автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Особенности работы опор многоуровневых транспортных развязок в условиях Вьетнама

На правах рукописи

НГУЕН КУАНГ ХУИ

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ОПОР МНОГОУРОВНЕВЫХ ТРАНСПОРТНЫХ РАЗВЯЗОК В УСЛОВИЯХ ВЬЕТНАМА

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

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 9 АПР 2015

005567964

МОСКВА 2015

005567964

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального «Московского автомобильно -дорожного государственного технического университета (МАДИ)» на кафедре мостов и транспортных тоннелей Научный руководитель: кандидат технических наук,

профессор Попов Виктор Иванович. Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

Шестериков Владимир Иванович -заведующий отделением искусственных сооружений ФГУП «Росдорнии» Кандидат технических наук Сергеев Алексей Анатольевич-Генеральный директор ЗАО «НИЦ «Мосты». Ведущая организация: ЗАО «Петербург-Дорсервис»

Защита состоится 21 мая 2015 в ......................на заседании

диссертационного совета Д 212.126.02 при ФГБОУ Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете по адресу: 125319, г. Москва, Ленинградский проспект, дом 64, ауд. 42. Справки по тел./факс (495) 155-93-24

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте

Московского автомобильно -дорожного государственного

технического университета (МАДИ) http://www.madi.ru/1266-

uchenw-sovet-qrafik-zaschitv-dissertaciy.html.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенные

печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Копию отзыва просим присылать по e-mail: uchsovet@madi.ru.

Автореферат разослан: « 07 » апреля 2015 г.

Ученый секретарь ^ ^

диссертационного совета -k^X^j

к.т.н, профессор sf-f Борисюк Н. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Проектирование и строительство транспортных сооружений в современных городах происходя стремительными темпами. Это связано, прежде всего, с постоянным возрастанием количества автомобилей, особенно в мегаполисах, создающим серьезные проблемы движения транспорта и пешеходов.

Двухуровневые транспортные развязки типа «клеверный лист» в крупных городах практически исчерпали свои возможности для организации беспрерывного движения автомобилей. Повсеместно видно, как проектировщики усовершенствуют такие развязки под современные условия движения, дополняя «клеверный лист» направленными съездами, путем устройства направленных эстакад с большими радиусами кривизны. Такая мера позволяет обеспечить проезд развязки с большими скоростями и не стеснять движение.

Увеличение количества пересекающихся в пределах развязки дорог требует создания многоуровневых комплексных сооружений, включающих в себя путепроводы, эстакады, тоннели, расположенные в разных уровнях. Количества таких уровней уже часто составляет 4...5. В этом случае возникает проблема проектирования разумного количества опор, поддерживающих пролетные строения эстакад и путепроводов на достаточно небольшом по площади пространстве.

Наиболее сложное решение предполагает возведение одностоечных рамных опор с консольными ригелями для разных уровней развязки. Такие опоры устраивают в центральной части транспортной многоуровневой развязки. Проектирование подобных опор сопряжено с учетом сложностей при взаимной работе стойки и ригелей. Для корректного проектирования таких опор необходимо

проведение специальных исследований, что и было сделано в настоящей диссертации.

Во Вьетнаме вопросы проектирования многоуровневых опор также стоят перед проектировщиками. В построенных в небольшом количестве 2-х и 3-х уровневых транспортных развязках применены рамные опоры в виде двух и трех стоек, объединенных ригелем.

Мировые тенденции в изменении состава транспортных потоков и количества автомобилей в целом характерны и для Вьетнама, хотя по составу транспортных средств имеются особенности, отличающие страны Юго-Восточной Азии. На дорогах и городских улицах на сегодняшний день преобладают мотоциклы и мопеды, но и рост количества легкового и грузового транспорта наблюдается постоянно. С учетом отмеченного вопросы исследования особенностей работы одностоечных рамных опор с консольными ригелями представляются актуальными для современного и необходимыми для будущего Вьетнама.

Целью диссертационной работы является исследование особенностей работы одностолбчатых опор с несколькими консольными выступами, которые устраиваются в зоне пересечения пролетных строений эстакад, проходящих в различных направлениях и уровнях.

