автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Разработка методов расчета железобетонных балочных пролетных строений мостов

На правах рукописи

Киселев Дмитрий Алексеевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ БАЛОЧНЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ МОСТОВ

05.23.11 - проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 ПАР 2015

005560114

Тамбов - 2015

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тамбовском государственном техническом университете»

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Снятков Николай Михайлович

Официальные оппоненты Овчинников Игорь Георгиевич,

доктор технических наук, профессор, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А., кафедра транспортного строительства, профессор кафедры

Гриднев Сергей Юрьевич,

доктор технических наук, доцент, Воронежский государственный

архитектурно-строительный университет, кафедра строительной механики, профессор кафедры

Ведущая организация ОАО «Научно-исследовательский институт

транспортного строительства» (ОАО ЦНИИС), г. Москва

Защита диссертации состоится «30» апреля 2015 г. в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.033.02 при Воронежском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84, корпус 3, аудитория 3220, тел./факс: +7(4732) 271-53-21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного архитектурно-строительного университета и на сайте: http://edii.vgasu.vm.ru.

Автореферат разослан «27» февраля 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Колосов А. И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В условиях реконструкции железобетонных балочных автодорожных мостов, распространенным и эффективным способом усиления пролетных строений является устройство накладной плиты, так как одновременно с усилением решается вопрос увеличения габарита проезжей части. В последние годы получил распространение способ усиления железобетонных пролетных строений, путем устройства дополнительного внешнего армирования растянутой зоны, методом наклейки элементов из композиционных материалов на основе углеродных волокон, что позволяет выполнить усиление практически без увеличения строительной высоты элемента. Данные способы усиления не требуют специального технологического оборудования. Сравнительная простота исполнения позволяет обеспечить высокое качество работ.

В России в последнее время набирает обороты применение безплитных балок пролетного строения (преимущественно марки БМП), т. е. балок без полки плиты, где бетонирование монолитной плиты осуществляется непосредственно «на пролет». Расчет подобного пролетного строения необходимо вести, так же как и усиленного накладной плитой, с учетом начальных напряжений возникающих от собственного веса балки и монолитной плиты. Нормативные документы, устанавливающие правила расчета и проектирования конструкций, усиленных путем наклейки элементов из композиционных материалов, на сегодняшний день отсутствуют. Нормы проектирования (СНиП 2.03.01-84*) содержат только общие рекомендации по проектированию, усиленных накладной плитой, железобетонных конструкций. Расчет ведется по предельным состояниям, в расчетах используются линейные диаграммы деформирования материалов.

При усилении под нагрузкой нормативный метод расчета не позволяет оценить влияние начальных напряжений и деформаций в усиливаемой части на несущую способность усиленной конструкции, так как в расчете по предельным состояниям не рассматривается напряженно-деформированное состояние конструкции до усиления и исключается возможность учета этапности загружения и усиления.

Поэтому, в настоящее время является актуальной проблема развития теории и методов расчета усиливаемых железобетонных конструкций, с учетом предыстории загружения и использования реальных диаграмм деформирования материалов.

Цель диссертационной работы: разработка методики, алгор1ггма и программного комплекса для оценки напряженно - деформированного состояния на различных стадиях загружения железобетонных балочных пролетных строений автодорожных мостов, усиленных под нагрузкой.

Основными задачами диссертационном работы являются:

- разработка методики и алгоритма постадийного расчета железобетонных балочных пролетных строений, усиленных под нагрузкой, на основе деформационной модели расчета с использованием нелинейной диаграммы деформирования бетона;

- создание апробированного программного комплекса для численной реализации алгоритма расчета;

- проведение численных исследований железобетонных балочных пролетных строений автодорожных мостов, усиленных под нагрузкой, способами увеличения высоты размеров сечений элементов, а так же анализ и сопоставление результатов расчетов по предложенной методике с расчетами по СНиП, АС1, методиками других авторов;

- анализ изменения несущей способности различных железобетонных элементов, усиленных накладными плитами, при различных их сочетаниях, а так же различных уровнях совместного деформирования;

- анализ результатов испытания железобетонных балок пролетного строения и сопоставление их с расчетными значениями, полученными по разработанной методике.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработан и реализован в компьютерном программном комплексе новый метод расчета балочных пролетных строений, отличительной особенностью которого является возможность определять напряжения и деформации на любой стадии загружения, и для любой точки сечения, применимый, так же к любым железобетонным балочным изгибаемым, сжато-изгибаемым и растянуто-изгибаемым элементам.

2. Разработан новый метод определения предельного изгибающего момента усиленных накладной плитой железобетонных балочных пролетных строений. Принципиальная новизна, в отличии от нормативного метода расчета, заключается в учете начальных деформаций от собственного веса конструкции и оборудования расположенном на пролетном строении в момент усиления.

