элементов стержневой системы при потере её устойчивости. -М.: Вестник МИИТа, 2001,вып.5,с.46-50

3. Блейх Ф. Устойчивость металлических конструкций.М., Госфизматиздат, 1959

4. Броуде Б.М. Предельные состояния стальных балок, Госстройиздат, М Л.,1953.

5. Власов В.З. Тонкостенные упругие стержни.Физматгиз.-М.,1 959,568с.

6. Вольмир А.С.Устойчивость деформируемых систем,Наука,-М., 1967,984с

7. Гартман Ф. Устойчивость инженерных сооружений , Стройиздат,1939.

8. Геммерлинг A.B. Расчет стержневых систем.М.,Стройиздат, 1974,207с.

9. Геммерлинг А.В Несущая способность стержневых стальных конструкций.М.,Госстройиздат, 1958.

10. Геммерлинг A.B. Несущая способность сжатых и сжато-изогнутых элементов стальных конструкций, сб.«Экспериментальные исследования стальных конструкций». Госстройиздат 1950

11. Корноухов Н.В.Прочносп» и устойчивость стержневых систем. Стройиздат, 1949.

12. Лейтес С.Д. Устойчивость сжатых стержней, Гос. Изд.лиратуры по строительству и архитектуре, 1954.

13. Металлические конструкции: общий курс: Учеб. для вузов/Г.С. Ведеников, Е.И. Беленя Е.И.и др.М,:Стройиздат,1998.

14. Оршанский Е.В. методика определения коэффициента <р продольного изгиба центрально сжатых ж/б элементов Тр. ЦНИИС,1973. Вып. 64

15. Осипов В.О. Пуим повышения прочностных расчетов металлических мостовых конструкций. Транспортное строительство,!999,№ 8

16. Папкович П.Ф. Строительная механика корабля, часть 2,Л.,1939

17. Пинаджан B.B. Некоторые вопросы предельного состояниясжатых элементов стальных конструкций, Ереван, 19 56

18. Поликарпов П.Н. к вопросу о предельной нагрузке ежатах и сжато-изогнутых элементов металлических мостов с учетом пластичности. Труды МИИТ, №74,1959

19. Полиевко В.П. Продольно-поперечный изгиб гибких сжатых стержней. Сборник ЦНИИС.№ 16,1955

20. Пановко Я.Г. Устойчивость стержней Машиностроение, 1068

21. Поляков В.И. Исследование устойчивости ж/б пилонов вантовых мостов Дисс. 1983.

22. Потапкин A.A. Проектирование мостов с учетом пластических деформаций, М.: Транспорт, 1084

23. Работнов Ю.Н. О равновесии сжатых стержней за пределом пропорциональности, Инженерный сборник, т.9,1951

24. Ржаницын А.Р. Строительная механика. М.Высшая школа, 1982

25. Роки К.С.,Эванс Х.Р. Проектирование стальных мостов. Пер с англ под ред A.A. Потапктна,М.Транспорт,1986.

26. Саламахин П.М. Оптимальная гибкость сжатых элементов строительных конструкций и способ её определения //Транспортное строительство. № 4.2001

27. Саламахин. П .М. Оптимальная гибкость сжатых элементов мостов и способ её определения. Сб. науч. тр. МАДИ «Актуальные проблемы мостостроения и тоннелестроения» М.МАДИ.2001

28. Саламахин П.М. Фань Пинь. Оптимальная гибкость сжатых и внецентренно сжатых элементов строительных конструкций. Транспортное строительство, 2001,№5

29. Саламахин П.М., Фань Пинь. Оптимальная гибкость стальных центрально и внецентренно сжатых элементов строительных конструкций. Экспресс-информация ВНИИНТПИ, серия «Строительные конструкции и материалы», выпуск 3, 2001

30. Саламахин П.М. . Оптимальная гибкость железобетонных центрально и внецентренно сжатых элементов строительных конструкций. Экспресс-информация ВНИИНТПИ, серия «Строительные конструкции и материалы», выпуск 3, 2001

31. Саламахин П.М. Оптимальная гибкость сжатых деревянных элементов строительных конструкций. Экспресс-информация ВНИИНТПИ, серия «Строительные конструкции и материалы», выпуск 2, 2001

32. Саламахин П.М. Способ получения оптимальной гибкости сжатых и внецентренно сжатых элементов. Промышленное и гражданское строительство,2001Э№3

33. Стрелецкий Н.С. Работа сжатых стоек. Москва, 1059

34. Смирнов А.Ф. Статическая м динамическая устойчивость сооружений, М. Трансжелдориздат, 1947

35. Строительные нормы и правила. Мосты и трубы.СНиП2.05.03-84*, М. ¡Госстрой, 1985

36. Строительные нормы и правила. Нормы проектирования. Стальные конструкции .СНиП И-23-81*, М.¡Госстрой, 1988

37. Тимошенко С.П. Устойчивость упругих систем,М-.Гостехтеориздат,1955.

38. Тимошенко С.П. Устойчивость стержней, пластин и оболочек. Наука ,-М-1971.

39. Шенли Ф. Теория колонны за пределом текучести. Сб. переводов «Механика» №2, Изд. Иностр. Лит-ры.,1951

40. Шульц Г.К. К расчету элементов, загруженных осевой нагрузкой. В сб. Проектирование стальных мостов. Роки К.С.,Эванс Х.Р. Пер с англ. под ред A.A. Потапктна,М.Транспорт,1986.

41. Эйлер J1. Метод нахождения кривых линий, обладающих свойством максимума или минимума, или решение изопериметрической задачи, взятой в самом широком смысле. Приложение 1: Об упругих кривых. Серия «Классики естествознания». M.-JL, ГТТИ,1934.

42. Экспериментально-теоретические исследования железобетонных конструкций под ред. Гвоздева A.A. //Государственное издательство литературы по строительству , архитектуре и строительным материалам Москва 1963

43. Ясинский Ф.С. Избранные работы по устойчивости сжатых стержней., 1952.

44. Lusa Bruno, Giuseppe Mancini Importance of deck details in bridge aerodynamics /Structural Engineering Inernational 4/2002/

45. Beal A.N.Khalil N. Design of normal- and high-strength concrete columns /Civil Engrs structs & bridges. 1999.134 Nov.

46. Chou S.K.G., Chapman J.C.,Davidson P.C. Local critical buckling of flat-bar-stiffened plating /The strutural Engineer Valume 77/№19 5 October 1999/

47. Chou S.K.G., Chapman J.C.,Davidson P.C. Large-scale tests on slender, reinforced concrete columns /The strutural Engineer Valume 75/№23 &24 9 December 1999/

48. Chwalla.Die Theorie des ausmittig gedruckten Stabes aus Baustahl. Stahlbau.#21,22,23.1934;36,7,1937

49. Croll J.G.A. Thoughts on the structural efficency of cable-stayed and catenary suspension bridges /The structural Engineer Volume 75/№ 10 20 May 1997.

50. Engesser, Uber die Knickfestigkeit gedruckter Stabe?Zeitschr. f. Arch u.Ing. V/Hannover, 1889

51. Engesser, Die Knickung gerader Stabe?Zentralbl,f. Bauw., 1891