автореферат диссертации по строительству, 05.23.15, диссертация на тему:Проектирование автодорожных вантовых мостов с железобетонными балками жесткости при заданных технико-экономических показателях

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

На правах рукописи

АЛЬ-ЯКУБ МУСА

- проектирование автодорожных байтовых мостов с железобетонными балками жесткости при заданных технико-экономических показателях

05.23.15 — Мосты и транспортные тоннели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1092

Работа выполнена на кафедре «Мосты» Петербургског института инженеров железнодорожного транспорта.

Научный руководитель — кандидат технических наук, доцент Е. Д. МАКСАРЕВ

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Н. И. НОВОЖИЛОВА; кандидат технических наук, доцент А. И. БОГАТЫРЕВ

Ведущая организация — Ленгипротранс.

Защита диссертации состоится 1992

в . . часов . . . минут на заседании специализирова иого совета Д. 114.03.04 в Петербургском институте инжен ров железнодорожного транспорта по адресу: 190031, Санк Петербург, Московский пр., д. 9, аудитория 3-237.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технич ской библиотеке института.

Автореферат разослан ^ Ф.^1^ . 1992

Ученый секретарь специализированного совета Д 114.03.04

кандидат технических наук И. М. ЧЕРНЕЕ

гссортгцич ^ (К1ДЯ ШЖЖСЖЬ РАШ11!

Л к т у а я ь !! о с т ь т у м н , Вакгогьч! мости >•!«-роко пршоняотся п практики строительства хпо.ш стран *<ира. Применение их, как показывают шогочяслснныо исследования, геяесообразио в троком диапазоне про лотос от 70 м до 500 м и более. Современник вантопо-балочнкс «осты - это преимущественно безраспорные мосты с металлическими или железобетонными балками честкости. В настоящее время 'Лфокое распространение получили кости с железобетонными балками, которые несмотря на большую постоянную нагрузку оказываются на 30-35$ дешевле вактопнх мостов со счалы'или балками. Использование пеяс-зобетодаых балок способствует яозк»!ыо жесткости 55 азроди-на!кческой устойчивости вантосык настоп. Преимущество иаито-во-балочных мостов с железобетонными Валкгаи кесткости заключается в экономии металла, поБьменнл долговечности ;; коррозионной стойкости конструкции. Балки легко членятся па бло-.кп поперечники ывш.ж, для сборных балок жесткости разработан эффективный метод навесного ыонтста. Действие сетиап^к: усилий благоприятно влияет на работу яелезобетошгох балок, создаетсл как бы предварительное напряжение бетона балки, . что позволяет уменьшить количество арматуры и в ряде случаев исключить лреднапряяенную арматуру.

Рассматривая вопрос проектирования вантово-балочних костов, необходимо учитывать большое количество факторов, изменение которых неизбежно в прошосо поиска наиболее равдо-нального решения. К числу таких показателей относятся:

- соотношение величия постоянной и временной нагрузок;

- прогко'ы конструкви под временной нагрузкой;

- плавность кривой прогибов;

- тип поперечного сечения балки жесткости;

- расход материалов и общая стоимость конструкпии пролетного строения.

3 приведенном перечне показателей нами отражение конструктивные, эксплуатационные и экономические требования. При этом подразумевается, что должны быть обеспечены и условия прочности для всех элементов конструкции.

Решение такой задачи методом пробных расчетов затрудняет проектирование, вызывает необходимость просмотра большого числа вариантов конструкции и, в конечном итоге, не гарантирует эконошчность решения. Очевидно, что попытка обеспечить выполнение одних условий вступает б противоречие с другими условиями. Увеличение постоянной нагрузки способствует повышению жесткости пролетного строения, но при этом увеличивается расход материалов на ванты, растет их стоимость. Армирование балки большим количеством арматуры приводит к усложнению конструкщи и увеличению ее стоимости. Изменение соотношения стоимостей стальных канатов и железобетона балки может сделать выгодным увеличение расхода материала или на ванты, или на балку жесткости. Уменьшение поперечных сечений вант приводит к увеличению прогибов пролетного строения, а изменение соотношений жесткостей соседних вант может изменить плавный характер прогиба.

