CC BY
28
УДК 624.191.8.042/.044
В. Л. седщ (ПДАЫА), В. Д. ПЕТРЕНКО, О. Л. ТЮТЬКШ (ДПТ)
АНАЛ1З ВПЛИВУ НОВИХ КОНСТРУКТИВНИХ Р1ШЕНЬ НА НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНИЙ СТАН ОБРОБКИ П1ЛОННО1 СТАНЦП
У статп наведено чисельний анал1з впливу нових конструктивних ршень у конструкщях пшонних станцш. Виявлено, що введения яких-небудь нових елеменпв у конструкцш пвдземно! споруди потребуе грун-товного анал1зу, оскшьки змша напружено-деформованого стану в таких випадках не завжди змшюеться в кращу сторону.
В статье приведен численный анализ влияния новых конструктивных решений в конструкциях пилон-ных станций. Определено, что ввод каких-либо новых элементов в конструкцию подземного сооружения требует обстоятельного анализа, так как изменение напряженно-деформированного состояния в таких случаях не всегда изменяется в лучшую сторону.
The article features a numerical analysis of influence of new design decisions in constructions of pylon stations. It has been concluded that introduction of any new elements in the construction of an underground structure requires a detailed analysis, because the tensed-and-deformed state of the structure in such cases does not always change for the better.
Використання трисклешнчастих станцш га-лонного типу при будiвництвi метрополтешв глибокого закладення дуже поширене у великих мютах Укра!ни. Завдяки простой спору-дження та надшносп експлуатацп вони е до-статньо розповсюдженим типом станцш у чизнянш та зарубiжнiй практищ пiдземного будiвництва уже десятки роюв. У той же час це найменш дослiджений вид будiвельних конструкцш, що пов'язано з недостатшм науковим обгрунтуванням розрахунку такого типу станцш з урахуванням специфiчних взаемодш об-робки та масиву [1; 2].
Iснуючi на даний час методики проекту-вання, розрахунку та оптимiзацп конструктивних елеменив трисклепiнчастих станцiй пiлонного або колонного типу базуються на побудовi плоских розрахункових схем конструкцп та штерпретацп оточуючого масиву з деякими припущеннями, якi спрощу-ють його реальну поведшку. Даний пiдхiд не дозволяе правильно визначити напружено-деформований стан ще! складно1 конструкцп, оскшьки вiдкидаеться такий важливий фактор, як просторовють роботи та перекру-чуеться реальна взаемодiя мiж обробкою станцiI та оточуючим масивом [3; 4]. У результат конструкцп пшонних станцш вва-жаються нерацiональними та неекономiчни-ми. Авторами пропонуеться застосування просторово! розрахунково! схеми, яка дозво-
ляе реалiзувати ряд нових пропозицш, а саме можливють змiни жорсткостей конструкцiI близько до реально! конструкцп, проведення розрахункiв з видами масиву, який мае склад-ш нелiнiйнi властивостi, урахування неодно-рiдностi як масиву, так i навантаження на конс-трукцiю, ашзотрошю. Найважливiшу роль у ана-лiзi напружено-деформованого стану системи «кршлення-масив» вщграе дослiдження меха-нiзму роботи, юнування та взаемодiI двох час-тин ще! системи. Причому з'ясування мехаш-зму роботи - фундаментальне знання, яке дозволить проводити таю види дослщжень, як чисельний аналiз, iмiтацiйне моделювання, побудова моделi за допомогою його первiсних фундаментальних властивостей тощо.
Розрахунок трисклепiнчастих станцiй мет-рополiтену глибокого закладення пiлонного типу являе собою складний процес, який вклю-чае анатз цилiндричних оболонок, якi послаб-ленi отворами, та системи перемичок й пшошв (колон) за умови невизначеносп величини на-вантажень та взаемоди конструкцiI з оточуючим масивом. Iснуючi методи дослiджень та розрахунку на мщшсть конструкцiй трисклешнчастих станцш передбачають роздiлення су-цiльноI конструкцiI на ряд елеменпв, якi розра-ховуються за допомогою анаттичних методiв будiвельноI механiки [5; 6].
