автореферат диссертации по строительству, 05.23.17, диссертация на тему:Расчет и анализ сейсмического риска применяемых в мостостроении плитно-балочных систем из железобетона

На правах рукописи

НГУЕН ХЫУ КУИ

РАСЧЁТ И АНАЛИЗ СЕЙСМИЧЕСКОГО РИСКА ПРИМЕНЯЕМЫХ В МОСТОСТРОЕНИИ ПЛИТНО-БАЛОЧНЫХ СИСТЕМ ИЗ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА

05.23.17 - строительная механика

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Воронеж-2009

003464384

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Воронежский государственный архитектурно-строительный университет.

I !аучный руководитель - заслуженный работник высшей школы РФ

доктор технических наук, профессор Сафронов Владимир Сергеевич

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Юрьев Александр Гаврилович

- кандидат технических наук, доцент Журавлёв Виктор Аркадьевич

Ведущая организация - Воронежский филиал ОАО "ГипродорНИИ",

г. Воронеж

Защита состоится 03 апреля 2009 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.033.01 в ауди тории 3220 при Воронежском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан 02 марта 2009 года.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д 212.033.01

Власов В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На современном уровне развития промышленности и транспортной сети в разных странах мира надежность и безопасность зданий и сооружений приобретает особое значение, так как аварии могут вызывать многочисленные человеческие жертвы.

Среди природных нагрузок наибольшую опасность представляют сейсмические воздействия, так как значительная часть поверхности Земли относится к зонам повышенной опасности. При землетрясениях, которые периодически происходят в разных странах, разрушениям подвергаются массивные конструкции, так как в них развиваются значительные силы инерции. Среди разрушившихся или серьёзно повреждённых часто находятся инженерные сооружения на транспортных магистралях и внутризаводских эстакадах с железобетонными пролётными строениями.

Ситуация осложняется тем, что при длительной эксплуатации в незащищенных от неблагоприятных атмосферных воздействий несущих элементах из железобетона появляются дефекты и повреждения, которые приводят к снижению их несущей способности и повышению риска разрушения при возникновении экстремальных усилий при сейсмических воздействиях. В России железобетонные конструкции наряду с агрессивными жидкостями, используемыми при эксплуатации, подвергаются воздействию попеременного замораживания и оттаивания, во Вьетнаме деструктивное влияние на бетон оказывает повышенная влажность. В связи с этим возникает вопрос об оценке сейсмического риска при эксплуатации с повреждениями или установлении безопасных режимов эксплуатации в сейсмо-опасные периоды эксплуатации.

Основную сложность при расчете сейсмических рисков представляет определение усилий в конструкции при сейсмических воздействиях, которое для плит-но-балочных конструкций является трудоёмкой задачей, включающей обоснованный выбор динамической расчётной схемы, расчёт собственных частот и соответствующих форм, моделирование кинематического воздействия заданной интенсивности, анализ результатов выполненных расчётов и др. В связи с этим актуальной является задача разработки методики применения распространенных в инженерной практике вычислительных комплексов типа SCAD, LIRA, MikroFE, STARK ES и др. применительно к используемым в мостостроении плитно-балочным системам из железобетона.

Важной задачей в этих исследованиях является оценка погрешности, вносимой реализованной в программных комплексах приближенной вычислительной схемы с синхронным сейсмическим воздействием на опоры конструкции, а также использованием типовых акселерограмм прошедших землетрясений.

В настоящей работе на основе положений теории риска разрабатывается методика количественной оценки вероятности возникновения предельных состояний в нормальных сечениях применяемых в мостостроении плитно-балочных систем из железобетона при совместном действии постоянных, временных и сейсмических нагрузок с учетом разброса прочностных характеристик материалов, действующих нагрузок и наличия дефектов и повреждений. При этом существенным

Г \

является как величина, так и расположение дефектов и повреждений на конструкции. В исследованиях считается, что риск разрушения несущих элементов при землетрясении не должен повыситься по сравнению с аналогичным показателем при эксплуатации.

Целью диссертационной работы является: разработка методики, алгоритма и программ количественной оценки вероятности возникновения предельных состояний в нормальных сечениях применяемых в мостостроении плит-но-балочных систем из железобетона при совместном действии постоянных, временных и сейсмических нагрузок с учетом снижения несущей способности элементов при наличии дефектов и повреждений.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработаны методика, алгоритм и программа количественной оценки риска возникновения предельных состояний в нормальных сечениях применяемых в мостостроении плитно-балочных систем из железобетона в эксплуатационном режиме с учетом дефектов и повреждений;

- получены данные расчета рисков при эксплуатации разрезных железобетонных плитно-балочных пролётных строений автодорожных мостов, выполненных из типовых балок с диафрагмами и без них;

- разработана методика уточненного динамического расчета на сейсмическое воздействие в виде случайной акселерограммы с заданными статистическими характеристиками с использованием плоской стержневой системы в упругой среде;

- разработаны методика, алгоритм и программа количественной оценки риска возникновения предельных состояний в нормальных сечениях применяемых в мостостроении плитно-балочных систем из железобетона при совместном действии постоянных, временных и сейсмических нагрузок;

- получены количественные показатели риска возникновения предельных состояний в несущих элементах разрезных железобетонных плитно-балочных пролётных строений автодорожных мостов при совместном действии постоянных, временных и сейсмических нагрузок.

Основными задачами диссертационной работы являются:

- разработка методики, алгоритма и программы количественной оценки риска возникновения предельных состояний в нормальных сечениях применяемых в мостостроении плитно-балочных систем из железобетона в эксплуатационном режиме с учетом снижения несущей способности во время эксплуатации при возникновении дефектов и повреждений;

- численные исследования значений риска возникновения предельных состояний при эксплуатации разрезных железобетонных плитно-балочных пролётных строений автодорожных мостов, выполненных из типовых балок с диафрагмами и без них. Оценка повышения уровня риска при снижении несущей способности конструкций или увеличении постоянных и временных нагрузок;

- разработка методики уточненного динамического расчета на сейсмическое воздействие в виде случайной акселерограммы с заданными статистическими ха-

рактеристиками с использованием плоской стержневой системы в упругой среде, моделирующей трехпролётный балочный мост;

- сравнительные численные исследования результатов сейсмических расчётов с помощью плоских расчётных схем по уточненной методике и методикам, реализованным в современных конечно-элементных вычислительных программных комплексах;

- разработка методики, алгоритма и программы количественной оценки риска возникновения предельных состояний в нормальных сечениях применяемых в мостостроении плитно-балочных систем из железобетона при совместном действии постоянных, временных и сейсмических нагрузок;

- выбор, обоснование и оценка точности конечно-элементных динамических расчётных схем для определения частот и собственных форм плитно-балочных систем с помощью современных конечно-элементных комплексов;

- численные исследования значений риска возникновения предельных состояний в нормальных сечениях элементов разрезных железобетонных плитно-балочных пролётных строений автодорожных мостов при совместном действии постоянных, временных и сейсмических нагрузок.

Достоверность научных положений н результатов, сформулированных в диссертации. Основные принципы разработанных методик основаны на непротиворечивых положениях строительной механики и теории риска. Конечно-элементные расчетные динамические модели рассматриваемых в диссертации плитно-балочных систем проверены сопоставлением результатов расчетов с теоретическими и экспериментальными данными других авторов.

Практическая ценность работы заключается в создании на базе разработанных алгоритмов программ расчёта плитно-балочных пролётных строений автодорожных мостов с учётом разброса прочностных характеристик материалов и действующих нагрузок, а также с учётом различных дефектов и повреждений. Программы апробированы и могут быть рекомендованы для практического внедрения.

На защиту выносятся:

- методика и алгоритм расчета риска возникновения предельных состояний в нормальных сечениях применяемых в мостостроении плитно-балочных систем из железобетона в эксплуатационном режиме с учетом снижения несущей способности во время эксплуатации при возникновении дефектов и повреждений;

- методика уточненного динамического расчета на сейсмическое воздействие в виде случайной акселерограммы с заданными статистическими характеристиками с использованием плоской стержневой системы в упругой среде;

- методика, алгоритм и программа количественной оценки риска возникновения предельных состояний в нормальных сечениях применяемых в мостостроении плитно-балочных систем из железобетона при совместном действии постоянных, временных и сейсмических нагрузок;

Апробация работы проведена путём представления и обсуждения докладов на 61, 62, 63 научных конференциях ВГАСУ в 2006-2008 годах, а также на научно-практических конференциях по проблемам прочности, живучести и надежно-

сти строящихся, эксплуатируемых и реконструируемых зданий и сооружений промышленного и гражданского назначения и мостов, проводимых в ВГАСУ в 2006-2008 г.г. совместно с проектными и научно исследовательскими организациями строительной отрасли. Кроме того, материалы диссертации представлены на проводившемся в ноябре 2008 года международном конгрессе "Наука и инновации в строительстве БШ - 2008".