С учетом высказанных соображений задача о разработке методики проектирования вантово-балочнкх мостов представляет-

-з-

ся актуальной и требует разработки алгоритма, в ходе реализации которого учитываются перечисленные вы'пе показатели.

Целью диссерта иконной работы является:

- разработка методики и построение алгоритма расчета вантово-балочньк мостов с учетом ладанных прогибов конструкции под эксплуатационной нагрузкой, конструктивных особенностей железобетонных балок честности, прочности и стоимости материалов при условии их: рационального использования;

- исследование напряженно-деформированного состояния Байтовых мостов на основе разработанного в диссертации алгоритма расчета.

Задачи исследования. Исходя из поставленной цели сформулированы следующие задачи:

- анализ работы основных элементов вантово-балочных систем и опенка напряженно-деформированного состояния конструкции от действия временной эксплуатационной нагрузки;

- аппроксимация формы прогибов пролетного строения, обеспечивающая плавность их изменения при заданной максимальной величине f /пах » превосходящей нормативного значения;

- определение расхода материалов на элементы конструкции и построение функши стоимости, зависящей от заданной жесткости Байтового пролетного строения;

- разработка методики, положенной в основу общего алгоритма итерационного расчета, отвечающего на каждом этапе минимуму стоимости пролетного строения!

- анализ результатов рлсчвта различных схем вантово-ба-лочных мостов по разработанного алгоритму.

У е т о д и к а к с с л е д о р а и и я использует основные получения строительной неханики стеротювых систем, численные методы решсигоя задач па ЭЩ, теорию расчета мостовых: конструкций по предельны;«; состояниям •

Научная н о в и з н а работы заключается в разработке кетодшш расчета автодорошшк пантопо-балочнах мостов с учетом заданных техжисо-зконошческп;- пошепт опий.

На основе этой методики разработан алгорил; расчета, в результате реализации которого получены честностью характеристики основных элементов (ванты, банка жесткости), отвечающее минимуму стоимости пролетного строения.

По разработанному алгоритму выполнены примеры расчета пролетных строений вангово-балочных мостов и дап анализ полученных результатов.

Практическая ценность работ и:

- разработшные ис-тодяна и алгоритм расчета дают возможность произвести целенаправленный поиск рационального решения конструкции при выполнении заданных технико-экономических показателей;

- показана возможность использования предложенного алгоритма для расчета и проектирования вактово-балочтсс

пролетных строений различных систем.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов в ЛИШТе: "Неделя

науки-90", "Неделя наукк-9.1" (Ленинград, 195О, 1991 г. г.) к па заседаниях кафедры ".'Досты" ЖИЖТа.

П у б л и к а и п и . По материалам диссертации опубликована одна статья.

Структура и об ъ е м работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных: виподов ,ч рекомендаций, списка использованной литературы и приложений. Работа излечена на ¡-'52 страницах: машинописного текста, в тон числе Ю2 страниц осноеного текста, 38 рисунков, £ таблиц,' 2 страниц приложений. Список литературы включает 9'/ наименований, з том числе 20 на иностранных языках.

На за ц и г у в ы носятся :

- теоретические положения кетец;;:;:! расчета оаптово-ба-лочтх мостов с заданные гахшко-зконстческим!! показателя;:;! ;

- алгоритм расчета вгштош-балочта ¡гостов;

- результаты исследования вангово-баиочних мостов по предлагаемо'лу алгоритму;

- экономическая оффэктпЕность разработанной методики проектирования.

СОДЕРЙАШЕ РЛБОТН

Во введении обоснована актуальность теми исследования и методика его выполнения, ефорцулпроваа цель работы, задачи исследования и новизна работы.

В первой главе дай краткий исторический обзор строительствазантовнх постов. Установлено, что вэнтовые мосты появились в глубокой древности, в качестве материала

вант использовали бамбук и некоторые разновидности лиан. Первые Байтовые мости в Европе были построены л ХП - Ж', веках. Ик строительство связано с началом про?®.пенного развития таких; стран, как Англия, Орацния, Италия.

