автореферат диссертации по строительству, 05.23.15, диссертация на тему:Оптимизация параметров пролетных строений висячих мостов, усиленных и не усиленных наклонными вантами, при их проектировании с применением ПК

о ^ ^

? } ■ С

московский ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

АВТОМОБЙЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ (Технический университет)

На правах рукописи

ЛЕ ТХУ ХЫОНГ

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ ВИСЯЧИХ МОСТОВ, УСИЛЕННЫХ И НЕ УСИЛЕННЫХ НАКЛОННЫМИ ВАНТАМИ, ПРИ ИХ ПРОЕКТИРОВАНИИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПК

(05.23.15- Мосты и транспортные тоннели)

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

Доктор технических наук, Профессор САЛАМАХИН П.М.

Москва 1999

СОДЕРЖАНИЕ Введение ........................................

Глава 1. Состояние проектирования висячих мостов, цель и задачи исследования...........................................................10

1.1. Краткие сведения из истории развития висячих мостов........10

1.2. Краткие сведения о строительстве висячих мостов во Вьетнаме...........................................................................11

1.3. Выбор схемы висячих мостов для условий Вьетнама.............12

1.4. Выбор метода статического расчета висячих мостов с учетом геометрической нелинейности......................................................16

1.5. Анализ состояния использования ЭВМ и ПК для проектирования оптимальных мостовых конструкций. Цель и задачи исследования............................................................20

Глава 2. Расчет пролетного строения висячего моста, усиленного нисходящими вантами по деформированной схеме с учетом принимаемых усилий предварительного натяжения вант............25

2.1. Конструктивная схема пролетного строения вантового моста и принятые расчетные предпосылки.............................................25

2.2. Расчетная схема конструкции.................................................28

2.3. Определение усилий в элементах пролетного строения в зависимости, от прогибов системы и смещения узлов крепления вант к пилонам....................................................................30

2.4. Получение разрешающей системы уравнений.................... 38

2.5. Вычисление матрицы А........................................................ 46

2.6. Вычисление опорных реакций балки жесткости...................48

Глава 3. Разработка программы проектирования пролетного строения висячего моста, усиленного наклонными вантами, с применением ПК..................................................................49

2

3.1. Замысел программы............................................................ 49

3.2. Исходные данные заказчика к программе машинного проектирования..............................................................................52

3.3. Искомые параметры и размеры............................................53

3.4. Принятая последовательность проектирования пролетного строения...........................................................................................55

3.5. Учет заданной временной нагрузки и собственного веса пролетного строения при вычислении расчетных силовых факторов...............................................................................59

3.6. Выбор и задание значений основных независимых параметров пролетного строения висячего моста при его автоматическом проектировании...................................................60

3.7. Выбор начальных размеров элементов пролетного строения.............................................................................61

3.8. Автоматическое формирование матриц, входящих в систему уравнений.......................................................................................66

3.9. Приведение заданных постоянной и временной нагрузок к узловой.............................................................................67

3.10.Решение системы нелинейных уравнений..............................72

3.11 .Определение расчетных силовых факторов в элементах

пролетного строения......................................................................73

3.12.Определение окончательных размеров элементов пролетного строения......................................................................................73

3.13.Проверка динамической и аэродинамической устойчивости пролетного строения ....................................................................75

3.14.Выбор оптимального варианта конструктивного решения пролетного строения.....................................................................77

Глава 4. Отладка, обкатка и освоение программы проектирования пролетного строения висячего моста, усиленного наклонными вантами...............................................................78

з

4.1. Вводные замечания..................................................................78

4.2. Проверка правильности работы программы расчета пролетного строения висячего моста с постоянным и переменным сечением балки жесткости по длине пролета............................79

4.3. Проверка правильности работы программы расчета пролетного строения висячего моста усиленного нисходящими вантами................................................................................84

4.4. Проверка правильности получения огибающих эпюр силовых факторов и выбора их максимальных значений на участках балки жесткости...........................................................................90

4.5. Проверка реальности выходных данных о запроектированном варианте пролетного строения висячего моста................................................................................94

4.6. Проверка реальности выходных данных о запроектированном варианте пролетного строения висячего моста, усиленного наклонными вантами.......................................96

4.7. Проверка правильности выбора рекомендуемого варианта конструктивного решения пролетного строения..........................99

Глава 5. Исследования с помощью программы проектирования, рекомендации по ее использованию для получения рациональных конструктивных решений пролетных строений висячих мостов, усиленных и не усиленных нисходящими вантами...........................100

5.1. Вводные замечания..............................................................100

/

5.2. Исследование влияния изменения (отношения стрелы

провисания кабеля к пролету) на выходные характеристики пролетного строения висячего моста...........................................103

5.3. Исследование влияния изменения количества узловых точек N на выходные характеристики пролетного строения висячего моста.................................................................................108

5.4. Исследование влияния высоты балки жесткости на выходные характеристики пролетного строения висячего моста................111

5.5. Исследование влияния количества стенок балки жесткости на выходные характеристики пролетного строения висячего моста.................................................................................114

5.6. Исследование влияния углов наклона оттяжек на выходные характеристики пролетного строения висячего моста................116

5.7. Исследование влияния количества наклонных вант и их сечения на выходные характеристики пролетного строения висячего моста............................................................... 118

5.8. Исследование влияния величины пролета вантового моста на выходные характеристики его пролетного строения............120

5.9. Рекомендации по использованию разработанной программы для получения рационального конструктивного решения пролетного строения висячего моста усиленного и не усиленного наклонными вантами..........................................123

5.10.Выводы по главе 5...............................................................125

Заключение.........................................................................127

Литература ...................................................................................130

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В настоящее время в мировом мостостроении находят все более широкое применение металлические вантовые и висячие пролетные строения с ортотропной плитой проезжей части.