3. Создан оригинальный метод расчета, предельного изгибающего момента, усиленных внешним армированием железобетонных балочных пролетных строений. Отличительной особенностью данного метода является применение деформационной модели расчета с использованием нелинейных диаграмм деформирования бетона.

4. Разработан метод расчета предельного изгибающего момента железобетонных балочных пролетных строений усиленных и накладной плитой и внешним армированием. Метод позволяет учесть деформации во всех элементах составного сечения, на каждом этапе

разгружения, усиления и включения в работу усиливающих элементов, что позволяет получать достоверные значения предельного изгибающего момента.

5. Экспериментальное обоснование разработанных методов расчета, как новых, так и усиленных железобетонных двутавровых балок пролетного строения, подтверждение достоверности полученных теоретических результатов при любой степени нагружения.

6. Проведены численные исследования как новых, так и усиленных железобетонных балок двутаврового сечения с предварительно напряжённым и обычным армированием, анализ и сопоставление результатов расчетов с расчетами по СНиП, АС1 и методиками других авторов.

{Трагическая значимость работы заключается в создании на базе разработанных алгоритмов программного комплекса «Расчет, железобетонного ребристого пролетного строения автодорожного моста, с использованием нелинейной диаграммы деформирования бетона». Расчеты усиленных пролетных строений написаны в программе МаШсаё. Программные комплексы внедрены в ряд проектных организаций, а также могут быть рекомендованы для практического внедрения.

Внедрение в массовое проектирование научно-обоснованного метода нелинейного расчёта железобетонных балочных пролетных строений, как новых, так и усиленных.

Научная значимость работы заключается в создании методов расчета предельного изгибающего момента железобетонных балочных пролетных строений, в том числе с обычной и с предварительно напряженной арматурой, а так же при смешанном армировании.

Разработаны методы расчета предельного изгибающего момента железобетонных балочных пролетных строений усиленных внешним армированием и накладной плитой.

Реализована на практике возможность эффективного использования нелинейной деформационной модели в соответствии со СНиП 2.03.01-84*, СНиП 2.05.03-84* применительно к расчёту мостовых железобетонных пролётных строений, как новых, так и усиленных внешним армированием и накладной плитой.

Обоснование высокоэффективных инженерных решений при проектировании и оценках несущей способности новых и реконструируемых железобетонных пролётных строений.

На защиту выносятся: -метод расчета предельного изгибающего момента балочных пролетных строений, с использованием не линейной диаграммы деформирования бетона, применимый так же к любым железобетонным изгибаемым, сжато-изгибаемым и растянуто-изгибаемым балочным элементам;

-метод расчета предельного изгибающего момента усиленных накладной плитой железобетонных балочных пролетных строений с учетом начальных деформаций в усиливаемом элементе и учетом нелинейных свойств бетона;

-метод расчета предельного изгибающего момента усиленных внешним армированием из композиционных материалов железобетонных балочных пролетных строений с учетом начальных деформаций в усиливаемом элементе;

-метод расчета предельного изгибающего момента железобетонных балочных пролетных строений при усилении и накладной плитой и внешним армированием, с учетом этапов разгружения, усиления и включения в работу усиливающих элементов;

-метод определения напряжений на любой стадии загружения и для любой точки сечения железобетонного элемента, подтвержденный экспериментальными данными;

-программный комплекс, реализующий расчет железобетонных балочных пролетных строений с учетом нелинейных свойств бетона.

Достоверность разработанной методики и алгоритма обеспечивается использованием общепринятых гипотез строительной механики и нелинейной теории железобетона, подтверждается сопоставлением результатов расчета по разработанному программному комплексу с результатами расчетов по СНиП, АС1 и экспериментальными данными.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, общим объемом 71 страница, из них лично автору принадлежит 39 страниц. Три работы опубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК: «Бетон и железобетон»; «Строительство и реконструкция»; «Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура».

В статьях, опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК, изложены основные результаты диссертационных исследований: в работе [1] приведены результаты расчета железобетонной двутавровой предварительно напряженной балки в программе для персонального компьютера «Расчет железобетонного ребристого пролетного строения автодорожного моста с использованием нелинейной диаграммы деформирования бетона» и их сравнение с экспериментальными данными; в работе [2] рассматриваются результаты расчета пролетного строения моста через реку Тойда, как до, так и после усиления накладной плитой, по СНиП 2.03.01-84*, при помощи программы ЕТАР и по предложенной автором методике, приведены результаты расчета и сравнительный анализ полученных данных; в работе [3] проведен анализ результатов испытаний и результатов расчета сначала новых, а после усиленных композиционными материалами железобетонных двутавровых балок пролетного строения, подтверждающий достоверность разработанных методов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 130 наименований и приложений. Материалы диссертации (без приложений) включают 185 страниц машинописного текста, содержащих 50 рисунков, 16 диаграмм и 32 таблицы.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, определяются цели и задачи исследований по разработке методов расчета и программного комплекса для оценки напряженно - деформированного состояния на различных стадиях загружения железобетонных балочных пролетных строений автодорожных мостов, как новых, так и усиленных под нагрузкой. Ставятся основные задачи исследования. Отмечается научная новизна и практическая ценность диссертационной работы.