Публикации: основное содержание диссертационной работы изложено в пяти публикациях, в том числе одна статья опубликована в издании, входящем в перечень, определенных ВАК РФ.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников и приложения. Диссертация содержит 152 страницы, в том числе 110 страниц машинописного текста, список литературы из 136 наименований использованных источников, 49 рисунков, 14 таблиц и 2 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертационной работы, определяются цели и задачи исследований по разработке количественной оценки вероятности возникновения предельных состояний в нормальных сечениях применяемых в мостостроении плитно-балочных систем из железобетона при совместном действии постоянных, временных и сейсмических нагрузок с учетом снижения несущей способности элементов при наличии дефектов и повреждений.

Отмечается научная новизна и практическая ценность диссертационной работы.

В первой главе анализируется важность рассматриваемой темы исследований для условий Вьетнама, который находится в тихоокеанском сейсмическом поясе Земли, где происходят наиболее интенсивные землетрясения. Самой сейс-моопасной зоной Вьетнама является северо-западная часть страны с провинциями Шон Ла, Лай Чау, Дьен Вьен и др. Здесь зафиксированы сейсмические толчки силой до 8-9 баллов.

В настоящее время во Вьетнаме бурно развивается промышленное производство. Это приводит к развитию транспортных коммуникаций и, в первую очередь, автомобильных дорог, которые связывают между собой промышленные центры страны. В 2005 г. был введен новый нормативный документ 22ТС\т272-05, который учитывает особенности Вьетнама и базируется на современных представлениях о случайно-вероятностной природе нагрузок и воздействий, а также механических свойств материалов. Эти материалы являются основой для построения современных методик расчета конструкций и сооружений на различные нагрузки, включая сейсмические воздействия.

Далее в главе приводится краткий обзор развития теории сейсмостойкости. Затронуты работы Ф. Омори, Мононобэ, Сато, К.С. Завриева, А.Г. Назарова и др. Рассмотрены современные алгоритмы сейсмического расчёта зданий и сооруже-

ний, включая мосты. Указывается, что в инженерной практике применяются два алгоритма:

- по спектральной теории, изложенной в СНиП LI—7—81*;

- путем численного решения дифференциальных уравнений движения для динамической модели рассматриваемой конструкции с использованием акселерограмм известных землетрясений, которые реализованы в распространенных вычислительных комплексах SCAD, LIRA и др.

Отмечаются следующие недостатки использования комплексов при проведении сейсмических расчетов:

- алгоритм сейсмического расчета по СНиП II—7—81 * грубо отражает динамические особенности мостового сооружения;

- расчет по заданной акселерограмме не учитывает несинхронность кинематических возмущений на протяженные сооружения или мосты с находящимися на разном расстоянии друг от друга опорами;

- ограниченность представляемых типовых акселерограмм землетрясений. Возможные будущие землетрясения могут отличаться от зафиксированных в прошлом.

Затем приводится анализ современного состояния применения методов теории надежности и теории риска к прочностным расчетам конструкций зданий и сооружений. Затрагиваются работы В.В. Болотина, А.Р. Ржаницына, A.B. Перель-мутера, A.A. Червонного, В.И. Лукьященко, В.И. Колчунова, Л.В. Котина, C.B. Медведева, Г.А. Лямзиной, А.П. Синицына, Е.С. Медведевой, Н.П. Ваучского , Я.М. Айзенберга, А.И. Неймана, А.Д. Абакурова и др.

Проведенный поиск научных разработок, анализ современного состояния научных исследований по проблеме количественной оценки вероятности возникновения предельных состояний применяемых в мостостроении плитно-балочных систем из железобетона показывает, что до настоящего времени такие исследования как в России, так и за рубежом практически не выполнялись.

Далее описывается постановка диссертационных исследований.

Рассматриваются однопролётные плитно-балочные системы из железобетона, которые находят применение в пролетных строений мостовых сооружений или транспортных галерей промышленных предприятий.

В качестве критерия для оценки риска возникновения предельного состояния в одной из балок примем изгибающий момент в её нормальном сечении вблизи середины пролёта. Резерв прочности S, по которому будем выполнять расчёт риска, вычислим по формуле:

S = М„,„ (1)

где Mnpen - предельный изгибающий момент для наиболее нагруженной балки плитно-балочной системы по условию прочности нормального сечения; Мтах -максимальный изгибающий момент от совместного действия постоянных, временных нагрузок и сейсмических сил, определяемый в соответствии со СНиП 2.05.03-84* из особого сочетания нагрузок с учетом нормативных коэффициентов сочетаний по формуле:

Мп,.ч (2)

Здесь Мпост, Мврем , Мсейсм - максимальные изгибающие моменты в среднем сечении балки от действия соответственно от постоянных, временных нагрузок и сейсмических сил; ч/2, Ч>\ ~ коэффициенты сочетаний для постоянных, временных и сейсмических нагрузок.

При расчетном анализе вероятности возникновения предельного состояния случайными считаются прочностные характеристики материалов, из которых выполнена плитно-балочная система: бетон и рабочая продольная арматура.

Принимая, что распределение предельных и максимальных изгибающих моментов для средних сечений балок также является нормальным, риск возникновения предельного состояния по прочности пролётного строения определим с использованием функции Лапласа:

тн , т,,^ - средние значения предельного и максимального изгибающих моментов; <т,, , сг„_ - среднеквадратические отклонения тех же величин.

Статистические характеристики предельных изгибающих моментов тч _ и аи определяются по методу статистических испытаний, выполняя многократный расчет предельного изгибающего момента для нормального сечения заданных размеров на основе нелинейных расчетов железобетонных изгибаемых элементов с учетом близких к реальным диаграмм деформирования материалов.

Средние значения максимальных изгибающих моментов во всех главных балках пролётного строения от постоянных нагрузок w„ _ вычисляются, выполняя пространственный расчёт на нормативные нагрузки от собственного веса. Стандарты максимальных изгибающих моментов в главных балках пролётного строения от постоянных нагрузок <ти определяют с использованием статистических данных или значений коэффициентов надежности.

Составляющие математических ожиданий максимальных изгибающих моментов в главных балках пролётного строения от временных нагрузок в виде колонн автомобильной нагрузки All и одиночных тяжелых автомобилей НК-80 вычисляют путем пространственного расчета конечно-элементной расчетной схемы на нормативные временные нагрузки, увеличенные с учётом динамического эффекта в соответствии с положениями СНиП 2.05.03-84* в (l+ц) раз.

Статистические характеристики максимальных изгибающих моментов от сейсмических нагрузок: математическое ожидание mslaKM и стандарт о-,, ^ - определяются из предположения нормального распределения абсолютных значений возникающих при колебаниях усилий. Расчет необходимых для оценки риска статистических характеристик mUcllKV и сг„ _ выполняется по результатам дина-

(3)

где:

и =

(4)

мических расчетов конструкции, где определяется максимальное значение усилия во время землетрясения. Для этого принимается гипотеза, о том, что обеспеченность найденного максимального усилия отвечает правилу "трех сигма". Такой прием позволяет упростить статистическую оценку получаемых результатов.

Для удобства представления численных результатов использован логарифмический показатель риска, который вычисляется по близким к нулю значениям вероятности Pf возникновения предельного состояния из выражения:

pf=log (Pf). (5)

Аналогично используемой в теории риска методике кроме количественных показателей: вероятности разрушения Pf и логарифмического показателя pf будем использовать качественные описания уровней риска в соответствии с небольшой корректировкой терминологии, предложенной А.П. Синицыным, по таблице 1.

Таблица 1 - Классификация уровней риска

Номер строки Риск Pf Логарифмический показатель Pf Качественное описание уровня риска

1 10 s и менее -8 и более Неощутимый

2 10" -7 Незначительный

3 10"° -6 В естественных условиях

4 10"5 -5 Низкий

5 10*4 -4 Умеренный

6 ю> -3 Максимально допустимый

7 10"2 и более -2 и менее Недопустимый

В конце первой главы приводится краткое описание задач, решаемых по рассматриваемой проблеме.

Вторая глава диссертации посвящена разработке методики, алгоритма и программы количественной оценки риска возникновения предельных состояний в нормальных сечениях применяемых в мостостроении плитно-балочных систем из железобетона в режиме проезда по транспортному сооружению автомобилей с учетом снижения несущей способности во время эксплуатации при возникновении дефектов и повреждений.

Методика представляет собой частный случай описанной в первой главе вычислительной схемы без учета сейсмических сил. При этом усилия от постоянных и временных нагрузок определяются с использованием нелинейного деформационного расчета плитно-балочной системы по конечно-элементной расчетной схеме. При этом учет изменяющихся жесткостных характеристик балок выполняется на основе зависимостей «изгибающий момент - кривизна», построенных для действительных диаграмм деформирования арматуры и бетона.

Статистические характеристики предельных изгибающих моментов «„ и

<т„ , которые учитывают флуктуации прочностных характеристик бетона и арматуры, определяются по методу статистических испытаний также на основе не-

линейных расчетов железобетонных изгибаемых элементов с учетом близких к реальным диаграмм деформирования материалов.

Разработанная методика, алгоритмы и вычислительные программы использованы для проведения расчетов по исследованию вероятности возникновения предельных состояний в нормальных сечениях наиболее нагруженных балок в конструкциях балочных железобетонных пролётных строений мостовых сооружений при их длительной эксплуатации для разных вариантов их ослаблений от дефектов и повреждений.