В мировом мостостроении настоящий период характеризуется относительным увеличением доли мостов, строящихся со стальными конструкциями пролетных строений. Так, в Великобритании и одной из главных стран на мировом мостостроительном рынке - количество строящихся мостов со стальными пролетными строениями длиной свыше 35-50 м составляет около 90% общего объема [25].

Увеличение доли металлических мостов связано с увеличением расхода дорогостоящей стали, что традиционно ставит задачу рационального её расходования. Одним из эффективных путей решения этой задачи всегда являлась оптимизация мостовых конструкций на стадии проектирования. В настоящее время проектирование оптимальных по расходу мостовых конструкций немыслимо без применения современной вычислительной техники. Тем не менее в проектных организациях вычислительная техника в настоящее время используется в основном для выполнения расчетных работ в ходе проектирования. Изменение размеров в нужном направлении и решение задач компоновки конструкции выполняется инженером-проектировщиком с учетом его инженерной интуиции и опыта. Между тем эта работа может быть с успехом поручена ПЭВМ, если в основу алгоритма действий ПЭВМ заложить логику действий опытного инженера-проектировщика. Это вполне возможно, ведь создана уже более сложная логическая программа

для шахматной игры, которая в матче с чемпионом мира Г. Каспаровым одержала победу в шести партиях.

Настоящая работа посвящена разработке методики проектирования с применением ПК пролетных строений висячих мостов, усиленных и не усиленных наклонными вантами. Цель работы. Разработка программы проектирования с применением ПК пролетных строений висячих мостов, усиленных и не усиленных наклонными вантами , и выработка рекомендаций по использованию её при решении практических задач проектирования висячих мостов. Для достижения этой цели:

* изучен опыт предшествующего использования ПК для расчета и проектирования мостовых конструкций.

* выбран рациональный метод деформационного расчета пролетного строения висячего моста, усиленного и не усиленного наклонными вантами, для задачи его проектирования с применением ПК.

* разработан алгоритм программы проектирования пролетного строения висячего моста, усиленного и не усиленного наклонными вантами на основе использования инженерного метода последовательных приближений к искомому решению при удовлетворении требований СНиП 2.05.03-84 по условиям прочности, жесткости, динамической и аэродинамической устойчивости.

* разработана программа проектирования пролетного строения висячего моста, усиленного и не усиленного наклонными вантами, с применением ПК.

* с помощью разработанной программы проектирования проведено исследование влияния независимых параметров

пролетного строения висячего моста, усиленного и не усиленного наклонными вантами на его стоимость.

* разработаны рекомендации по использованию разработанной программы для решения практических задач проектирования пролетных строений висячих мостов, усиленных и не усиленных наклонными вантами.

Метод исследования, в основном, теоретический с использованием обычного математического аппарата. Проведены численные экспериментальные исследования на ПК для выработки рекомендаций по оптимальным параметрам пролетных строений висячих мостов и рекомендаций по использованию программы для решения практических задач проектирования. Научная новизна и значимость работы заключается в следующем:

- впервые разработан алгоритм проектирования пролетных строений висячих мостов, усиленных и не усиленных наклонными вантами, с оптимизацией проектного решения по минимуму стоимости;

- впервые получены оптимальные параметры пролетного строения висячих мостов, усиленных и не усиленных наклонными вантами, базирующиеся на комплексных условиях оптимальности и установлены закономерности изменения целевой функции от значения параметров.

Практическая значимость работы заключается в том, что разработанная программа позволяет определять оптимальные параметры пролетных строений висячих мостов, усиленных и не усиленных наклонными вантами, по критерию их минимальной стоимости.

Эффективность работы определяется возможностью резкого повышения производительности труда проектировщиков за счет использования современной вычислительной техники в режиме тесного общения специалиста и ПК.

8

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 67 наименований и содержит 135 страниц машинописного текста.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВИСЯЧИХ МОСТОВ, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Краткие сведения из истории развития висячих мостов.

Первые висячие мосты появились в древние времена, на заре развития человеческого общества. Они имели простейшую конструктивную форму: по канатам укладывались элементы настила, по которому двигались пешеходы и животные. Они имели малую грузоподъемность, сильно раскачивались при движении даже одного человека и плохо сопротивлялись ветровым нагрузкам.