Вперши рациональное решение лаптового моста, удовлетворяющее требованиям жесткости , и вместе с тем, достаточно экономичное по расходу материалов, было предложено в 1909 г. юк .Кискляром. Французские вантогзые мосты представляли собой легкие сооружения для пропуска легкой нагрузки. Большой вклад в развитие теории расчета вантовых ферм и совершенствование их конструкции был сделан советскими учеными и инженерами в 1925-40 г.г. Особого внимания заслуживают теоретические исследования профессоров И.М.Рабиновича и Н.С.Стрелецкого, исследования и проектные разработки инженеров Е.И.Крыльиова, С.Н.Никифорова, В.А.Росновского. Большинство построенных в те годы мостов представляли собой внешне распорные системы, имевгаие пониженную жесткость и сложную конструкции Байтовых ферм с большим количеством узлов.

Дальнейшее развитие вантовых мостов пошло по пути создания новых систем, получивших название вантово-балочных, с металлическими или железобетонными балками жесткости.

В последнее время особенно широко стали применяться ван-товые мосты с железобетонными балками. Железобетонная балка жесткости воспринимает сжимающие усилия от вант без дополнительного усиления ее сечения и без дополнительных связей для обеспечения ее устойчивости в горизонтальной плоскости.

В настоящее время в железобетонных вантовых мостах рекордный пролет <? = 440 м имеет мост Барриос Де Луна,

построенный в 1903 г. я Испании.

Применяем«!; ввантаво-балочных мостах чепизобетонние Салки жесткости имеют различные формы поперечного сечения. Сюрма сечения согласуется в первую очередь с шириной моста и количеством плоскостей вантовых ферм. Больное инимпнии уделяется удобству расположения рабочей арматуры и онкиоплешто пант .

В этой "ко главе рассматриваются:конструкция вант, основные характеристики витых канатов заводского изготовления и канатов в виде пучков параллельных проволок, использус.изс при строительстве вантовых мостов.

Анализ технико-эиономических показателей вантовых мостов свидетельствует о высокой экономичности последних, несмотря на использование таких дорогастоя'дих конструкций как ванты.

При проектировании вантовых мостов необходима всесторонняя оценка их технико-экономических показателей, исключающая ошибки при использовании и распределении материала в основных элементах конструкции. Перечень факторов, влияющих на окончательное решение, оказывается достаточно широким. Соотношение жесткостей вант и балки зависит и от тех эксплуатационных требований, которые необходимо удовлетворять при проектировании сооружения. К ним относятся заданная жесткость конструкции, плавность кривой прогиба, отсутствие значительных углов перелома профиля пути при сопряжении Байтового пролетного строения с устоями. Изгнбная жесткость балки (при больших конструктивных запасах в размерах поперечного сечения) определяется выбранным типом поперечного сечения, армированием и меняется при переходе от плоских (тавровых, дву^

тавровых) балок жесткости к коробчатым. В свою очередь на окончательный выбор сачения балки оказывает-влияние ширина моста, соотношение постоянной и временной нагрузок и т.д.

В диссертационной работе репаатся задача построения такого алгоритма расчета вантовых мостов, при котором учитывается большинство перечисленных технико-эксплуаташонных требований. Критерием поиска рационального решения конструкции является тот минимум стоимости, который может быть определен»исходя из единичных стоимостей на изготовление отдельных элементов пролетного строения (бетон, арматура, ванты). Разработанная в диссертации методика проектирования дает возможность использовать различные соотношения в стоимости элементов конструкции. Это дает право автору рекомендовать ее для применения в условиях САР и других стран.

Вторая глава посвящена исследованию ванто-во-балочных мостов. Рассматриваются наиболее распространенные в настоящее время системы вантово-балочных мостов (двух- или трехлролетные). На основании имеющегося опыта проектирования и теоретических исследований Н.Н.Стрелспсого, А.А.Петропавловского, М.Е.Гибшана, В.Н.Кириенко, Б.Н.Байкова, О.К.Ка-чурина разработаны рекомендации по назначении основных размеров вантовых систем 1длина панели, высота Салки, соотношение пролетов, высота- пилона).

Для построения алгоритма расчета вантовых систем необходима предварительная оценка тех усилий и прогибов, которые будет иметь конструкция под заданной нагрузкой.