В качестве объектов для численных исследований приняты пролетные строения, выполненные с использованием типовых сборных балок «таврового поперечного сечения, которые соответствуют широко распространенным на автодорогах России и Вьетнама мостовым сооружениям.

Номера балок

Обозначения:

При снижении несущей способности балок на 30 % При снижении несущей способности балок на 20 % При снижении несущей способности балок на 10 % При неослабленных балках

Рисунок 1 - Расчетные уровни риска разрушения балок при эксплуатации

На рисунке 1 приведены результаты расчета риска пролетного строения из диафрагменных балок пролетом Lp = 16,3 м по т.п. СДП, «выпуск 56», габарит Г7+2х0,75 м при проезде двух нормативных колонн автомобилей All. В расчетах получено, что для всех рассмотренных типов применяемых в мостостроении балок и габаритов и современных нагрузок All и НК-80 при отсутствии ослаблений логарифмический показатель риска pf > -7, что отвечает незначительному уровню. Наличие ослаблений приводит к заметному уменьшения pf особенно для

крайних балок пролетного строения и соответствующему увеличению вероятности возникновения предельного состояния.

Третья глава диссертации посвящена развитию методики сейсмического расчёта плитно-балочных систем на основе разработанной на кафедре строительной механики ВГАСУ конечно-элементной программы PLAST, реализующей алгоритм расчета совместных колебаний сплошной однородной упругой среды и плоской стержневой системы при кратковременных воздействиях.

В программе PLAST упругая среда представляется в виде прямоугольной расчётной области с заданием граничных условий в виде свободного края, упругого или жесткого закрепления или демпфирующих связей, которые гасят отраженные волны. Дискретизация расчётной области автоматически осуществляется программой в виде регулярной сетки прямоугольных конечных элементов (КЭ) по заданному размеру элемента. Стержневая конструкция топологически описывается отдельной системой макроузлов и макроэлементов, которые затем автоматически разбиваются программой на стержневые КЭ.

Для учета случайного характера сейсмического воздействия нами предлагается использовать численные алгоритмы генерации акселерограмм сейсмического воздействия по заданной корреляционной функции. При представлении акселерограмм стационарным случайным процессом для описания корреляционной функции можно использовать следующее аналитическое выражение:

Ка (T) = Dc-e-""-CosßT. (6)

Для применения при сейсмических расчётах предлагается генерировать дискретные реализации акселерограмм путем линейного преобразования стационарной последовательности v(n) независимых нормально распределённых случайных чисел с параметрами <v> = 0, <v2> = 1 в последовательность, коррелированную по заданному закону. Для этого используется программа ГЕСАМ.

Применение более простых в вычислительном плане стационарных реализаций акселерограмм для сейсмических расчетов мостовых сооружений следует ограничить, так как в действительности колебания почвы при землетрясениях носят нестационарный характер. Сначала амплитуды ускорений возрастают, достигая экстремальных значений в течение 5-8 с, а затем амплитуды ускорений уменьшаются. Для преобразования стационарного случайного процесса в нестационарный нами использован предложенный В.В. Болотиным способ модулирования сгенерированной стационарной акселерограммы а(t) детерминированной функцией следующего вида:

= (7)

Сгенерированные реализации акселерограмм используются для выполнения динамических расчётов мостовых сооружений по программе PLAST. Для численных исследований смоделирован трехпролетный балочный мост (рисунок 2). Результаты расчетов были сопоставлены с данными сейсмического расчета по программе SCAD. При этом использовались одни и те же акселерограммы.

Рисунок 2 - Конечно-элементная расчетная схема для сейсмических расчётов

Сопоставление полученных в расчётах данных сейсмических расчетов по двум расчетным схемам и вычислительным программам (PLAST и SCAD) показывает близость расчетных значений изгибающих моментов. Отметим, что этот факт не является очевидным, так как в разных программах используются различные модели. По программе SCAD кинематическое возмущение считается действующим синхронно на разные опоры плитно-балочных систем, а в сейсмических расчётах по программе PLAST землетрясение моделируется распространяющейся по грунтовому массиву волной, достигающей каждой опоры в разное время.

Из результатов численных исследований для мостовых конструкций из типовых железобетонных балок сделан вывод о том, что изгибающие моменты, полученные с использованием типовой акселерограммы, заметно не отличаются от изгибающих моментов, вычисленных с использованием восстановленных на ЭВМ по заданной корреляционной функции акселерограмм. Отметим важный факт близости изгибающих моментов для стационарной и нестационарной моделей. Это позволяет ограничиться в практических расчётах менее трудоемкими алгоритмами восстановления акселерограмм стационарного типа.

Четвёртая глава диссертации посвящена совершенствованию методики пространственного сейсмического расчёта плитно-балочных систем. При обосновании выбора расчетного метода модального анализа рассматриваются различные модели плитно-балочных систем, разработанные В. Фойгтом, B.C. Гонтке-вичем, A.B. Александровым, В.Г. Донченко, B.C. Сафроновым, Г.С Шестопёро-вым, А.И Ананьиным, А.Ф. Хмыровым и др. В разрабатываемой методике с целью использования в инженерной практике разрабатываются динамические модели рассматриваемых плитно-балочных систем с ориентацией на применение распространенных в России и во Вьетнаме конечно-элементных комплексов.

В диссертации исследованы следующие два варианта расчётных схем: - пластинчато-стержневая модель с прямоугольными оболочечными КЭ и стержневыми пространственными КЭ. Для сопряжения узлов оболочечных КЭ для плиты и стержневых КЭ для балок пролетного строения использованы бес-

конечно жесткие консольные пространственные КЭ, учитывающие взаимное высотное положение центра тяжести ребра и срединной поверхности плиты;

- пластинчатая модель, в которой плита проезжей части, продольные рёбра (балки) и поперечные рёбра (диафрагмы) представлены прямоугольными оболо-чечными КЭ.

В рассмотренных двух вариантах расчетных схем плитно-балочных систем инертность моделируется перемещающимися по вертикали сосредоточенными массами, расположенными в узлах сопряжения КЭ для объединяющей плиты (рисунок 3).

Рисунок 3 - Динамическая расчетная схема плитно-балочной системы

Для практического использования динамических расчетных схем выполнены исследования точности расчетов от числа и размеров КЭ, а также от числа сосредоточенных масс, которые моделируют инертность плитно-балочной системы. Данные расчетов по двум вариантам моделей сопоставлены с результатами расчётов по другим методам и с экспериментальными данными других авторов.

Реализация описанной методики определения собственных частот и соответствующих форм выполнена на примерах пролётных строений различных пролётов, которые отвечают широко распространённым на автодорогах России и Вьетнама разрезным диафрагменным и бездиафрагменным железобетонным пролётным строениям, выполненным из тавровых балок по типовым проектам Союздорпроек-та, «выпуск 56» и «выпуск 56Д».

Анализ данных, полученных в расчетах, позволил сделать вывод, что спектры частот рассмотренных типов пролетных строений, полученных с использованием двух вариантов КЭ-моделей: пластинчато-стержневой и пластинчатой практически не отличаются по величинам частот и расположению их в спектре. Поэтому любая из предложенных моделей может без ограничений использоваться для практических расчетов. Важным результатом численных исследований является вывод, что для всех вариантов расчета низшая собственная форма является симметричной относительно продольной оси пролётного строения.

Важным фактором, влияющим на динамические параметры плитно-балочных систем, является инертность временной нагрузки. Для количественной оценки указанного фактора выполнены расчеты собственных частот и форм колебаний в зависимости массы одиночного колесного автомобиля и суммарной инертности двух колонн автомобильной нагрузки. При этом выявлено, что наибольшее влияние

изменение массы временной нагрузки оказывает на первую и пятую частоту. При этом три промежуточные частоты при росте массы нагрузки почти не меняются.

Данные расчетов собственных частот и форм плитно-балочных систем использовались для выполнения пространственного сейсмического расчета. В этих расчетах предлагается наряду с типовыми акселерограммами использовать восстановленные по заданной корреляционной функции акселерограммы на основе стационарной и нестационарной моделей.

В конце четвертой главы приводится описание результатов численных исследований усилий, возникающих при сейсмических воздействиях, на многочисленных вариантах типоразмеров применяемых в мостостроении железобетонных пролетных строений. По результатам расчетов сделаны выводы, что основную долю в итоговые значения изгибающих моментов вносят составляющие, отвечающие низшей собственной форме. При этом составляющие изгибающих моментов по антисимметричным собственным формам пролетного строения равны нулю. Это вытекает из принятого в стандартных блоках сейсмического расчёта допущения о синхронности кинематического воздействия на опоры конструкции.

Пятая глава посвящена численной реализации разработанной в диссертации методики расчета риска при совместном действии постоянных, временных и сейсмических нагрузок. При этом численные исследования количественных показателей вероятности возникновения предельного состояния по прочности нормальных сечений несущих элементов плитно-балочных систем осуществлялись с учетом возможных дефектов и повреждений. Их учет осуществлялся двумя следующими способами:

- путем снижения изгибной жесткости отдельных несущих рёбер плитно-балочной системы в рассматриваемой расчётной схеме для статических и динамических расчётов;

- на основе уменьшения предельных значений изгибающих моментов для рассматриваемых сечений несущих элементов, которые учитываются только на этапе расчета риска.