В первой главе рассмотрены различные способы усиления пролетных строений автодорожных мостов. Проведен подробный анализ наиболее популярных способов усиления: с точки зрения эффективности, экономичности, простоты исполнения и ряда других факторов. Проведен анализ различных методов расчета России (СНиП 2.03.01-84*, СНиП 2.05.03-84*, метод предложенный сотрудником НИИЖБ Мухамедиевым Т. А., метод предложенный выпускником ВГАСУ Степановым С.Д., а так же Тютиным А.П., метод предложенный сотрудником Гипростроймоста Улуповым А. С. и д.р.) и США (ACI 318-08 и ACI 440.2R-08), как новых, так и усиленных железобетонных балочных пролетных строений. Выявлено, что указания по расчету, усиленных накладной плитой пролетных строений, в Российской нормативной базе упрощены и базируются на необоснованных эмпирических коэффициентах (СНиП 2.03.01-84*), а для расчета усиления внешним армированием нормативные документы в принципе отсутствуют.

Определены основные задачи дальнейших исследований.

1. Построение уравнений равновесия внутренних и внешних усилий, с использованием нелинейных диаграмм деформирования бетона, для сечений изгибаемых элементов, как типовых, так и усиливаемых различными способами.

2. Разработка расчетного программного комплекса для ЭВМ.

3. Проведение численных экспериментов и анализ результатов расчета.

4. Сопоставление экспериментальных данных с результатами расчета.

Во второй главе описывается методика расчета новых и усиливаемых изгибаемых железобетонных элементов, с учетом нелинейного деформирования бетона, а так же с учетом начальных деформаций от собственного веса элемента.

С точки зрения точности аппроксимации и удобства при дифференцировании и интегрировании наиболее приемлемой является зависимость в виде полинома пятой степени (полином Байкова):

сТ(,=А0Еа+ВоЕ2*+Со£ Vd0e Vf0s5í, (1)

Очертание кривой принимается согласно рекомендациям международных организаций, а коэффициенты определяются по нормируемым показателям. В работе приняты следующие допущения:

• Гипотеза плоских сечений для распределения деформаций.

• Для любого волокна зависимость оь-сь, следует диаграмме одноосного сжатия бетона.

• Вид уравнений (полином) одинаков при однородном и неоднородном сжатии (сжатой зоны изгибаемого или внецентренно-сжатого элемента).

• Нейтральные оси эпюр нормальных напряжений и деформаций совпадают (отдельно для неусиленного и усиленного сечения).

• Бетон растянутой зоны в работе конструкции не учитывается.

• Зависимость <т, i:s между средними напряжениями и средними деформациями арматуры принимается в виде идеализированной диаграммы Прандтля.

Рассмотрены четыре вида балочного пролетного строения:

1. Неусиленные балки.

2. Балки усиленные накладной плитой.

3. Балки усиленные внешним армированием.

4. Балки усиленные накладной плитой и внешним армированием.

Система уравнений равновесия для новой двутавровой балки в случае, где граница сжатой зоны бетона заходит в ребро балки (рис. 1), имеет вид: г*ь-<¡ гхь

гхь-а ,-х

■I ab-dx + b'-\ ob-dx + osAs-,

Xb'd m

xb-d rxb

M =

'o Jxb-d

rxb-d i-xb

: t ■ I ab-x ■ dx + b' ■ I ab- x- dx — asAs(Ji — a- x„), '0 Jx^-d

где: й- толщина полки балки, / - толщина ребра балки, Ь' - расчетная ширина полки балки, а - расстояние от центра тяжести рабочей арматуры до нижней грани элемента, Р, М-усилия от внешних нагрузок, оь -напряжение в бетоне сжатой зоны, по формуле (1); а1=е, Е! - напряжения в растянутой арматуре; хь=егУ(е1-е2) - высота сжатой зоны бетона; £ь е2-относительные краевые деформации; Е,=£2+а (е1-£2)/И - относительная деформация растянутой арматуры, линейно связанная с краевыми деформациями е/. г,2. Положительными

считать сжимающие усилия и деформации укорочения, тогда учетом гипотезы плоских сечений имеем: е/х=£г/хь:с1х=И-1&/(б1-Е2)-

а)