Условие совместности деформации в ¿ -ом узле крепления вант к балке хесткости может быть записано в виде

где ^ - усилии в с -ом ванте от временной нормативной нагрузки;

- площадь С- -го ванта;

£0 - длина оттягски;

- длина ¿ -го ванта;

- модуль упругости материала вант.

При заданном значении прогиба ¿¿^ требуемая площадь вант определяется

< /А^^ ^ )

- 0 \CQSUp Si'/ ■Яд. ~ —— - • (2)

^ ^ ' У С .

Значения усилий и прогибов используются для построения алгоритма расчета Байтовых: систем с учетом требуемой эксплуатационной жесткости.

Уточнение приближенных значений усилий и прогибов ванто-во-балочной системы должно производиться после расчета конструкции на ЭВМ,

Большой вклад в развитие теории расчета сложных конструкций внесли работы А.П.Филина, А.Ф.Смирнова, А.В.Александрова, Н.Н.Шапошникова, А.С.Городецкого. На основе их исследований разработаны комплексные программы, в которых реализован метод конечных элементов.

Для выполнения статических расчетов использовался

программный комплекс ТУРК, разработанный на кафедре "Строп-тельная механика" ИШТа II.Д.Никольским, О.Н.Ленько, И.М. Черневой, О.Д.Тананайко, Н.Ф.Везперстовой, И.И.Рыбиной.

По стандартным программам этого комплекса выполнялись расчеты балочных мостов.

В третьей главе разрабатывается методика проектирования вантово-балочных мостов при заданных технико-экономических показателях.

Прогибы Байтовой системы могут быть аппроксимированы полиномом четвертой степени

^ *1тах + С*** * > (3)

который обеспечивает при заданной максимальной величине плавное очертание упругой оси балки жесткости. Коэффициенты полинома 8 , С , с/ находятся из условий заданного максимального прогиба, отсутствия прогибов на опорах, угла поворота сечения балки и заданных углов перелома профиля пути при сопряжении моста с устоями. Эти коэффициенты выражаются через неопределенный коэффициент в

Прогибы системы в точках крепления вант к балке жесткости согласно (3) могут быть представлены в виде

Подставляя в выражение (2) найденные в каждом узле согласно (4) прогибы, определяем площадь поперечного сечения вант

■ СОЗ^;

с . / * / 3,, )

Л - ■ $¿^<¿1 /_ (Б)

Действующая на балку нагрузка может быть определена как четвертая производная функции прогибов (3)

Р -- -- , (б)

где - изгибиая жесткость балки.

Изгибающие моменты от распределенной нагрузки Рд могут быть легко определены в соответствии с заданной схемой сооружения из расчета двух- или грехпролеткой неразрезной балки.

Мр =Мр * Мр -- 24 -^-Е-З-3 + , (7)

где - числовой коэффициент, определяемый в соответствии

с расчетной схемой балки.^ Дополнительное слагаемое н ^ т учитывает местный изгиб балки от нагрузки менду узлами крепления вант.

Площадь поперечного сечения рабочей арматуры балки жесткости назначается из условия расчета на прочность по изгибающему моменту

Л5 = гЛг , (8)

Лк

&5 -к

где - напряжение в арматуре от действия временной

нормативной нагрузки р^ . Стоимость Байтового пролетного строения складывается из стоимости вант и стоимости бетона и арматуры балки дест-кости

с* 5 7а *ел*4 *с* Г> ^ {9>

-м-

где С, С$ - стоимости I т вант, I м^ бетона и I т арматуры; - удельный вес материала вант; ^ - удельный вес металла; Л - площадь поперечного сечения бетона балки жесткости; ~ общая дайна пролетного строения.

С учетом значений площадей поперечного сечения вант согласно (5), расхода арматуры согласно (7)-(8) и бетона Салки жесткости Л стоимость пролетного строения перепишется в виде

/у., . & Те * 5в. / СЫ;

{ ) ' ТГ'ы '( Я*^ * . (10)

Л/7< / *с ^ ев_ -сеы,) Г

(¿.р(е) +зфу. , * 1

Условие миницуна стоимости пролетного строения записывается в виде

дс

= О , (И)

так как единственным аргументом функции стоимости является неопределенный параметр 5 ,

Производная функции стоимости по в имеет вид

дс_ с$ П " / 4 • +

де Е& I

Ч'

е-,.»