Основными целями численных исследований являются:

- количественная оценка возникающих от сейсмических воздействий усилий в несущих элементах балочных разрезных пролетных строений мостов по сравнению с максимальными усилиями от совместного действия постоянных, временных и сейсмических нагрузок;

- обоснование методики учета инертности временной нагрузки при определении усилий от совместного действия постоянных, временных и сейсмических нагрузок;

- определение количественных значений риска возникновения предельных состояний в нормальных сечениях элементов разрезных железобетонных плитно-балочных пролётных строений автодорожных мостов при совместном действии постоянных, временных и сейсмических нагрузок;

- оценка влияния дефектов и повреждений, возникающих при строительстве и длительной эксплуатации мостовых сооружений с железобетонными пролетными строениями, на величину риск их разрушения при землетрясениях.

При оценке рисков возникновения предельных состояний важное значение имеет количественная оценка возникающих от сейсмических воздействий и усилий в несущих элементах балочных разрезных пролетных строений мостов по сравнению с максимальными усилиями от совместного действия постоянных, временных и сейсмических нагрузок

Результаты расчётов процентной доли изгибающих моментов Мс от сейсмических сил в среднем сечении типовых диафрагменных (т.п. СДП, «выпуск 56») железобетонных пролётных строений балок к суммарной величине изгибающих моментов от постоянных, временных автомобильных нагрузок и сейсмических сил в соответствии с выражением (8) представлены на рисунке 4.

Mr

Мп + мв

Мг

-100 %

(8)

О

18

8.4

21,6

11,1 13,6 16,3

Расчетная длина пролета, м

.......... Расчет по акселерограммам на нагрузку А11

-----Расчет по акселерограммам на нагрузку НК80

---Расчет по методике СНиП 11-7-81* на нагрузку А11

- Расчет по методике СНиП Н-7-81* на нагрузку НК80

Рисунок 4 - Зависимость доли изгибающих моментов от сейсмических нагрузок в суммарных усилиях

При этом сейсмические расчёты выполнены двумя способами: по методике СНиП II—7—81 * и по заданной акселерограмме для двух вариантов временной нагрузки в виде колонн автомобилей All и для одиночного четырехосного автомобиля НК-80.

Анализ результатов расчётов позволил сделать следующие выводы:

- изгибающие моменты, полученные по методике СНиП И-7-81* дают заниженные величины. При этом погрешность растёт увеличением пролёта. Это объясняется несовершенством квазистатического расчёта, грубо учитывающего динамический характер воздействия при землетрясении;

- усилия от сейсмических нагрузок составляют от полных усилий в конструкции значительную часть от 20 до 40 % в зависимости от пролета, увеличиваясь с ростом пролёта.

Далее в пятой главе диссертации выполнена численная апробация методики расчета риска возникновения предельных состояний при совместном действии

постоянных, временных и сейсмических нагрузок на примерах железобетонных пролетных строений из типовых железобетонных балок.

Рисунок 5 - Расчетные уровни риска разрушения балок при совместном действии постоянных, временных и сейсмических нагрузок

На рисунке 5 изображены графики зависимости логарифмического показателя уровня риска в разных балках пролётного строения расчётным пролётом Ьр = 16,3 м при использовании нормативных значений коэффициентов сочетаний нагрузок: у/св = 1,0, цгы, = 0,5, ц!с = 0,8 (линии прерывистые) и максимальных величинах действующих нагрузок без учета их снижения вследствие малой вероятности их одновременного появления на конструкции (сплошная линия). Учет возможных дефектов и ослаблений пролётного строения выполнен в проведенных расчётах путем одинакового сокращения предельной величины изгибающего момента "всех балок пролётного строения на 10 % (линия 2), 20 % (линия 3) и (линия 4) 30 %. Выполненные численные исследования риска осуществлены с использованием типовых акселерограмм, модифицированных для землетрясения интенсивностью 8 баллов.

Анализ выполненных расчетов позволяет сделать следующие выводы: - для всех рассмотренных вариантов пролетных строений из диафрагменных и бездиафрагменных балок при отсутствии дефектов несущих элементов уровень риска возникновения предельных состояний при совместном действии постоянных, временных и сейсмических нагрузок является весьма малым Рг « 10"8. Эти значения коррелируются с вычисленным во второй главе диссертации риском при эксплуатации и объясняются заложенными в типовых проектах пролетных строений резервов прочности;

- при наличии дефектов и снижении несущей способности балок риск быстро возрастает и может для наиболее нагруженных балок достигнуть максимально допустимого значения ?!= 10'3 и даже недопустимой величины Рг >10"2.

- отказ от применения рекомендуемых нормативными документами ОДН 218.1.021-2003 и СНиП 2.05.03-84* значений коэффициентов сочетаний нагрузок существенно влияет на величину риска, изменяя его на 4-5 порядков;

- в связи с тем, что вычисленные значения риска для временных нагрузок А11 и НК-80 сопоставимы, можно рекомендовать снять ограничение СНиП 2.05.03-84* о неучете одиночной колёсной нагрузки НК-80 в особом сочетании нагрузок, включающем сейсмические воздействия.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1 Выполненный анализ современного состояния исследований по проблеме определения риска разрушения плитио-балочных систем из железобетона при сейсмических воздействиях показывает, что такие исследования как в России, так и за рубежом практически не выполнялись.

2 Разработана основанная на использовании пространственных расчетных схем и нелинейном деформационном расчете методика расчёта риска возникновения предельных состояний в нормальных сечениях применяемых в мостостроении плитно-балочных систем из железобетона в эксплуатационном режиме с учетом снижения несущей способности при возникновении дефектов и повреждений.

3 Выполнены численные исследования риска при эксплуатации пролётных строений автодорожных мостов, выполненных из типовых балок железобетонных мостовых балок. Они показали, что при отсутствии снижающих несущую способность балок дефектов вероятность отказа Рг < 10"7, что отвечает незначительному уровню.

4 Разработана методика уточненного динамического расчета на сейсмическое воздействие в виде случайной акселерограммы с заданными статистическими характеристиками с использованием плоской стержневой системы в упругой грунтовой среде, учитывающей запаздывание кинематического возмущения на разные опоры конструкции.

5 Из сопоставления данных сейсмических расчётов по уточненной плоской динамической модели плитно-балочной системы с учетом совместной работы с грунтовым основанием и приближенной балочной расчетной схемы, для которой сейсмическое воздействие задается синхронным кинематическим воздействием на опоры, выявлены условия, при которых можно без существенной потери точности выполнять сейсмический расчёт. При этом выявлено, что изгибающие моменты, полученные с использованием типовой акселерограммы и акселерограмм, полученных генерированием по заданной корреляционной функции, отличаются несущественно. Предложены упрощения, снижающие трудоёмкость вычислений без существенного снижения точности.

6 Предложена основанная на положениях теории риска методика расчета вероятности возникновения предельных состояний применяемых в мостостроении плитно-балочных систем из железобетона, которая учитывает разброс прочностных характеристик материалов и действующих нагрузок и наличие дефектов, снижающих несущую способность. Методика ориентирована на использование пространственных расчётных схем и распространенных в инженерной практике конечно-элементных комплексов SCAD, LIRA, MicroFe и др.

7 Выполнена апробация разработанной в диссертации методики количественной оценки риска возникновения предельных состояний в железобетонных плитно-балочных конструкциях при совместном действии постоянных, временных и сейсмических нагрузок. Выполненные численные расчеты для широко распространенных в мостостроении типов пролетных строений показали, что при отсутствии дефектов уровень риска возникновения предельных состояний является весьма малым Pf« 10"\ что отвечает незначительному уровню. При наличии дефектов и снижении несущей способности балок риск быстро возрастает и может для наиболее нагруженных балок достигнуть максимально допустимого значения Pf=10"3 и даже недопустимой величины Pf > 10"2.

8 В расчетах выявлено, что основную долю в изгибающие моменты от сейсмических нагрузок вносят составляющие, отвечающие первой низшей собственной форме. Учет высших гармоник для плитно-балочных систем разных типоразмеров и конструктивных схем не дает ощутимых поправок в окончательном результате.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1 Сафронов B.C. Методика расчета риска возникновения предельных состояний в железобетонных пролетных строениях автодорожных мостов при землетрясениях / B.C. Сафронов, В.Н. Горячев, Нгуен Хыу Куи // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Сер. Строительство и архитектура. - Воронеж, 2008. - Вып. 3. - С. 36—44. Лично автором выполнено 6 с.

2 Нгуен Хыу Куи Грузоподъемность пролетных строений из балок таврового сечения с предварительно напряженной арматурой / Нгуен Хыу Куи // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Сер. Современные методы статического и динамического расчета зданий и сооружений. - Воронеж, 2005. - Вып. 2. - С. 66-67.

3 Сафронов B.C. Численные исследования живучести железобетонных пролетных строений автодорожных мостов при землетрясениях / B.C. Сафронов, В.Н. Горячев, Нгуен Хыу Куи // Оценка риска и безопасность строительных конструкций: Первая междунар. науч.-практ. конф.: тез. докл. / Воронеж, гос. архитектур-но-строит. ун-т. - Воронеж, 2006. - Т. 2. - С. 32-34. Лично автором выполнено 2 с.