Такий шдхвд призводить до неврахування найважливiшого фактора, вiд якого залежить
напружено-деформований стан конструкци, -просторовосп ïï роботи [4]. Неврахування про-сторового фактора та уведення припущень про використання плоских розрахункових схем -головш причини отримання неадекватного уяв-лення про роботу споруди, наслщками якого е або створення невиправданих запасiв мщнос-тi, або юнування недопустимих напружень та деформацiй [7; 8].
Важливим питанням розрахунку напружено-деформованого стану конструкцiï станцiï зали-шаеться питання про вплив нових конструкти-вних рiшень, якi пропонуються проектувальни-ками пiдземних споруд. На даний термш важ-ливими конструктивними ршеннями у пшон-них станщях е:
1) створення монолiтноï балки над прор> зом станцiï на всю ïï довжину;
2) замша грунтового пшону зашзобетонним.
Ряд авторiв вiдмiчае зручнiсть та ефектив-шсть застосування методи сюнченних елементiв (МСЕ) в розрахунках станцш пiлонного i колонного типiв [7-9]; деяю дослiдники видiляють просторовiсть роботи конструкци як важливий фактор, що впливае на аналiз конструкцiï [4; 7; 8]. Застосування МСЕ також обгрунтовано його реалiзацiею на ПЕОМ. Таке впровадження методу дозволяе формувати умови навантаження рiзноманiтного ступеня складностi, у тому чи^ й нерiвномiрнi, граничш умови; розглядати конс-трукцiï нерегулярноï геометричноï структури. Також за допомогою МСЕ можливо вiдображати суттевi властивосп реальних об'ектiв у наочному та зручному виглядi. Враховуючи вищесказане, МСЕ був обраний як метод дослщження в цш роботi. Аналiз впливу нових конструктивних рь шень проводився на базi пакета прикладних про-грам професiйного рiвня Structure CAD for Windows, version 7.29 R.3 (SCAD), яка дозволяе змоделювати конструкщю, надати ш необхiдну жорсткiсть, задати конструкци навантаження i зробити розрахунок. Правильшсть та адекват-нiсть моделювання МСЕ даноï конструкцiï за-безпечуеться коректним використанням МСЕ з додержанням вимог деяких рекомендацiй, пов'язаних зi специфiкою методу.
Для моделювання конструкци станци спо-чатку необхщно змоделювати окремi елемен-ти конструкци, наприклад, частини бокового i середнього тунелiв для пiлонноï станцiï, чи частини бокового i середнього склетння та колон для колонноï станци. Пюля того як
OKpeMi елементи конструкци r0T0Bi i !м задана 1хня жорсткiсть, можна приступати до зби-рання Bciei' конструкци (режим збирання у комплекс SCAD). Навколо конструкци станци мо-делюють також шар грунту i задають йому його жорсткiсть. Продуктом розрахунку ще! програ-ми е графiчне зображення в iзолiнiях напружень та перемщень конструкцii.
Проаналiзуемо вищеназванi випадки нових конструктивних ршень.
1. Монолiтна балка над пройомом на всю довжину станци
Даш розрахунку: станщя iз збiрного заль зобетону В40 з модулем пружност 390 МПа та коефiцiентом Пуассона рiвним 0,2. Змоде-льований грунт навколо станци - суглинок твердий, з модулем пружност 35 МПа та ко-ефщентом Пуассона рiвним 0,3. Загальна кiлькiсть скiнченних елеменив складала 5301 штуку. На рис. 1. наведено модель т-лонно! станцii iз залiзобетонною балкою. Як видно, модель просторова, що дозволяе реаль зовувати бшьш адекватнi реальним параметрам системи взаемоди у системi «станщя-грунт». На рисунку ч^ко видно балку, яку вщтворено в моделi, ii характеристики узят iз реального випадку уведення такого нового конструктивного ршення на об'ектах Ки!всь-кого метрополiтену.
Рис. 1. Модель пшонно! станци з зал1зобетонною балкою на всю довжину в презентацшнш граф1ц1 програми SCAD
На рис. 2-4 наведет результата розрахунку наведено! модель Для порiвняння на рис. 5-7 наведет щентичт параметри в моделi станцii, яка не мае залiзобетонноi балки (стандартна конструкщя пiлонноi станцii).