¡Минимизируя функцию стоимости по 6 , получаем решение, отвечающее наименьшей стоимости пролетного строения, но лишь приближенно учитывающее условие равновесия и совместности деформаций рассматриваемой конструкции. Через значение параметра в можно определить площади поперечного сечения всех элементов, отвечающих минимуму стоимости в первом приближении. Алгоритм расчета, связанный с соблюдением условий равновесия, совместности деформаций и условий прочности элементов представлен в виде блок-схемы на рис Л. Алгоритм расчета использует итерационный процесс определения размеров поперечных сечений основных элементов, отвечагацих минимуму стоимости пролетного строения. Проверка прочности вант на каждом этапе производится при нормативной временной нагрузке Рц . При этом напряжения в вантах не должны превосходить значения

&д = ^ * р , аз;

где - ресчетноа сопротивление материала вант.

В том случае, когда напряжения в вантах (5л превылает значение , площадь поперечного сечения этих вант долк-

BjîCX- сжзмя р&сцвтгг

ôiifjmoBo&o Mû ста

puc.í

на быть увеличена на следующей этапе расчета. Поскольку площадь вант выражзна согласно (6) через действующие в нем усилия, новое значение усилия модет быть определено из выражения

С С

\пи Р„ ■ ^ ' (М)

п котором косвенно учтено условие прочности материала при совместной .действия постоянной и временной нагрузок.

КачдыЯ цикл алгоритма включает в себя расчет пролетного строения на Э&М по стандартной программе.

В четвертой главе приведены результаты расчета ваитово-балочпых систем по разработанному алгоритму. Рассмотрены наиболее характерные системы (трехпролет-ный моет с симметричной разбивкой на пролеты 60+210+60 м, двухпролетный с неравными по длине пролетами 120+210 м, двух-пролетный с упругим опиранием балки жесткости на промежуточной опоре). Во всех случаях расположение ваит принято по схеме "пучок". Количество вант изменялось от б до 14 штук в основном пролете при изменении длины панели в пределах 15-30 м. Расчет конструкций произведен в соответствии со СНиП 2.05.0384. Единичные стоимости отдельных элементов конструкции ван-тово-балочного пролетного строения приближенно приняты с = 250 руб./м3, £>$ = 750 руб./т, ^ = 3000 руб./т.

Результаты вычисления параметра р , прогибов, площадей поперечного сечения вант на катодом шаге итерации представлены в виде таблиц, приводятся графики изменения стоимостей пролетного строения при различных вариантах попереч-

ного сечения балки.

На рис.2 показаны результаты расчета трехпролетного моста с разбивной на пролеты по схеме 60+-2I0+60 м. Пролетное строение рассчитывалось при двух вариантах поперечного сечения балки жесткости, изображенных на рис.3.

Полученные- в ревультате расчета максимальные прогибы по первому варианту составили / = 0,13 м, по второму -f -0,15м при исходном значении f - 0,2 м (рис.2,б).

Уменьшение прогибов по сравнешю с заданным значением объясняется увеличением местностей вант в связи с обеспечением условия их прочности.

Второй вариант конструкции пролетного строения оказался на 17% дешевле первоначального, т.к. расход материалов на основные элементы конструкции (ванты, бетон и арматуру балки) снизился (рис.3,6).

Площади поперечного сечени.1 вант, полученные в результате расчета вантовой системы, показаны на рис.2,а.

Реализация алгоритма расчета покапала достаточно быструю сходимость итерационного процесса. Стабилизация значения параметра S достигалась на четвертом - шестом шаге итерации.

Приводятся результаты расчета вантово-балочных пролетных строений при других схемах разбивки на пролеты и иных вариантах поперечного сечения балки жесткости.

основные швода и ршмвдщш

I. Разработана методика проектирования вантовых автодорожных пролетных строений с я;елезобетоккьши балками жест-

Результаты расчета, трехпролегпного ßa»moßo2ü моста.