Поставленная цель достигается посредством решения следующих задач:

• анализа вьетнамского, российского и других стран опыта в проектировании, исследовании и строительстве опор сложной конструкции под эстакады, транспортные пересечения и развязки под несколько уровней движения, на основе которого определяется актуальный для условий Вьетнама объект исследования;

• разработки обобщенной схемы одностолбчатой опоры с несколькими консольными ригелями в разных уровнях, которая отвечала бы перспективному уровню развития многоуровневых транспортных сооружений во Вьетнаме;

• создания конечно-элементной модели исследуемой опоры многоуровневой развязки применительно к обоснованно выбранному программному комплексу, который используется в практике проектирования Вьетнама;

• проведения расчетов по определению нагрузочных и эффектов выбранной обобщенной опоры при различных и неблагоприятных случаях ее загружения с целью получения результатов, свидетельствующих об особенностях работы таких опор под внешними нагрузками, включая фактор предварительного напряжения консольных ригелей и тела стойки опоры;

• на основе полученных результатов расчетов подготовки рекомендации по целесообразным конструкциям тела стойки, консольных ригелей и особенностям армирования высоких столбчатых опор, работающих на воздействие нескольких уровней движения;

• разработки алгоритма и программы расчета прочности нормальных сечений консольных ригелей и подбора обычной и напрягаемой арматуры при проектировании опор под многоуровневые транспортные развязки на базе норм Вьетнама;

• разработки предложений по проектированию одностоечных рамных опор с консольными ригелями для условий Вьетнама.

Объект исследования - одностоечная рамная железобетонная опора с двумя консольными ригелями в разных уровнях.

Предметом исследования является выявление особенностей работы одностоечной рамной опоры с консольными ригелями под действием постоянных, временных подвижных нормативных нагрузок и сил предварительного напряжения.

Научная новизна заключается в следующем:

1. определены целесообразные формы стойки и консольных ригелей рамной опоры: для стоек - круглое постоянного или переменного сечения.

2. доказано, что уровни напряжений в заделке консольных ригелей превышают уровни напряжений по обрезу фундамента одностоечных рамных опор и они являются определяющими при проектировании опор такого типа.

3. определено, что распределение нормальных напряжений вдоль консольных ригелей происходит по криволинейной зависимости с наименьшими значениями в средних участках ригелей.

4. доказана целесообразность симметричного армирования тела одностоечной опоры вне зависимости от расположения консольных ригелей.

5. доказано, что для армирования консольных ригелей целесообразно использовать более мощные арматурные элементы, расположенные ближе к верхней фибре ригелей. Повышение класса арматуры существенно увеличивает несущую способность ригелей.

6. для консольных ригелей определяющей нагрузкой является временная подвижная и с увеличением вылета консолей этот эффект увеличивается.

Практическая ценность результатов работы состоит в следующем:

• результаты проведенных исследований дают полную картину напряженно-деформированного состояния сложных одностоечных рамных опор с консольными ригелями, позволяющую правильно оценивать работу опор под действием нагрузок с нескольких уровней движения.

• полученные в ходе исследований результаты напряженно-деформированного состояния одностоечных рамных опор могут быть использованы при практическом проектировании одностоечных рамных опор во Вьетнаме.

• разработанные программы проверки прочности сечений консольных ригелей и подбора обычной и напрягаемой арматуры реально помогут проектировщикам Вьетнама при проектировании опор с консольными ригелями.

• полученные результаты могут быть использованы в практике проектирования также Г-образных опор, применяемых в городских криволинейных эстакадах.

Достоверность результатов исследований подтверждается проведенными расчетами на основе проверенного практикой многих стран программного комплекса Midas и применением расчетных формул действующих во Вьетнаме норм на проектирование мостовых сооружений. Основные положения, выносимые на защиту:

• результаты анализа конструктивных решений опор многоуровневых транспортных развязок и пересечений и выбор объекта исследований;

• обобщенные конечно-элементные модели рамной одностоечной опоры с консольными ригелями;

• результаты параметрических исследований особенностей работы одностоечной рамной опоры с консольными ригелями в двух уровнях под действием внешних нагрузок;

• результаты исследований рамной одностоечной опоры с консольными ригелями под действием напрягаемой и с учетом армирования ненапрягаемой арматурой;

• предложения по проектированию и конструированию рамных одностоечных опор под три уровня движения;

• разработанные программы проверки прочности сечений консольных ригелей и подбора ненапрягаемой и напрягаемой арматуры в них.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на IV международной научно-практической конференции Евразийского союза ученых, научно-исследовательской конференции МАДИ в 2014 году, а также на двух заседаниях кафедры мостов и транспортных тоннелей МАДИ в 2014 году.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в трех статьях, в том числе в двух статьях в журнале, рекомендованном ВАК России, а также в докладе IV международной конференции Евразийского союза ученых.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Основное содержание диссертации изложено на 145 страницах, в 6 таблицах, 112 рисунках, списке литературы из 77 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, научная новизна и приведены основные ее результаты, выносимые на защиту.