4 Сафронов B.C., Нгуен Хыу Куи Сейсмический расчет железобетонных пролетных строений автодорожных мостов с использованием современных конечно-элементных комплексов/ Сафронов B.C., Нгуен Хыу Куи // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Сер. Современные методы статического и динамического расчета зданий и сооружений. - Воронеж, 2007. - Вып. 3. - С. 33-42. Лично автором выполнено 7,5 с.

5 М.В. Косенко, Нгуен Хыу Куи. Оценка риска возникновения предельных состояний железобетонных пролетных строений автодорожных мостов в эксплуатационном режиме. / М.В. Косенко, Нгуен Хыу Куи. // Оценка риска и безопасность в строительстве: Международный конгресс наука и инновации в строительстве. / Воронеж, гос. архит.-строит. ун-т. - Воронеж, 2008. - Т. 3. - С. 189-195. Лично автором выполнено 6 с.

Подписано в печать 26 февраля 2009 г. Формат 60x84 1/16. Уч. изд. л. 1.3, усл. печ. л. 1.4. Бумага писчая. Тираж 120 экз. Заказ №103 Отпечатано в отделе оперативной полиграфии Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84.

ВВЕДЕНИЕ.

1 ОБОСНОВАНИЕ АКТУАЛЬНОСТИ ТЕМЫ. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО РАССМАТРИВАЕМОЙ ПРОБЛЕМЕ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

1.1 Обоснование актуальности темы для условий Вьетнама.

1.2 Краткий обзор развития теории сейсмостойкости.

1.3 Современные алгоритмы сейсмического расчёта зданий и, сооружений, включая мосты.

1.4 Анализ применения теории риска в сейсмических расчётах.

1.5 Постановка диссертационных исследований.

1.6 Краткое описание задач, решаемых по рассматриваемой проблеме.

1.7 Выводы по главе.

2 ОЦЕНКА РИСКА ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПРЕДЕЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ ПЛИТНО—БАЛОЧНЫХ СИСТЕМ В ЭКСПЛУАТАЦИОННОМ РЕЖИМЕ

2.1 Основные расчетные положения.

2.2 Обоснование выбора пространственного статического расчёта плитно-балочных систем на постоянные и временные нагрузки.

2.3 Вероятностный расчет статистических характеристик предельного изгибающего момента для нормального сечения.

2.4 Результаты численных расчетов.

2.5 Выводы по главе.

3 РАЗВИТИЕ МЕТОДИКИ СЕЙСМИЧЕСКОГО РАСЧЁТА ПЛИТНО-БАЛОЧНЫХ СИСТЕМ.

3.1 Предварительные замечания.

3.2 Описание расчетной модели и вычислительного алгоритма сейсмического расчёта.

3.3 Описание сейсмического возмущения в виде случайного процесса.

3.4 Апробация сейсмических расчетов по уточненной методике. Сопоставление с результатами вычислений по программе SCAD.63'

3.5 Выводы по главе.

4 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОГО СЕЙСМИЧЕСКОГО РАСЧЁТА ПЛИТНО-БАЛОЧНЫХ СИСТЕМ.

4.1 Описание принятых допущений.

4.2 Обоснование выбора расчетного метода модального анализа плитно-балочных систем.

4.3 Построение конечно-элементных расчетных схем плитно-балочных систем для динамического расчета.

4.4 Анализ точности расчета собственных частот и форм плитно-балочных систем.

4.5 Сопоставление собственных частот и форм плитно-балочных систем с использованием двух вариантов расчётных схем.

4.6 Апробация методики сейсмического расчёта плитно-балочных систем с использованием вычислительного комплекса SCAD.

4.7 Выводы по главе.

5 ЧИСЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА РИСКА ПРИ СОВМЕСТНОМ ДЕЙСТВИИ ПОСТОЯННЫХ, ВРЕМЕННЫХ И СЕЙСМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК.

5.1 Методика и цели численных исследований.

5.2 Количественная оценка сейсмических усилий.

5.3 Количественная оценка риска возникновения предельных состояний при землетрясении.

5.4 Выводы по главе.

Актуальность темы. На современном уровне развития промышленности и транспортной сети в разных странах мира надежность и безопасность зданий и сооружений приобретает особое значение, так как аварии могут вызывать многочисленные человеческие жертвы.

Среди природных нагрузок наибольшую опасность представляют сейсмические воздействия, так как значительная часть поверхности Земли относится к зонам повышенной опасности. При землетрясениях, которые периодически происходят в разных странах, разрушениям подвергаются массивные конструкции, так как в них развиваются значительные силы инерции. Среди разрушившихся или серьёзно повреждённых часто находятся инженерные сооружения на транспортных магистралях и внутризаводских эстакадах с железобетонными пролётными строениями.

Ситуация осложняется тем, что при длительной эксплуатации в незащищенных от неблагоприятных атмосферных воздействий несущих элементах из железобетона появляются дефекты и повреждения, которые приводят к снижению их несущей способности и повышению риска разрушения при возникновении экстремальных усилий при сейсмических воздействиях. В России железобетонные конструкции наряду с агрессивными жидкостями, используемыми при эксплуатации, подвергаются воздействию попеременного замораживания и оттаивания, во Вьетнаме деструктивное влияние на бетон оказывает повышенная влажность. В связи с этим возникает вопрос об оценке сейсмического риска при эксплуатации с повреждениями или установлении безопасных режимов эксплуатации в сейсмоопасные периоды эксплуатации.

Основную сложность при расчете сейсмических рисков представляет определение усилий в конструкции при сейсмических воздействиях, которое для плитно-балочных конструкций является трудоёмкой задачей, включающей обоснованный выбор динамической расчётной схемы, расчёт собственных частот и соответствующих форм, моделирование кинематического воздействия заданной интенсивности, анализ результатов выполненных расчётов и др. В связи с этим актуальной является задача разработки методики применения распространенных в инженерной практике вычислительных комплексов типа SCAD, LIRA, MikroFE, STARK ES и др. применительно к используемым в мостостроении плитно-балочным системам из железобетона.

Важной задачей в этих исследованиях является оценка погрешности, вносимой реализованной в программных комплексах приближенной вычислительной схемы с синхронным сейсмическим воздействием на опоры конструкции, а также использованием типовых акселерограмм прошедших землетрясений.

В настоящей работе на основе положений теории риска разрабатывается методика количественной оценки вероятности возникновения предельных состояний в нормальных сечениях применяемых в мостостроении плитно-балочных систем из железобетона при совместном действии постоянных, временных и сейсмических нагрузок с учетом разброса прочностных характеристик материалов, действующих нагрузок и наличия дефектов и повреждений. При этом существенным является как величина, так и расположение дефектов и повреждений на конструкции. В исследованиях считается, что риск разрушения несущих элементов при землетрясении не должен повыситься по сравнению с аналогичным показателем при эксплуатации.

Целью диссертационной работы является:

Разработка методики, алгоритма и программ количественной оценки вероятности возникновения предельных состояний в нормальных сечениях применяемых в мостостроении плитно-балочных систем из железобетона при совместном действии постоянных, временных и сейсмических нагрузок с учетом снижения несущей способности элементов при наличии дефектов и повреждений.

Научная новизна работы состоит в следующем: - разработаны методика, алгоритм и программа количественной оценки риска возникновения предельных состояний в нормальных сечениях применяемых в мостостроении плитно-балочных систем из железобетона в эксплуатационном режиме с учетом дефектов и повреждений;

- получены данные расчета рисков при эксплуатации разрезных железобетонных плитно-балочных пролётных строений автодорожных мостов, выполненных из типовых балок с диафрагмами и без них;

- разработана методика уточненного динамического расчета на сейсмическое воздействие в виде случайной акселерограммы с заданными статистическими характеристиками с использованием плоской стержневой системы в упругой среде;

- разработаны методика, алгоритм и программа количественной оценки риска возникновения предельных состояний в нормальных сечениях применяемых в мостостроении плитно-балочных систем из железобетона при совместном действии постоянных, временных и сейсмических нагрузок;

- получены количественные показатели риска возникновения предельных состояний* в несущих элементах разрезных железобетонных плитно-балочных пролётных строений автодорожных мостов при совместном действии постоянных, временных и сейсмических нагрузок.

Основными задачами диссертационной работы являются:

- разработка методики, алгоритма и программы количественной оценки риска возникновения предельных состояний в нормальных сечениях применяемых в мостостроении плитно-балочных систем из железобетона в эксплуатационном режиме с учетом снижения, несущей способности во время* эксплуатации при возникновении дефектов и повреждений;

- численные исследования значений риска возникновения предельных состояний при эксплуатации разрезных железобетонных плитно-балочных пролётных строений автодорожных мостов, выполненных из типовых балок« с диафрагмами и без них. Оценка повышения уровня, риска при снижении> несущей способности конструкций или увеличении постоянных и временных нагрузок;

- разработка методики уточненного динамического расчета на сейсмическое воздействие в виде случайной акселерограммы с заданными- статистическими характеристиками с использованием плоской стержневой системы в упругой среде, моделирующей трехпролётный балочный мост;

- сравнительные численные исследования результатов сейсмических расчётов по плоским расчётным схемам по уточненной методике и методикам, реализованным в современных конечно-элементных вычислительных программных комплексах;

- разработка методики, алгоритма и программы количественной оценки риска возникновения предельных состояний в нормальных сечениях применяемых в мостостроении плитно-балочных систем из железобетона при совместном действии постоянных, временных и сейсмических нагрузок;

- выбор, обоснование и оценка точности конечно-элементных динамических расчётных схем для определения частот и собственных форм плитно-балочных систем с помощью современных конечно-элементных комплексов;

- численные исследования значений риска возникновения предельных состояний в нормальных сечениях элементов разрезных железобетонных плитно-балочных пролётных строений автодорожных мостов при совместном действии постоянных, временных и сейсмических нагрузок.