7

Рисунок 1 - Расчетная схема тавровой железобетонной балки при расположении границы сжатой зоны бетона в ребре балки: а- приведенное сечение; б- эпюры распределения напряжений и деформаций по высоте сечения После раскрытия под интегральных выражений имеем:

Ь' ■ Н

М ■■

е1-Е2 I ■ /г2

г-к А-е1 В-е3

- £г V 2 3

■ГА-е1 В-е* С-е* Р ■ е* Р-г?' \ 2 3 4 5 6, (А ■ е| В • £|

3 С ■ о • е1 Р • <Г36

+ -^ +-- +--

4 5 6

(А -

V Е, - е2/

/Л-£3 В-£34 С-Е35 0-£36 Р-£37\ / а \

Л ■ В-Е!4 С-£!5 0"£,6 Р-сЛ

(3)

Ъ' • ь.2

(Е1 -

Л ■ е| В ■ ^ С ■ £| О ■ Р ■ £?

—---Н---н---н---

3 4 5 6 7

где: е3 = б! + —---— - значение относительных деформации в точке изменения

сечения тавровой балки.

Для случая, где граница сжатой зоны проходит плите, интеграл берется на одном участке, т.к. ширина элемента будет постоянной. В системах уравнений равновесия внутренних и внешних усилий для балки с предварительно напряженной арматурой необходимо учесть относительные деформации, возникшие при натяжении пучков.

б)

Рисунок 2 - Расчетная схема железобетонной балки усиленной накладной плитой: а-приееденное сечение: б-эпюры распределения напряжений и деформаций

Расчет, усиливаемых накладной плитой элементов (рис. 2), необходимо вести поэтапно. На первом этапе определяются относительные деформации и напряжения в усиливаемом элементе от собственного веса усиливаемой конструкции и веса накладной плиты. При определении внутренних усилий, необходимо учитывать деформации в сжатой зоне бетона до усиления, возникающие от собственного веса элемента, определяемые системой уравнений (2) и равные £ь На втором этапе определяется несущая способность усиленного элемента, с учетом начальных относительных деформаций в сжатой зоне бетона.

Система уравнение равновесия для усиленной накладной плитой балки имеет вид:

Гхь Гдгь+Лп

г*ь гХь+п „„

Р = Ь' ■ оьс1х + + Ь' ■ I аь1Лх; ■>о )Хь

[ХЬ+кпл

оь-х-с1х- -а- х„)+Ь' ■ аЬ1 ■ (х + к^йх,

о JI.

(4)

где Ь„, - толщина накладной плиты, аы - напряжения в бетоне накладной плиты. Для усиливаемых накладной плитой предварительно напряженных балок, по аналогии с типовыми, необходимо учитывать относительные деформации от натяжения пучков рабочей арматуры.

Расчет, усиливаемых внешним армированием железобетонных элементов (рис. 3), ведется аналогично расчету любого усиления. На первом этапе определяются относительные деформации, возникающие от собственного веса конструкции на момент усиления. На втором этапе определяется несущая способность усиленного элемента, с учетом уже имеющихся деформаций. Для усиления внешним армированием учитываются относительные деформации растянутой зоны бетона. Система уравнений равновесия, для усиленной внешним армированием балки, имеет вид: [ р = Ь' ■ Со„с1х + <т5Л5 + а,Аг-,

\м = Ь'- аь ■ х • ах - - а - х„) - а,Аг{Ь. - лг„), (5)

где А/ - площадь сечения профиля усиления, Е/- модуль упругости материала усиления, аг£гЩ - напряжения в элементе усиления; е/=е2-е2'- относительная деформация растянутого профиля, '- краевая деформация растянутых волокон до усиления.

а)

5:

7"

агАг

Рисунок 3 - Расчетная схема железобетонной бачкиуааенной внешним армированием: а-приведенное сечение; б-эпюры распределения напряжений и деформаций

При смешанном усилении, для определения внутренних усилий, действующих в растянутом профиле усиления и сжатой плите, необходимо учитывать деформации железобетонной балки не только до усиления, но и на каждом этапе усиления. Рекомендуется производить сначала усиление внешним армированием, а после усиление накладной плитой. На первом этапе определяются относительные деформации, возникающие от собственного веса конструкции на момент усиления. На втором этапе определяются начальные относительные деформации, усиленного внешним армированием элемента, от собственного веса и веса накладной плиты. На третьем этапе определяются несущая способность усиленного элемента, с учетом уже имеющихся деформаций. При смешанном усилении учитываются относительные деформации, как сжатой, так и растянутой зоны бетона. Система уравнений равновесия внутренних и внешних усилий будет иметь вид:

Г"» г*Ь+Ьпл W

М = Ь- I ab-x-dx-asAs(h-a-xb)+b'- <тм ■ (х + Лпл) ■ dx - ofAf(h - хь)

0 JXb

Решение систем уравнений дает значение £,, е2, по которым определяются все интересующие параметры напряженно-деформированного состояния.