В первой главе приведены конструкции и дано современное состояние проектирования и строительства опор многоуровневых транспортных развязок во Вьетнаме и других странах. Вопросам исследования опор сложных транспортных сооружений посвящены работы Гибшмана М.Е, Попова В.И., Ле Хуанг Ха и др.

Как показывает проведенный обзор, в многоярусных транспортных пересечениях чаще всего применяют стоечные и столбчатые опоры, опоры-стенки и рамные опоры. При выборе опор эстакад следует учитывать требования о минимальном стеснении подэстакадного пространства. Этому требованию в наибольшей степени отвечают одностоечные и одностолбчатые опоры, широко применяемые в мире, в том числе и во Вьетнаме. В трехуровневых развязках Вьетнама применены замкнутые рамные опоры и при дальнейшем увеличении количества уровней движения потребуется строительство одностоечных рамных опор с несколькими консольными ригелями, работа которых под нагрузками еще не изучена во Вьетнаме.

В этой связи проведенные исследования в рамках настоящей диссертационной работы будут иметь большое практическое значение для проектирования сложных многоуровневых транспортных пересечений и развязок во Вьетнаме, а также, благодаря полученным результатам совершенствованию нормативной базы Вьетнама.

Во второй главе проведена конечно-элементная аппроксимация обобщенной модели опоры многоуровневой транспортной развязки и приняты наиболее неблагоприятные загружения модели. В качестве инструмента исследований был принят программный комплекс Midas FEA, позволяющий решать задачи определения местных напряжений и

деформаций в сложных структурах и который широко применяется в практике проектирования во Вьетнаме Расчетная модель в работе представлена в виде системы различных конечных элементов (рис.1.).

Рис.1. Конечно-элементное представление опоры: а - в виде плоских стержневых элементов;

6 - из пространственно-стержневых элементов; в- с применением пространственно - блочных элементов

Модель из пространственно-стержневых элементов была использована для получения реакций, передаваемых от пролетных строений на выступающие ригели, а модель из пространственно-блочных элементов - для определения напряжений и перемещений элементов исследуемой обобщенной модели.

Пролетные строения на верху стойки (четвертый уровень) были приняты шириной 12 м, а на втором и третьем уровнях -шириной по 9 м. Длины пролетов приняты следующими: для пролетного строения 4-го уровня -по 42 м, а для остальных пролетных строений (2-го и 3-го уровней) - по 33 м, что характерно для многих развязок и пересечений.

а)

б)

в)

а) б>

J

ш

Уровень 4

Уровень 3 Г

Ур

ойень 2

и:

—щ-тг~

Рис.2. Общий вид опоры с пересекающимися пролетными строениями в разных уровнях: а- узел с одностоечной опорой; б-размеры опоры

Нагрузки на опору были приняты в соответствии с действующими во Вьетнаме нормами, базирующимися на нормах ААЭНТО-ЬРРО (США). Основной являлась нагрузка от подвижного состава Н1_-93 (рис.3).

Р=35кН Р = 1Д-5кН Р = 1^5кН У = 9.31 кН/м

4-.3

1 I I 1 1 I 1 1 1 1 I

Рис.3. Нагрузка от подвижного состава, принятая во Вьетнаме Обобщенная модель опоры загружали таким образом, чтобы получить наибольшее давление на стойку, обеспечить наибольшее внецентренное сжатие, затем закручивание и, наконец, наибольшие перемещения верха опоры и ригелей.

Учет неупругих деформаций бетона опоры обеспечивался при этом возможностями программы MIDAS и принятых норм Вьетнама.

В третьей главе приведены результаты параметрических исследований работы под влиянием различных нагрузочных факторов.

Были исследованы различные формы тела стойки опоры и консольных ригелей, взаимное влияние длин пролетных строений и вылета ригелей при обеспечении требования норм по прочности и жесткости стойки и ригелей, а также влияние арматурных элементов на работу обобщенной опоры.

Для рассмотренных 7 типов формы поперечного сечения стойки опоры (рис.4) в опасных зонах были получены значения напряжений (рис.5), которые показали целесообразность применения круглого сечения стойки переменного или постоянного диаметра по высоте.

