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

кандидата технических наук
Ле Тху Хыонг
город
Москва
год
1999
специальность ВАК РФ
05.23.15
цена
450 рублей
Диссертация по строительству на тему «Оптимизация параметров пролетных строений висячих мостов, усиленных и не усиленных наклонными вантами, при их проектировании с применением ПК»

Текст работы Ле Тху Хыонг, диссертация по теме Мосты и транспортные тоннели

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