Достоверность научных положений и результатов, сформулированных в диссертации. Основные принципы разработанных методик основаны на непротиворечивых положениях строительной механики и теории риска. Конечно-элементные расчетные динамические модели рассматриваемых в диссертации плитно-балочных систем проверены сопоставлением результатов расчетов с теоретическими и экспериментальными данными других авторов.

Практическая ценность работы заключается в создании на базе разработанных алгоритмов программ расчёта плитно-балочных пролётных строений автодорожных мостов с учетом разброса прочностных характеристик материалов и действующих нагрузок, а также с учётом различных дефектов и повреждений. Программы апробированы и могут быть рекомендованы для практического внедрения.

На защиту выносятся:

- методика и алгоритм расчета риска возникновения предельных состояний в нормальных сечениях применяемых в мостостроении плитно-балочных систем из железобетона в эксплуатационном режиме с учетом снижения несущей способности во время эксплуатации при возникновении дефектов и повреждений;

- методика уточненного динамического расчета на сейсмическое воздействие в виде случайной акселерограммы с заданными статистическими характеристиками с использованием плоской стержневой системы в упругой среде;

- методика, алгоритм и программа количественной оценки риска возникновения предельных состояний в нормальных сечениях применяемых в мостостроении плитно-балочных систем из железобетона при совместном действии постоянных, временных и сейсмических нагрузок.

Апробация работы проведена путём представления и обсуждения докладов на 61, 62, 63 научных конференциях ВГАСУ в 2006-2008 годах, а также на научно-практических конференциях по проблемам прочности, живучести и надежности строящихся, эксплуатируемых и реконструируемых зданий и сооружений промышленного и гражданского назначения и мостов, проводимых в ВГАСУ в 2006-2008 г.г. совместно с проектными и научно исследовательскими организациями строительной отрасли. Кроме того, материалы диссертации представлены на проводившемся в ноябре 2008 года международном конгрессе "Наука и инновации в строительстве SIB - 2008".

Публикации: основное содержание диссертационной работы изложено в 5 публикациях [129, 130, 131, 132, 133], в том числе одна статья опубликована в издании, входящем в перечень, определенный ВАК РФ [133].

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников и приложения. Диссертация содержит 152 страницы, в том числе 110 страниц машинописного текста, список литературы из 136 наименований использованных источников, 49 рисунков, 14 таблиц и 2 приложения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1 Выполненный анализ современного состояния исследований по проблеме определения риска разрушения плитно-балочных систем из железобетона при сейсмических воздействиях показывает, что такие исследования как в России, так и за рубежом практически не выполнялись.

2 Разработана основанная на использовании пространственных расчетных схем методика расчёта риска возникновения предельных состояний в нормальных сечениях применяемых в мостостроении плитно-балочных систем из железобетона в эксплуатационном режиме с учетом снижения несущей способности при возникновении дефектов и повреждений.

3 Проведены численные исследования риска при эксплуатации пролётных строений автодорожных мостов, выполненных из типовых балок железобетонных мостовых балок. Они показали, что при отсутствии снижающих несущую п способность балок дефектов вероятность отказа Рг < 10" , что отвечает незначительному уровню.

4 Разработана методика уточненного динамического расчета на сейсмическое воздействие в виде случайной акселерограммы с заданными статистическими характеристиками с использованием плоской стержневой системы в упругой грунтовой среде, учитывающей запаздывание кинематического возмущения на разные опоры конструкции.

5 Из сопоставления данных сейсмических расчётов по уточненной плоской динамической модели плитно—балочной системы с учетом совместной работы с грунтовым основанием и приближенной балочной расчетной схемы, для которой сейсмическое воздействие задается синхронным кинематическим воздействием на опоры, выявлены условия, при которых можно без существенной потери точности выполнять сейсмический расчёт. При этом выявлено, что изгибающие моменты, полученные с использованием типовой акселерограммы и акселерограмм, полученных генерированием по заданной корреляционной функции, отличаются несущественно. Предложены упрощения, снижающие трудоёмкость вычислений без существенного снижения точности.

6 Предложена основанная на положениях теории риска методика расчетного анализа вероятности возникновения предельных состояний применяемых в мостостроении плитно-балочных систем из железобетона, которая учитывает разброс прочностных характеристик материалов, действующих нагрузок и наличие дефектов, снижающих несущую способность. Методика ориентирована на использование распространенных в инженерной практике конечно-элементных комплексов SCAD, LIRA, MicroFe и др.

7 Выполнена апробация разработанной в диссертации методики количественной оценки риска возникновения предельных состояний в железобетонных плитно-балочных конструкциях при совместном действии постоянных, временных и сейсмических нагрузок. Выполненные численные расчеты для широко распространенных в мостостроении типов пролетных строений показали, что при отсутствии дефектов уровень риска возникновения предельных состояний является весьма малым Pf « 10"8, что отвечает незначительному уровню. При наличии дефектов и снижении несущей способности балок риск быстро возрастает и может для наиболее нагруженных балок достигнуть максимально о 2 допустимого значения Pf = 10" и даже недопустимой величины Рг > 10" .

8 В расчетах выявлено, что основную долю в изгибающие моменты от сейсмических нагрузок вносят составляющие, отвечающие первой низшей собственной форме. Учет высших гармоник для плитно-балочных систем разных типоразмеров и конструктивных схем не дает ощутимых поправок в окончательном результате.

9 В результате численных исследований показано, что отказ от применения рекомендуемых нормативными документами ОДН 218.1.021-2003 и СНиП 2.05.03—84* значений коэффициентов сочетаний нагрузок существенно влияет на величину риска, изменяя его на 4—5 порядков.

1. SCAD Office. Вычислительный комплекс SCAD / B.C. Карпиловский, Э.З. Криксунов, A.A. Маляренко, A.B. Перельмутер, М.А. Перельмутер. М. : Изд-во Ассоциации строит, вузов, 2004. - 592 с.

2. SCAD Office. Расчетные модели сооружений и возможность их анализа / A.B. Перельмутер, В.И. Сливкер. Киев : Изд-во Сталь, 2002. - 618 с.

3. SCAD Office. Реализация СНиП в проектирующих программах / B.C. Карпиловский, Э.З. Криксунов, М.А. Митикаренко, A.B. Перельмутер, М.А. Перельмутер, В.Г. Федоровский. М. : Изд-во Ассоциации строит, вузов, 2004.-287 с.

4. Автоматизация расчета транспортных сооружений / A.C. Городецкий, В.И. Заворицкий, А.И. Лантух-Лященко, А.О. Рассказов. М. : Транспорт, 1989.-232 с.

5. Агапов В.П. Метод конечных элементов в статике, динамике и устойчивости пространственных тонкостенных подкрепленных конструкций : учеб. пособие / В.П. Агапов. М. : Изд-во Ассоциации строит, вузов, 2000. - 152 с.

6. Александров А. В. Строительная механика. Тонкостенные пространственные системы : учеб. для вузов. / A.B. Александров, Б .Я. Лащеников, H.H. Шапошников ; под ред. А.Ф. Смирнова. М. : Стройиздат, 1983. - 488 с.

7. Ананьин А.И. Свободные и вынужденные колебания разрезных плитных пролетных строений мостов / А.И. Ананьин, А.Ф. Хмыров // Строительство и архитектура. 1979. - № 2. - С. 129 -131.

8. Байков В.Н. Железобетонные конструкции : общ. курс : учеб. для вузов. — 5-е изд., перераб. и доп. М. : Стройиздат, 1991. - 767 с.

9. Гениев Г.А. Теория пластичности бетона и железобетона / Г.А. Гениев, В.Н. Киссюк, Г.А. Тюпин. М. : Стройиздат, 1974. - 316 с.

10. Гибшман Е.Е. Мосты и сооружения на дорогах : учеб. для студентов автомобильно-дорожных вузов / Е.Е. Гибшман, Б.П. Назаренко ; под общ. ред. Е.Е. Гибшмана. — изд. 2-е, перераб. и доп. М. : Транспорт, 1972. - Ч. 1. -408 с.

11. Гибшман Е.Е. Проектирование металлических мостов : учеб. для студентов автомобильно-дорожных вузов / Е.Е. Гибшман. М. : Транспорт, 1969. -416 с.

12. Гибшман М.Е. Теория и расчет предварительно напряженных мостов с учетом длительных деформаций / М.Е. Гибшман. М. : Транспорт, 1966. -336 с.