а -круглая сплошная с/= 3.1 м в-круглая сплошная с/ = 4.65 м д- круглая сплошная с/ = 6.2 м

е - прямоугольная полая

А

и,ш

Рис.4. Исследованные формы стойки опоры При этом при наиболее неблагоприятных загружениях опоры напряжения в заделке консольных ригелей на порядок могут превышать соответствующие напряжения по обрезу фундамента опоры.

ае 1\ МПа

/Зона "а"

зона "б"

X / /зона "в"

— .. /

/ 1 _ 1 к к 1

0 3 4 NN опор 5 6 7

Рис.5. Графики изменения наибольших эффективных

напряжений в опасных зонах опоры Исследования по определению границ соотношения длины опирающихся на ригель пролетных строений и вылета консольного ригеля показали, что критерием может служить предельный уклон ригеля, при котором обеспечивается безопасность движения транспорта по эстакадам пересечения или развязки. При ограничении продольного уклона ригелей в диапазоне длин от 7,2 до 9,2 м под нагрузками в 6% длины пролетных строений в смежных пролетах не должны выходить за границы 46... 30 м ( рис.6).

Рис.6. Графики зависимости вылета консольного ригеля от длины пролетных строений При максимальном загружении консольных ригелей исследуемой одностоечной опоры, наклон стойки по отношению к вертикальной оси составил не более 0,05%, что для эстакады верхнего уровня представляется не опасным.

При проектировании консольных ригелей важен выбор его формы поперечного сечения. В работе были рассмотрены 6

возможных случаев (рис.7), для которых площадь поперечного сечения оставалась неизменной.

Рис. 1. Исследованные формы ригелей опоры: 1...3- массивные; 4...6 - Т, П и I - образные Простейшие массивные формы хуже сопротивляются изгибу, что видно из графиков рис.8, но учитывая особенности условий Вьетнама, применение простейшей прямоугольной формы для опалубки ригелей следует считать наиболее приемлемым.

Случай № 1

Случай № 2

Случай № 3

Случай № 4

Случай № 5

Случай № 6

-50

Предельное снимающее напряжение, МПа -100 наибольших снимающих ок, МПа

растягивающих а,,МПа

ающее напряжение, МПа

Рис.8. Влияние формы поперечного сечения ригеля на

напряжения в заделке В четвертой главе приведены результаты исследований работы рамной одностоечной опоры с учетом обычной и

напрягаемой арматуры. Механические характеристики арматурных элементов стойки и ригелей приняты по нормам Вьетнама, а именно, в частности, для обычной и напрягаемой арматуры модуль упругости Е принят равным 1,99x10® кН/м2.

Напрягаемая арматура была принята в виде пучков из 19 семипроволочных прядей с усилием натяжения 1395 кН, что соответствует 75% от предельного нормативного значения.

Заделанную консоль условно разбили на 6 элементов (рис.9,а) и расчетом по МКЭ получили зависимости влияния количества пучков (рис.9,б) и силы их натяжения на эффективные напряжения по граням элементов. а) , Н^" б)

V

А

без арматуры

1учков 11 пучков 15 пучков I учков 30 пучков

Рис.9. Влияние напрягаемой арматуры на работу ригеля: а -схема армирования консоли; б - зависимости эффективных напряжений от количества пучков напрягаемой арматуры Было выявлено, что при достаточно коротких длинах ригелей распределение напряжений вдоль него происходит по криволинейной зависимости и для свободного конца напряжения могут превышать напряжения в заделке более чем 2 раза. При этом в средней части ригеля эти напряжения также могут меньше, чем по концам ригеля в 2 и более раз. Таким образом, при проектировании консольных ригелей важно учитывать не только зону заделки, но и сечения на свободном конце, где создаются значительные напряжения от сосредоточенного приложения сил натяжения.

В главе было исследовано влияние характера армирования стойки опоры на ее работу в характерной зоне примыкания консольного ригеля (рис.10).

Рис. 10. Гповальная система координат опоры При этом было показано, что степень армирования стойки (по всему контуру сечения или в только в зонах заделки ригелей) мало влияет на перемещения по всех трем осям (рис.11,а) и на уровень напряжения в нормальном сечении А-А (рис.11,б).

а)

15

ш 2

S t> 1U

X

QJ 3" -ü 5 О.