Автором написан расчетный программный комплекс для персонального компьютера - «Расчет, железобетонного ребристого пролетного строения автодорожного моста, с использованием нелинейной диаграммы деформирования бетона», предназначенный для расчета неусиленных балок пролетного строения. Язык программирования Delphi, в среде разработки Embarcadero RAD Studio 2010. 9 января 2013г. она зарегистрирована в федеральной службе по интеллектуальной собственности. Для усиленных пролетных строений, алгоритм расчета реализован в программе «Расчет усиленных железобетонных балочных пролетных строений», разработанной в математической среде MathCad.

В третьей главе проводятся численные исследования на примере трех реальных объектов. Анализируются результаты расчетов, по предложенной методике, с расчетами по СНиП 2.05.03-84*, СНиП 2.03.01-84*, ACI 440.2R-08, ACI 318-08 и методиками других авторов, как неусиленных, так и усиленных пролетных строений.

В разделе 3.1 рассматривается возможность пропуска по мосту, через реку Большой Кизил в Уфимской области, сверх нормативной нагрузки по проекту доставки ПГУ-410 из порта Роттердам на Южно-Уральскую ГРЭС. Вес генератора фирмы Siemens расположенного на дватцатичетырехосной тележке составил 340т. В 1998 мост был усилен накладной плитой средней толщиной 12 см. В декабре 2011 года для пропуска сверхнормативной нагрузки, мост был усилен наклейкой 14 углеволокнистых лент.

Результаты исследования показали возможность пропуска сверхнормативной нагрузки, однако это стало возможным только благодаря усилению накладной плитой. При усилении данного моста только внешним армированием возникает эффект хрупкого разрушения (напряжения в бетоне близки к максимальным), что не допустимо. В то же время усиление только накладной плитой, из-за длины пролета 21,6 м, практически ни дает, ни какого эффекта. На этом примере явно показаны неоспоримые плюсы смешанного усиления, позволяющие существенно увеличить грузоподъемность моста.

В разделе 3.2 рассматривается мост через р. Узу, построенный в середине 50-х годов. Мост имел пять железобетонных пролетов длиной по 8,66 м с габаритом проезда Г-6, и не отвечал современным эксплуатационным и прочностным требованиям. Проектное задание на реконструкцию требовало обеспечить габарит Г-8+2><0,75 м и возможность пропуска по мосту нагрузок А-11, НК-80. Для обеспечения заданных технических характеристик было решено уширить пролетные строение монолитной железобетонной плиты с большим вылетом консоли и усилить балки пролетных строений методом наклейки поверхностной арматуры.

На этом примере явно видно, на сколько сильно может быть увеличена грузоподъемность моста (более чем в 2 раза) при грамотном использовании смешанного усиления. Высокие показатели увеличения несущей способности сопряжены с необходимостью точных расчетов, потому что незначительные упрощения расчетов могут дать большую ошибку. В заключении скажу, данный мост уже реконструирован, прошел все испытания и открыт для движения.

В разделе 3.3 рассматривается мост через реку Тойда на 321 км автодороги Курск-Саратов, построенного в 1965 году и реконструированного в 1994 году. В результате реконструкции выполнено уширение и усиление пролетного строения железобетонной накладной плитой, с целью пропуска нагрузок А-11 и НК-80. В работе так же рассмотрена теоретическая возможность усиления пролетного строения моста внешним армированием с целью пропуска современных нагрузок А-14 и НК-100.

Данное исследование интересно результатами расчета, полученными специалистами «Воронежского ГАСУ» создавшими программу ЕТАР основанную на методе конечных элементов, которые, не смотря на коренное отличие методов расчета, оказались достаточно близки с результатами полученными в данной работе.

Проведенные численные эксперименты на примере реальных объектов, показали высокую сходимость и логичность результатов (таблица 1).

Таблица 1 — Сравнение результатов расчета различными методиками, несущей способности

балок пролетных строений мостов

Сечение элемента Расчетная несущая способность щгибаемых балок пролетных строений/ Процентное отношение результатов расчета, полученным по разным методикам

СНиП 2.03.01-84* СНиП 2.05.03-84* методика разработанная сотрудниками НИИЖБ ACI 318-08 ACI 440.2R-08 Методика автора ET АР