13. Городецкий A.C. Вопросы расчета конструкций в упругопластической стадии на ЭЦВМ // ЭЦВМ в строительной механике. М.: Изд-во лит. по строительству, 1966.-С. 169- 174.

14. Городецкий A.C. Расчет железобетонных балок-стенок с учетом образования трещин методом конечных элементов / А. С. Городецкий, В. С. Здо-ренко // Сопротивление материалов и теория сооружений. Киев : Буд1ве-льник, 1975. - Вып. 27. - С. 56 - 66.

15. Донченко В.Г. Пространственный расчёт балочных автодорожных мостов / В.Г. Донченко. М.: Автотрансиздат, 1953. - 324 с.

16. Евграфов Г.К. Расчеты мостов по предельным состояниям / Г.К. Евграфов, Н.Б. Лялин. М. : В сесоюз. изд. -полиграф, объединение мин-ва путей сообщения, 1962. - 336 с.

17. Железобетонные пролетные строения мостов индустриального изготовления (конструирование и методы расчета) / Л.И. Иосилевский, A.B. Носарев, В.П. Чирков, О.В. Шепетовский. М. : Транспорт, 1986. - 216 с.

18. Залесов A.C. Настоящее и будущее расчета железобетона / A.C. Залесов, Т.А. Мухамедиев // Бетон и железобетон. 2005. - № 4. - С. 3 - 6.

19. Крамер Е. JI. Проектирование и эксплуатация плитно-балочных пролетных строений / Е. JI. Крамер, Н. Н. Шапошников // Наука и техника в дорожной отрасли. 2003. - № 3. - С. 25 - 28.

20. Лехницкий С.Г. Анизотропные пластинки / С.Г. Лехницкий. М. -Л. : ОГИЗ, 1947.-355 с.

21. Лисов В.М. Мосты и трубы : учеб. пособие / В.М. Лисов ; науч. ред. Д.М. Шапиро. Воронеж : Изд-во Воронеж, ун-та, 1995. - 328 с.

22. Метод конечных элементов в проектировании транспортных сооружений / A.C. Городецкий, В.И. Заворицкий, А.И. Лантух-Лященко, А.О. Рассказов. -М. : Транспорт, 1981. 143 с.

23. Мосты и сооружения на дорогах : учеб. для студентов автомобильно-дорожных вузов / Е.Е. Гибшман, B.C. Кириллов, Б.П. Назаренко, Л.В. Маковский ; под общ. ред. Е.Е. Гибшмана. Изд. 2-е, перераб. и доп. — М. : Транспорт, 1972. - Ч. 2. - 404 с ;

24. Назаренко Б.П. Железобетонные мосты : учеб. для студентов автомобильно-дорожных вузов / Б.П. Назаренко. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М. : Высш. шк, 1970. - 432 с.

25. Поливанов Н.И. Проектирование и расчет железобетонных и металлических автодорожных мостов : учеб. пособие / Н.И. Поливанов. М. : Транспорт, 1970.-516 с.

26. Расчет железобетонных мостов / под ред. К.К. Якобсона. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М. : Транспорт, 1977. - 352 с.

27. Расчетный анализ живучести железобетонных пролетных строений автодорожных мостов / B.C. Сафронов, A.A. Петранин, E.H. Петреня, М.В. Ко-сенко // Дороги и мосты : сб. / Федеральное дорожное агентство (РОСАВ

28. ТОДОР), Федеральное гос. Унитарное предприятие РОСДОРНИИ. М., 2006. - Вып. 16/2. - С. 178 - 188.

29. Петранин А.А, Петреня E.H. Программа SERIAL-MGBD2. Свидетельство о госрегистрации программы для ЭВМ/ Серия Б № 0157-98.10.RUS. Гос-ком РФ по связи и информатике. Межотр. НИИ «Интеграл», -М., 1998.

30. Петранин А.А, Петреня E.H. Программа ЕТАР. Свидетельство о госрегистрации программы для ЭВМ/ Серия Б № 0158-98.1.0.RUS. Госком РФ по связи и информатике. Межотр. НИИ «Интеграл», -М., 1998.

31. Петранин А.А, Петреня E.H. Программа MOSTSGB. Свидетельство о госрегистрации программы для ЭВМ/ Серия Б № 0218-01.1.0.RUS. Госком РФ по связи и информатике. Межотр. НИИ «Интеграл», -М., 2001.

32. Петранин А.А, Петреня E.H. Программа MOSTSGNN. Свидетельство о госрегистрации программы для ЭВМ/ Серия Б № 0219-01.1.0.RUS. Госком РФ по связи и информатике. Межотр. НИИ «Интеграл», -М., 2001.

33. Семенец JI.B. Пространственные расчёты плитных мостов / JI.B. Семенец .- Киев : Вища школа. 1976. - 245 с.

34. Синицын С.Б. Строительная механика в методе конечных элементов стержневых систем : учеб. пособие для техн. вузов / С.Б. Синицын. — М. : Изд-во Ассоциации строит, вузов, 2002. 320 с.

35. Улицкий Б.Е. Пространственные расчеты балочных мостов / Б.Е. Улицкий.- М. : Науч. —техн. изд-во министерства автомобильного транспорта и шоссейных дорог РСФСР, 1962. 180 с.

36. Улицкий Б.Е. Пространственные расчеты мостов / Б.Е. Улицкий., A.A. По-тапкин и др. -М.: издательство «транспорт», 1967. 405 с.

37. Файн Я.С. Расчет железобетонных автодорожных мостов: учеб. пособие / Я.С. Файн ; Ростов, инженер, -строит, ин-т. Ростов н/Д, 1983. - 183 с.

38. Шапиро Д.М. Математическое и информационное обеспечение САПР объектов строительства : учеб. пособие / Д.М. Шапиро ; Воронеж, гос. архи-тектурно-строит. академия. Воронеж, 1999. - 82 с.

39. Шапиро Д.М. Расчет конструкций и оснований методом конечных элементов : учеб. пособие / Д.М. Шапиро ; Воронеж, гос. архитектурно-строит. академия. Воронеж, 1996. - 80 с.

40. Иосилевский JI. И. Практические методы управления надежностью железобетонных мостов : моногр. / Л.И. Иосилевский. М. : НИЦ «Инженер», 1999.-294 с.

41. Амосов A.A. , С.Б. Синицын. Основы теории сейсмостойкости сооружений. Издательство АСВ. 2001. 95 с.

42. Барченков А.Г. Динамический расчет автодорожных мостов. -М. : Транспорт, 1976.-200 с.

43. Вентцель Е.С., Овчаров JI.A. Теория вероятностей. — М.: Наука. 1969. 366 с.

44. Гаскин В.В. Сейсмостойкость зданий и транспортных сооружений. Иркутск . 2005. 79 с.

45. Герхард шлете. Надёжность несущих строительных конструкций. М. : Стройиздат. 1994. - 298 с.

46. Гонткевич B.C. Собственные колебания пластинок и оболочек. Справочное пособие. «Наука думка», Киев, 1964. 288 с.

47. Городецкий A.C. Вопросы расчета конструкций в упругопластической стадии на ЭЦВМ // ЭЦВМ в строительной механике. М.: Изд-во лит. по строительству, 1966-С. 169- 174.

48. Городецкий A.C. Расчет и проектирование конструкций высотных зданий из монолитного железобетона. Киев. 2004. 106 с.

49. Завриев К.С. Основы теории сейсмостойкости. Труды Закавказского института сооружений, вып. IX, Тифлис, 1933.

50. Завриев К.С. Расчет инженерных сооружений на сейсмостойкость. Изд. Тифл. Политехи. Ин-та, 1928.

51. Завриев К.С., Назаров А. Г. и др. Основы теории сейсмостойкости зданий и сооружений. Том 2. М.: Стройиздат. 1970. - 224 с.

52. Карцивадзе Г.Н. Сейсмостойкость дорожных искусственных сооружений. -М. : Транспорт. 1974. -264 с.

53. Котуков А.Н. Исследование колебаний балок под действием движущихся по неровному пути механических систем, моделирующих автомобиль. Дисс. на соискание канд. тех. наук. 1970, Воронеж. 246 с.

54. Крамер Е. JI. Проектирование и эксплуатация плитно-балочных пролетных строений / Е. JI. Крамер, Н. Н. Шапошников // Наука и техника в дорожной отрасли. 2003. - № 3. - С. 25 - 28.

55. Метод конечных элементов в проектировании транспортных сооружений / A.C. Городецкий, В.И. Заворицкий, А.И. Лантух-Лященко, А.О. Рассказов. М.: Транспорт, 1981. - 143 с.

56. Окамото Ш. Сейсмостойкость инженерных сооружений. Пер. с англ. -М. : Стройиздат. 1980.-341 с.

57. Пановко Л.Г. Внутреннее трение при колебаниях упругих систем. М.: 1960. -196 с.

58. Поливанов Н.И. Проектирование и расчет железобетонных и металлических автодорожных мостов : учеб. пособие / Н.И. Поливанов. М. : Транспорт, 1970. - 516 с.

59. Расчет железобетонных мостов / под ред. К.К. Якобсона. Изд. 2-е, пере-раб. и доп. - М. : Транспорт, 1977. - 352 с.