OI ° п

Р с и

D о

О. га -Ь

<и =:

tz oj-io

»перемещение по оси ОХ перемещение по оси OZ

- перемещение по оси OY

б)

S

о ш

3 л

ш -О

S ^

I- 0)

Ü ь

ш го

t«

-в- X

m re4-

С5

51

¡<2

К <Q O. 0>J с I. re ©4

i со

Случаи армирования

-5

эффективные напряжения

касательные напряжения

Рис.11. Влияние характера армирования стойки опоры на ее работу: а - перемещения верха тела опоры; б -эффективные нормальны и касательные напряжения

Было также показано, что симметричное армирование стойки опоры ведет к более равномерному распределению нормальных сжимающих напряжений по горизонтальным сечениям.

В диссертации автором разработана программа расчета прочности сечений консольных ригелей обобщенной одностоечной опоры с подбором обычной и напрягаемой арматуры по нормам Вьетнама.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. В связи с постоянным ростом объемов строительства транспортных пересечений и развязок в городах Вьетнама возникает практическая необходимость проектирования сложных опор, в том числе рамных железобетонных опор с несколькими ригелями. Из-за отсутствия соответствующих методических указаний или рекомендаций по проектированию такого типа опор целью данной диссертационной работы было получение новых данных по работе одностоечных рамных опор с несколькими ригелями под разные уровни движения.

2. Разработаны конечно-элементная модели рамной одностоечной опоры с двумя консольными ригелями м пространственно-стержневой и пространственно-блочной аппроксимацией соответственно для определения внутренних усилий и напряжений в сечениях исследуемой опоры.

3. Выявлено, что для рамных одностоечных опор с консольными ригелями наиболее опасными являются сечения в заделке ригелей, в которых напряжения на порядок превышают соответствующие напряжения по обрезу фундамента, по которым определяют прочность одностолбчатых опор без ригелей. Доля напряжений в заделке консолей от действия временной подвижной нагрузки

составляет до 70...75% от соответствующих напряжений, вызванных собственным весом опоры и пролетных строений.

4. Наиболее рациональная форма опоры под многоуровневое движение - стойка постоянного или переменного по высоте круглого сечения, обеспечивающая простоту расположения консольных ригелей по контуру сечения и наилучшим образом распределяющая передаваемые на опору давления.

5. Для консольных ригелей наиболее рационально прямоугольное сечение, армированное сосредоточенными арматурными элементами.

6. При проектировании консольных ригелей следует учитывать, что средние по длине участки менее обжаты до 2 раз по сравнению с напряжениями по концевым сечениям.

7. По условиям прочности для одностоечных опор рассмотренного типа с консольными ригелями длиной до 9 м длины смежных пролетов не должны превышать 46 м. По условиям жесткости вылет консоли ригеля не должен превышать порядка 7,0 м при опирании на ригель неразрезных пролетных строений с длиной пролетов не более 33 м.

8. Для одностоечной опоры с консольными несимметрично расположенными ригелями в разных уровнях симметричное армирование напрягаемой арматурой ведет к более равномерному распределению сжимающих напряжений по горизонтальным сечениям.

9. Для подбора обычной и напрягаемой арматуры в консольных ригелях одностоечной опоры в соответствии с нормами Вьетнама рекомендуются разработанные автором программы, позволяющие ускорить процесс проектирования.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1. Нгуен К.Х. Опоры транспортных развязок и пути их совершенствования во Вьетнаме/ к.т.н., проф. В. И. Попов, аспирант Нгуен К.Х./ Сборник научных трудов МАДИ-2013- с. 51-58.

2. Нгуен К.Х. Особенности работы одностоечных опор с консольными ригелями многоуровневых транспортных развязок/ к.т.н., проф. В. И. Попов, аспирант Нгуен К.Х./ Журнал «Наука и техника в дорожной отрасли». -2014. № 2 (68).- с. 1920.

3. Нгуен К.Х. Армирование одностоечных рамных опор с консольными ригелями / к.т.н., проф. В. И. Попов, аспирант Нгуен К.Х./ Журнал «Наука и техника в дорожной отрасли». -2014. № 3 (69).- с. 26-28.

4. Нгуен К.Х. Особенно™ работы одностоечных рамных опор многоуровневых транспортных пересечений/ к.т.н., проф. В. И. Попов, аспирант Нгуен К.Х./ IV международная научно-практическая конференция- 25.07.2014, часть 5, с. 145-149.

5. Нгуен К.Х. Особенности работы опор многоуровневых транспортных развязок во Вьетнаме // Тезисы докладов на 72 Научно-исследовательскую конференцию МАДИ, январь 2014 г.

Подписано в печать: 19.03.2015 Тираж: 100 экз. Заказ № 1264 Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, Ленинградский проспект д.74 (4951790-47-77 www.reglet.ru