Мост через реку Большой Кизш

Без усиления 2436кНм - 2540кНм - 2523 -

100% 104,3% 103,6%

Усиленное накладной плитой 2857кНм - 2861кНм - 2862 кНм -

100% 100,14% 100,17%

Усиленное внешним армированием - 2867кНм - 3417 кНм 3405 кНм -

100% 119,2% 118,8%

Усиленное накладной плитой и внешним армированием 3225 кНм - 3886 кНм 3818 кНм -

100% 120,5% 118,4%

Мост через реку Узу

Без усиления 472 кНм - 476 кНм - 475 кНм -

100% 100,7% 100,6%

Усиленное накладной плитой 663 кНм - 665 кНм - 665 кНм -

100% 100,23% 100,20%

Усиленное внешним армированием - 839 кНм - 852 кНм 848 кНм -

100% 101,57% 101,02%

Усиленное накладной плитой и внешним армированием 1208 кНм - 1228 кНм 1209 кНм -

100% 101,7% 100,1%

Мост через реку Тойда

Без усиления 837 кНм - 905 кНм - 905 кНм 910 кНм

100% 108,2% 108,1% 108,7%

Усиленное накладной плитой 1108 кНм - 1177 кНм - 1151 кНм 1170 кНм

100% 106,3% 103,9% 105,6%

Усиленное внешним армированием 1064 кНм - 1200 кНм 1199 кНм -

100% 112,8% 112,7%

Усиленное накладной плитой и внешним армированием - 1249 кНм ■ 1275 кНм 1250 кНм -

100% 102,1% 100,1%

Численные исследования показали, что несущая способность по изгибающему

моменту новых железобетонных балок, определённая по расчёту с использованием деформационной модели, дает запас прочности до 9 %, по сравнению с результатами расчета согласно СНиП 2.05.03-84*, что подтверждено и расчетами других авторов. Для усиливаемых накладной плитой пролетных строений, расчетная несущая способность

определённая по расчёту с использованием деформационной модели, дает запас прочности до 7 %, по сравнению с результатами расчета согласно СНиП 2.03.01-84*, однако при значительных начальных нагрузках запас не только исчезает, но и переходит в переоценённую несущую способность. Численные исследования пролетных строений, усиливаемых только внешним армированием, а так же в совокупности с накладной плитой, показали, что расчетная несущая способность сечения, определённая по расчёту с использованием деформационной модели, дает запас прочности до 20 %, по сравнению с результатами расчета согласно методики НИИЖБ Т.А. Мухамедиева.

В четвертой главе проводятся сравнение экспериментальных данных с результатами расчета, на примере двух балок испытанных сначала до усиления, а потом усиленных лентами углеволокна.

В разделе 4.1 рассматриваются полученные теоретические значения, и их сравнение с экспериментальными данными, полученными ОАО «Мостотрест» при испытаниях новой железобетонной балки. Испытание балки проходило в два этапа. На первом этапе испытывали неусиленную балку на момент 5934 кН*м.

Расчётные параметры напряженно-деформированного состояния определены из решения систем уравнений. Результаты испытания и расчета представлены на рисунке 4.

о Теоретические значения (диаграмма деформирования бетона построена по расчетным

характеристикам)

Теоретические значения (диаграмма деформирования бетона построена по нормативным характеристикам)

Рисунок 4- Измеренные и теоретические относительные деформации в середине пролета неусиленной балки - Б2400.140.123-К7.АШ-К На диаграмме (рис. 4) представлена зависимость относительных деформаций б| (рис. 1) от величины изгибающего момента в середине пролета железобетонной балки. Наглядно показаны теоретические значения, полученные расчетным путем для нормативных и расчетных характеристик бетона, а так же значения полученные экспериментальным путем. Значения, полученные по нормативным характеристикам бетона,

достаточно точно совпадают с экспериментальными значениями, разница обусловлена коэффициентами запаса к прочности и предельной деформативности бетона. Испытание проходила новая балка и это доказывает скачек на диаграмме при моменте 3201 кНм, в этой точке произошло образование трещин, после чего диаграммы опять приблизились друг к другу.

На втором этапе было произведено усиление, с помощью наклейки на нижнюю поверхность 3-х слоев ткани углеродной ленты шириной 250 мм, и испытание уже усиленной балки на момент 6275 кН*м. Результаты испытания и расчета представлены на рисунке 5.

2500

1£>

3 2000 О) *

| ш 1500

| | ¡"00

5 3" с 500 ? 5 я

1|| о

й 1? -е. 981 1408 1835 2091 2347 2603 2945 3201 3714 4397 4738 5421 5934 6275

3 а Изгибающий момент в середине пролета, кНм

о. §. Теоретические значения (диаграмма деформирования бетона построена по

ю расчетным характеристикам)

£ -Теоретические значения (диаграмма деформирования бетона построена по

нормативным характеристикам) Измеренные значения

Рисунок 5- Измеренные и теоретические относительные деформации в середине пролета усиленной балки Анализ результатов расчета и испытания усиленной внешним армированием балки показал достоверность разработанного метода, позволяющая с большой точностью вести расчет усиливаемых железобетонных балок.