60. Саламахин П.М. Концепция автоматизации проектирования и оптимизации конструкции мостов / П.М. Саламахин // Наука и техника в дорожной отрасли.-2005.-№ 1.-С. 11-14.

61. Саламахин П.М. Проблемы и концепция автоматизации проектирования и оптимизации конструкции мостов / П.М. Саламахин // Транспортное строительство. 2005. - № 4. - С. 20 - 22.

62. Сафронов В. С. Исследование колебаний конструктивно-ортотропных плит под действием движущихся по неровному пути механических систем, моделирующих автомобиль. Дисс. на соискание канд. тех. наук. 1970, Воронеж. -188 с.

63. Сафронов B.C. Расчет висячих и вантовых мостов на подвижную нагрузку. Воронеж. 1983. -196 с.

64. Сафронов B.C. Собственные колебания плит с конструктивной ортотропи-ей. / B.C. Сафронов // труды Воронежского инженерно-строительного института. Т. 16, вып.З. изд-во ВИСИ, 1970, с. 92 100.

65. Сафронов B.C. Суперэлементный расчет в смешанной постановке железобетонных балочных мостов, имеющих дефекты и повреждения / B.C. Сафронов, A.A. Петранин, E.H. Петреня // Изв. высш. учеб. заведений. Строительство. 1996. -№ 6. - С. 103 - 109.

66. Косенко М.В. Нелинейный деформационный расчет прочности и живучести применяемых в мостостроении железобетонных плитно-балочных систем с дефектами и повреждениями. Дисс. на соискание канд. тех. наук. 2006, Воронеж. —143 с.

67. Семенец JI.B. Пространственные расчёты плитных мостов / JI.B. Семенец . Киев : Вища школа. - 1976. - 245 с.

68. Синицын А.П. Расчёт конструкций на основе теории риска. М.: Стройиздат, 1985.-304 с.

69. Синицын С.Б. Строительная механика в методе конечных элементов стержневых систем : учеб. пособие для техн. вузов / С.Б. Синицын. М. : Изд-во Ассоциации строит, вузов, 2002. - 320 с.

70. СНиП 2.05.03-84*. Мосты и трубы/ Минстрой России.- М.: ГП ЦПП, 1996. -214 с.

71. СНиП II—7-81 *. Строительство в сейсмических районах/ Минстрой России.1. М.: ГП ЦПП, 1996.-52 с.

72. Технические условия проектирования железнодорожных, автодорожных и городских мостов и труб (СН 200-62) / Гос. комитет совета министров СССР по делам строительства. М. : Всесоюз. издат. -полиграф, объединение министерства путей сообщения, 1962. - 328 с.

73. Тимошенко С.П. Прочность и колебания элементов конструкций. Москва. 1975.-704 с.

74. Улицкий Б.Е. Пространственные расчеты балочных мостов / Б.Е. Улицкий.- М. : Науч. -техн. изд-во министерства автомобильного транспорта и шоссейных дорог РСФСР, 1962. 180 с.

75. Файн Я.С. Расчет железобетонных автодорожных мостов: учеб. пособие / Я.С. Файн ; Ростов, инженер, -строит, ин-т. Ростов н/Д, 1983. — 183 с.

76. Филиппов А.П. Динамическое воздействие подвижных нагрузок на стержни. Киев. 1967.

77. Филиппов А.П. Колебания деформируемых систем. М. : Машиностроение. 1970. -736 с.

78. Черкашина А.В. Сейсмостойкие здания и развитие теории сейсмостойкости. -М: Стройиздат, 1984. -254 с.

79. Шестоперов Г.С. Инженерно-сейсмологический анализ в методологии проектирования сейсмостойких мостов. Дисс. на соискание д-ра геолого -мин. наук. 1992. Москва. 394 с.

80. Фурунжиев Р.И., Ершов В.И. Цифровое моделирование случайных возмущений при исследовании механических колебательных систем. // Влияние вибраций на организм человека и проблемы виброзащиты. Сборник. — М. : 1974.-452 с.

81. Пугачев B.C. Теория случайных функций и ее применение к задачам автоматического управления. М. : Физматгиз, 1962. - 884 с.

82. Поляк Ю.Г. Вероятностное моделирование на электронных вычислительных машинах. М.: Советское радио, 1971. - 400 с.

83. Быков В.В. Алгоритмы для цифрового моделирования некоторых типов стационарных нормальных случайных процессов. «Электросвязь», 1967, №9.

84. Горячев В.Н. Моделирование микропрофилей покрытий автомобильных дорог и проезжей части искусственных сооружений // Прикладные задачи статики и динамики мостов. (Межвуз. Сб. науч. тр./ Ворон. Инж. -строит. Ин-т) Воронеж: изд-во ВГУ, 1988. -с. 90 - 97.

85. Болотин В.В. Статистические методы в строительной механике. — М. : Стойиздат. 1965. -279 с.

86. Болотин В.В. Методы теории вероятностей и теории надежности в расчетах сооружений. М. : Стойиздат. 1982. - 351 с.

87. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. М. : Машиностроение. 1984. - 312 с.

88. ОДН 218.1.021-2003. Проектирование автодорожных мостов в сейсмических районах. Минтранс России. 2003. — 12 с.

89. СНиП 2.03.01-84. Бетонные и железобетонные конструкции: изд. офиц. / Центр, ин-т. тип. проектирования Госстроя СССР ( ЦИТП Госстроя СССР).-М., 1989.-88 с.

90. СНиП 2.05.03-84*. Мосты и трубы : изд. офиц. /Центр, ин-т тип. проектирования Госстроя СССР (ЦИТП Госстроя СССР). М. : Гос. комитет СССР по делам строительства (ЦИТП Госстроя СССР), 1985. - 200 с.

91. Кудрявцева Е.М. Mathcad 8 / Е. М. Кудрявцева. М. : ДМК, 2000. - 320 с.

92. Поляков C.B. Сейсмостойкие конструкции зданий. М. : Высшая школа. 1983.-304 с.

93. Саламахин П.М. Мосты и сооружения на дорогах. М. : Транспорт. 1991. —- 447 с.

94. Тимошенко С.П. Устойчивость упругих систем. М. : Наука. 1955. - 568 с.

95. Филиппов А.П. Колебания упругих систем. Изд-во АН УССР, 1956. 856 с.

96. Клаф Р. Динамика сооружений. -М. : Стройиздат. 1979. 320 с.

97. Бабаков И.М. Теория колебаний. -М. : Физматгиз. 2004. 592 с.

98. Бирбраер А.Н. Расчет конструкций на сейсмостойкость. Санкт-Петербург. Наука. 1998. 255 с.

99. Городецкий A.C. Компьютерные модели конструкций. Киев. 2004. 106 с.

100. ГОСТ 18105-86. Правила контроля прочности. Минстрой России. Москва. Утвержден и введен в действие постановлением гос. Ком. СССР по делам стр-ва от 13.08.86 № 108. 13 с.

101. СП 52-101-2003. Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры. Москва. 2003. 53 с.

102. PGS.TS. Nguyen Le Ninh. Dong dat va thiet ke cong trinh chiu dong dat. Nha xuat ban Xay dung Ha Noi 2007. -514 p.

103. PGS.TS. Nguyen Viet Trung. Co so tinh toan cau chiu tai trong cua dong dat. Nha xuat ban giao thong van tai Ha Noi 2004. -156 p.

104. Tieu chuan 22TCN-221-95 (Tieu chuan thiet ke cong trinh giao thong trong vung dong dat). Bo GTVT ban hanh nam 1995. 38 p.

105. Tieu chuan thiet ke cau 22TCN 272-01, Во giao thong van tai ban hanh thang 8-2001.-309 p.

106. TCXDVN 356:2005. Ket cau be tong va be tong cot thep. Tieu chuan thiet ke.- 168 p.

107. TCXDVN 375:2006. Thet ke cong trinh chiu dong dat. 296 c.123 22TCN272-05. Tieu chuan thet ke cau.124 22TCN18-79. Tieu chuan thet ke cau-duong bo. 12 p.

108. Anil К. Chopra. Dynamics of structures theory and applications to earthquake engineering. Prentice hall. Englewood cliffs, new jersey 1995. 794 p.

109. Ray W. Clough. Dynamics of structures. Computers & structures, inc. 1995 university. Ave. USA. 752 p.

110. Ahl K. Chopra. Dynamics of structures A Primer. Earthquake engineering research institute. 1980. 126 p.

111. Wodek K. Gawronski. Advanced structural dynamics and actve control of structures. Springer. 2004. 419 p.

112. К. Бате, Е. Вилсон. Численные методы анализа и метод конечных элементов // Пер. с англ. A.C. Алеексиева и др. М. : Стройиздат, 1982. - 448 с.

113. Типовые проекты сооружений на автомобильных дорогах, выпуск 56 «Пролетные строения железобетонные сборные с каркасной арматурой периодического профиля». М. : «Союздорпроект», 1958. 56 с.

114. Типовые проекты сооружений на автомобильных дорогах, выпуск 56 -дополнения «вариант конструкций железобетонных сборных пролетных строений без диафрагм с каркасной арматурой периодического профиля». М. : «Союздорпроект», 1968. 56 с.