~ /06 к///»

шг~1 ез

Я)

(líi ízh

-yi.'-V и/

50m 34/f 50m 30а/ 50A , 30м ЭОм

ВО а/

- ¿/OAf

/Jpozisab/ проле/пного ' строения

&) Шги&а/ошие моменты ß ffajrxe жесткости

г&го кн.м

vw WS

I - первый Вариант лолерешого сеч&'-гия ' Л - второй ßapuaj/m поперечного сеовиая ¿шгха. Рис. 2

а) Варианты поперечного сецения ¿Галки жес/трмости

г

12 M

S) Гра&ик стоимости прож/ы/ого строения

¿м Í.SSM

J^JI1 Л T

С,

тыс.

руь.

/ё м ?

■............."л-

ÍM 7.ÏM i.ZSft i*f

T »i

• ■ ZSS.DOD

ZS4.76Z

25ZB7Í

/

/ 230. BID

/ 220.554-

i /гоо.ш Z10JB3

/ / ' ¡3 5.5kl .

/

я 1

со I

J-по первому ôapuauroi/ ; _// - па £/ъг?ромг/ Бариамтс/.

Рис. 3

s- е N

/zoiiajTù/жеиия

кости с учетом заданных технико-эксплуатационных показателей, к числу которых относятся:

- соотношение постоянных и временных нагрузок при заданном габарите проез-кей части и конструкции балки жесткости;

- требуемая несткоеть пролетного строения;

- лг-^ц-зе-тъ кривой прогибов, отсутствие кппгзтегьных переломов.лпэфиля дуг;; йрл -сопряжении с устоями;

- тип поперечного сечения балки жесткости и условия размещения арматуры;

- прочность материалов конструкции пролетного строения;

- единичные стоимости материалов конструкции пролетного строения (ванты, бетон, арматура).

2. Для реализации разработанной методики предложен алгоритм итерационного расчета вантово-балочных пролетных строений с учетом перечисленных технико-экономических показателей.

3. Для построения алгоритма предложен полином с неопределенными коэффициентами, моделирующий прогибы пролетного строения под эксплуатационной нагрузкой.

4. В результате расчета конструкции определяются площади поперечных сечений вант, рабочей арматуры балки жесткости и прогибы при условии соблюдения минимума стоимости пролетного строения без учета пилона.

5. Полученные результаты не исключают необходимости детального расчета пролетного строения, но дают возможность произвести целенаправленный поиск наилучшего распределения жесткостей элементов, исходя на эксплуатационных и технических требований.

6. Для шнишзации функции стоимости разработана вспомогательная программа определения параметра В , по сходимости значений которого контролируется завершение итерационного процесса.

7. На примерах расчетов конкретных конструкций показана возможность использования разработанного алгоритма для разнообразных схем вантовых пролетных строений (трехпролетные сшлу.етричшле системы, двухпролетше с равными и неравными пролетами, двухпролетше с упругим опиранием балки жесткости на промежуточной опоре).

8. Разработанная в диссертационной работе методика проектирования позволяет веста расчет конструкций из различных материалов с различный! стоимостями, что делает ее пригодной для использования как в экономических условиях СССР, гак и

- САР.

9. Результаты диссертационной работы могут быть использованы в практике проектирования вантово-балочных пролетных строений для- оценки и сравнения различных вариантов конструкции, назначения и уточнения основных характеристик элементов пролетного строения.

Основное содержание работы опубликовано в статье:

Аль-Якуб Муса. "Проектирование вантовых автодорожных мостов с железобетонными балками жесткости при заданных эксплуатационно-технических показателях./Исследования по .строительной механике: сб.науч.ст. вып.З/ЛИИЖТ. - Л., 1991, с.19-30.

С-Неюрбург, Лоскозск^! |Т1ЬПетербург, ка-га икг.н.д.яр-та

Подписано к печави С2-Ы.92. г. Оорвдг 60x8? 1/16 Зухшга для :iMo:r.i5.ann. Печать oíceaiian. Усл.п.л. 1,12. Tupas 100 экз. Ha.':as_ü_f6.___Бесплатно. _