В разделе 4.2 рассматриваются результаты расчета железобетонной балки, полученными по предложенной методике, и их сравнение с экспериментальными данными, полученными ЗАО «Ингеоком». Балка была вырезана по швам омоноличивания из пролетного строения моста, через реку Мзымту в Адлере на км 206+728 автодороги «Джугба-Сочи-граница с Грузией». Испытание балки проходило в два этапа. На первом этапе испытывали неусиленную балку на момент 9425 кН*м. На втором этапе было произведено усиление, с помощью наклейки на нижнюю поверхность 4-х слоев углеродной ленты шириной 250 мм. и испытали уже усиленную балку на момент 10288 кН*м.

Испытания показали абсолютно аналогичные результаты, что и в предыдущем эксперименте, что доказывает постоянство и точность результатов для любого

железобетонного элемента, для любого уровня нагружения, и для любых из перечисленных способов усиления. Проведенный анализ и обработка результатов испытаний железобетонных балок длиной 33 и 24м, сначала типовых, а потом усиленных внешним армированием, показал высокую точность разработанных методов расчета.

В пятой главе проводится анализ несущей способности, усиленных накладной плитой различной толщины, пролетных строений мостов из главы 3. На основании расчетов построены диаграммы (рис. 6-8) зависимостей толщины плиты и несущей способности элемента. Проведено сравнение с результатами расчета по СНиП 2.03.01-84*.

Толщины накладной плиты, см

Мпредельный СНиП -Мпредельный методика Мрасчетный НК-80 -Мрасчетный НК-100

Рисунок 6 - Сводная диаграмма усиления пролетного строения моста, через реку Большой Кизил, плитами различной толщины.

По результатам численного исследования, усиления пролетного строения накладными плитами различной толщины, моста через реку Большой Кизил сделаны следующие выводы:

- для пролетных строений длиной 21,6 м и более, усиление накладными плитами не позволяет увеличить грузоподъемность моста;

- метод расчета по СНиП 2.03.01-84* не учитывает начальных напряжений от собственного веса и усиливающей конструкции, что ведет к переоценённой несущей способности усиленного элемента.

я « % «

| 2 к 950

¿¡га I

й- Ю а

; ; 2

£ 5 | 750

10 12 Мпредельный СНиП

15 21 25 30

Толщина накладной плиты, см

-Мпредельный методика

35 40

Мрасчетный НК-80

Рисунок 7 - Сводная диаграмма усиления пролетного строения моста, через реку Уза, плитами различной толщины

Для усиленного накладными плитами различной толщины, пролетного строения моста через реку Уза просматривается та же динамика, что и в предыдущем численном эксперименте, отсутствие в СНиП 2.03.01-84* учета начальных напряжений ведет к переоценённой несущей способности усиленного элемента. Это хорошо видно на примере усиления плитой толщиной 40 см, где несущая способность даже ниже чем, при усилении плитой 35см.

н

£ 1300

I 1

I «5 5

5: | * 1100

01 о

О. го

1= ю

X

2 900

10 15 21 25 30 35 40

Толщина накладной плиты, см

-Мпредельный СНиП Мпредельный методика Мрасчетный НК-80 Мрасчетный НК-100

Рисунок 8- Сводная диаграмма усиления пролетного строения моста, через реку Тойда. плитами различной толщины

По результатам численного исследования, усиленного накладными плитами пролетного строения моста через реку Тойда сделаны следующие выводы:

- для пролетного строения длиной 15 м, усиление накладными плитами позволяет увеличить грузоподъемность моста до 20%;

- по аналогии с предыдущими экспериментами подтверждается необходимость учета начальных напряжений.

Результаты исследований показали неточность определения несущей способности усиленного пролетного строения. Разница результатов доходит до 13%, как в сторону переоцененное™, так и в сторону не дооцененности несущей способности усиленного сечения. В общем виде методика СНиП дает достоверные результаты, но если посмотреть с точки зрения динамики изменения, разница результатов указывает на необходимость дальнейших исследований и развития уточненных методик расчета. На основании проведенного анализа видно, что при расчете усиливаемых конструкций, необходимо учитывать начальные деформации, возникающие от веса усиливаемой и усиливающей конструкций.

ВЫВОДЫ

Выполненный анализ существующих методов расчета, железобетонных конструкций и проведенные теоретические и численные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. На основе деформационной модели разработаны методы расчета, новых, усиленных накладной плитой, усиленных внешним армированием, усиленных и внешним армированием и накладной плитой железобетонных балок пролетного строения, с использованием нелинейной диаграммы деформирования бетона. Выведены системы уравнений (2-6), описывающие напряженно деформированное состояние пролетного строения в рассматриваемых сечениях. Методика расчета усиливаемых конструкций базируется на учете начальных деформаций в момент включения в работу усиливающих конструкций.