Первый висячий мост с самостоятельной проезжей частью, соединенной с цепью подвесками, был построен в 1741 г. в Англии через р. Тисс. Он имел пролет 21 м и служил для прохода горнорабочих.

Пролеты подобного рода мостов стали быстро нарастать и в начале 19 века достигли 150-177 м. Основным несущим элементом мостов этого периода была цепь, составленная из колец или отдельных жестких элементов, соединенных между собой болтами.

Во второй четверти 19 века в Англии началось строительство кабельных висячих мостов, в которых основной несущий элемент (цепь) был заменен проволочным кабелем. Это позволило значительно увеличить пролеты мостов и в 1834 году в Швейцарии вблизи Фрайбурга был построен висячий мост с пролетом 265 м.

Применение высокопрочных материалов в кабеле вскоре позволило построить в 1883 году знаменитый Бруклинский мост в Нью-Йорке с грандиозным для того времени пролетом 486м.

В начале нынешнего века инициатива строительства висячих мостов рекордных пролетов прочно закрепилась в США. В 1903 году был завершен Вильямсбургский мост в Нью -Йорке с пролетом 488м, в 1924 году - мост через р. Гудзон с пролетом 497м, в 1926 г. мост в Филадельфии через р. Делавар с пролетом 533м, а в 1929 году -Детройтский мост с пролетом 563 м.

Лидерство США в области строительства висячих мостов с рекордными пролетами продолжалось до 1965 года. В 1937 году был построен в г. Сан - Франциско мост Золотые Ворота с пролетом 1280 м , а в 1965 годы - в Нью- Йорке мост "Верразано -Нерроуз" с пролетом 1298 м. - последний американский рекорд.

В 1981 году в Великобритании был построен мост через пролив Хамбер с пролетом 1410м.

В 1997 г. в Дании был завершен висячий мост через пролив Большой Бельт с новым рекордным пролетом 1624 м. Но в 1998 году этот рекорд был превзойден после завершения строительства в Японии висячего моста Акаси -Кайко с новым рекордным для нынешнего времени пролетом 1990 м.

Этот рекорд, по-видимому, просуществует до 2006 года, на который намечено завершить в Италии строительство грандиозного висячего моста через Мессинский пролив с пролетом 3360м.

1.2. Краткие сведения о строительстве висячих мостов во Вьетнаме

Первые висячие мосты во Вьетнаме были построены до начала войны ( 1964 г.) , они были построены в горных районах, имели пролеты до 50 м и предназначались для пешеходного движения. Основным несущим элементом этих мостов были цепи, составленные из колец или отдельных жестких элементов, соединенных болтами.

В годы войны было построено ряд временных висячих мостов военного назначения с пролетами до 150 м. Это были кабельные висячие мосты без балок жесткости, проезжая часть которых поддерживалась при помощи подвесок, присоединенных к верхнему кабелю, и нижнего обратного кабеля. Типичными

Гр

примерами таких мостов являются: мост Таваи, построенный в 1967 г., мост Фунг, построенный в 1969 г., мост Дыонг, построенный в 1972 г.

В северной части Вьетнама в период с 1970 по 1975 г. были построены восемь висячих аналогичных мостов гражданского назначения с пролетами от 76 до 194 м. Все они имели узкий габарит ( Г - 3 или Г - 4 с двумя тротуарами по 1 м) и небольшую грузоподъемность.

В послевоенный период (после 1975 г.) во Вьетнаме было начато строительство висячих мостов с балками жесткости. Среди них следует отметить мост Докуан двухкабельной системы с пролетом 192,4 м и первый во Вьетнаме трехпролетный вантовый мост через р. Дакрон по схеме 22.5 + 128 + 22.5м.

В настоящее время проблема строительства висячих мостов во Вьетнаме стала привлекать внимание наиболее крупных проектных организаций. Есть основание полагать, что в ближайшие годы во Вьетнаме найдут применение висячие мосты средних пролетов в связи с появлением искусственных морей, образовавшихся в результате строительства крупных гидротехнических сооружений.

1.3.Выбор схемы висячих мостов для условий Вьетнама

В настоящее время известно широкое разнообразие конструктивных схем висячих мостов. Они подразделяются [8] по следующим основным признакам:

* по числу пролетов,

* по материалу балки жесткости,

* по материалу основного несущего элемента,

* по способу восприятия распора,

* по характеру распределения нагрузки между кабелем и балкой жесткости,

* по геометрической схеме несущего кабеля.

По числу пролетов различают четыре типа висячих мостов:

• однопролетные (рис. 1.1),

• двух пролетные (рис. 1.2.а),

• трех пролетные (рис. 1.2.в),

• многопролетные (рис. 1.2.г).

Рис. 1.1. Классическая схема однопролетного висячего моста 1- подвеска, 2 - несущий кабель, 3 - оттяжка, 4 - анкерная опора, 5 - пилон, 6 - балка , 6' - ферма жесткости,

1 - пролет моста

Наибольшее распространение получили одно- и трех пролетные висячие мосты, которые обычно лучше вписываются в условия преграды. Двух пролетные висячие мосты проектируют редко, когда возможна установка промежуточной опоры. Многопролетные системы вант