2. Разработанный алгоритм расчета реализован в комплексе программ, для неусиленных элементов написанный на языке программирования Delphi, в среде разработки Embarcadero RAD Studio 2010, для усиленных пролетных строений в математической среде MathCad.

3. По результатам численного исследования сделан вывод о том, что несущая способность по изгибающему моменту новых железобетонных балок, определённая по нормативной методике, при сравнении с расчётом по деформационной модели, недооценена.

4. Численные исследования усиленных пролетных строений показали, что при усилении различными материалами необходимо учитывать все стадии загружения с целью определения напряжений в каждом из них.

5. Доказано, что алгоритм позволяет моделировать НДС балочных элементов сооружения, на различных этапах реконструкции, оценивая эффективность применения элементов усиления, в виде накладной плиты и внешнего армирования, при различных их сочетаниях а так же различных уровнях совместного деформирования с балками пролетного строения.

6. Проведенный анализ и обработка результатов испытаний железобетонных балок длиной 33 и 24м, сначала новых, а потом после усиления наклейкой внешнего армирования, обосновал эффективность нелинейной деформационной модели для балок, исследуемых в диссертации, и подтвердил достоверность результатов полученных расчетным путем.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ: Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК: 1.Киселев, Д.А. Апробация разработанной программы для расчета железобетонных пролетных строений / Д.А. Киселев, Н.М. Снятков // Бетон и железобетон. - 2014.-№1-Москва, НИИЖБ - С. 18-19.

2. Киселев, Д. А. Апробация разработанной методики расчета реконструируемых железобетонных пролетных строений / Д.А. Киселев // Строительство и реконструкция, -2014, - №2 - Орел Ф1ЪОУ BI К) «Госуннверситет - У11Г1К» - С. 15-20.

3.Киселев, Д.А. Апробация разработанной методики расчета, на примере неусиленной, а потом усиленной внешним армированием железобетонной балки пролетного строения / Д.А. Киселев // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура. № 4 (36), 2014. - Воронеж, - С. 84-94.

Публикации в других изданиях:

4. Киселев, Д.А. Расчет пролетного строения автодорожного моста с использованием нелинейной диаграммы деформирования бетона/ Д.А. Киселев, Н.М. Снятков// Труды ТГТУ: сборник научных статей/ Тамб. гос. техн. Ун-т,- Тамбов, 2010,- Вып.23,- С.222-225.

5. Киселев, Д.А. Расчет железобетонного пролетного строения автодорожного моста, усиленного накладной плитой / Д.А. Киселев, Н.М. Снятков // Второй Всероссийский Дорожный Конгресс: сб., науч. тр. - МАДИ, МОО «Дорожный Конгресс». - М.,2010. -С.398-401.

6. Киселев, Д.А. Расчет сталежелезобетонного пролетного строения автодорожного моста / Д.А. Киселев, Н.М. Снятков // Проблемы техногенной безопасности и устойчивого развития: Сборник научных статей молодых ученых, аспирантов и студентов. Выпуск II/ Тамб. гос. техн. Ун-т,- Тамбов, 2011. -С.252-255.

7. Киселев, Д.А. Расчет пролетных строений автодорожных мостов при усилении накладной плитой / Д.А. Киселев, Н.М. Снятков // «Строительство-2012»: материалы Международной научно-практической конференции.-Ростов н/Д: Рост. гос. строит, ун-т, 2012. -С.158-159.

8. Киселев, Д.А. Расчет реконструируемых железобетонных пролетных строений / Д.А. Киселев, Н.М. Снятков // Ориентированные фундаментальные и прикладные исследования -основа модернизации и инновационного развития архитектурно-строительного и дорожно-транспортного комплексов России: матер. Межд. 66-й. -практич. Конф. - Омск: СибАДИ, 2012. Кн. 1 -С.7-9.

СВИДЕТЕЛЬСТВА О РЕГИСТРАЦИИ ПРОГРАММ ДЛЯ ПК:

1. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013610677/Расчет железобетонного пролетного строения автодорожного моста с использованием нелинейной диаграммы деформирования бетона / Д.А. Киселев, Н.М. Снятков.

Киселев Дмитрий Алексеевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ БАЛОЧНЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ МОСТОВ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Подписано в печать 25.02.2015г. Формат 60x84/1/16. Бумага офсетная. Печать на ризографе. Условный печатный лист 1,5. Тираж 100 экз. Заказ №2502А. Отпечатано в типографии «ТриКард». г.Москва, Варшавское шоссе, д.26 www.3card.ru | e-mail: 7891942@7891942.ru тел.: (495)789-19-42