Рис. 2. !золши' тa 1зополя головних нaпpyжень с1 у модел1 Grandi з зaлiзобетонною бaлкою
Рис. 3. !золши' тa 1зополя головних нaпpyжень с3 у модел1 стaнцiï з зaлiзобетонною бaлкою
Рис. 4. !золши' тa 1зополя сyмapниx перемщень у модел1 стaнцiï з зaлiзобетонною бaлкою
Рис. 5. 1золши та 1зополя головниx напрyжень c1 y модел1 станци без зал1зобетонно! балки
Рис. б. !золши та 1зополя головниx напрyжень с3 y модел1 станци без зал1зобетонно! балки
Рис. 7. !золши та 1зополя сyмарниx перемщень y модел1 станци без зал1зобетонно! балки
Розглянувши сумарт перемiщення рам т-лотв звичайно! пшонно! станцп та пшонно! станцп з залiзобетонною балкою на всю дов-жину, можна зробити висновок, що перемщен-ня в нижнш частинi пiлона з балкою трохи б> льшi, нiж у тлона звичайно! станцii, i склада-ють 0,32-0,55 мм проти 0,31-0,54 мм. Перем> щення у верхнш частинi пiлона з залiзо-бетонною балкою зменшились з 3,05 до 2,8 мм. Це свщчить про те, що впровадження такого нового конструктивного ршення, як залiзобетонна балка на всю довжину станцп, не зовсiм адекватно у ракурс змiни деформованого стану станцп у кращу сторону. Звiсно, зменшення перемiщень на 8,2 % при впроваджент такого рiшення не може доводити його ефективнiсть, оскшьки зро-зумiло, що балка повинна зменшувати сумарнi перемiщення, але таке зменшення несуттеве. У той же час, розробка ново! технологи, яка не апробована науково i подальше 1! впровадження, а також створення таких конструкцш веде до збь льшення матерiальних витрат як на штелектуаль-ну роботу, так i на засоби виробництва, що може вважатися також неефективним.
Розглянувши напруження о1 (головне напру-ження по лiнii дii координатно! оа Х), в цих же рамах пшотв ми бачимо, що в рамi тлона з зал> зобетонною балкою вони меншi, нiж у звичайно-му пiлонi, i складають 217,39 т/м2 (2173,9 кН/м2) проти 272,1 т/м2 (2721 кН/м2). Напруження с3 (головне напруження по лшн дii координатно! осi Z) в цих пшонах приблизно однаковi -685,25 т/м2 (6852,5 кН/м2). Як видно, зменшення напружень у рам пiлона значне (близько 20 %), але ситуащя в деформативному стан не може вважатися бiльш оптимальною, тому таке змен-шення не дае змоги зробити висновок про ефек-тивтсть нового конструктивного ршення.
Проаналiзуемо перемiщення i напруження бокових тунелiв цих станцш. Перемiщення та напруження по С3 в них приблизно однаковi 0,26-0,46 мм i 234,48 т/м2 (2344,8 кН/м2) щдпош-дно, а напруження по с1 у станцii з залiзобе-тонною балкою меншi, шж у звичайно! станцii 84,51 т/м2 (845,1 кН/м2) проти 93,16 т/м2 (931,6 кН/м2). Цей факт лише шдтверджуе вище-наведений висновок про невисоку ефективтсть наданого рiшення. Перемщення та напруження по С3 середнього тунелю в цих станцiях абсолютно однаковi 2,33-2,6 мм та 438,51 т/м2, а напруження по С1 у станцii з залiзобетонною балкою значно меншi i складають 272,1 т/м2 (2721 кН/м2) проти 406,5 т/м2 (4065 кН/м2).
У цшому напружено-деформований стан обробок цих станцш практично однаковий, але
все ж деяю переваги на сторош нового конструктивного ршення, а саме - розроблена тех-нолопя впровадження цього конструктивного ршення i перевiрка його нормально! роботи, що можна пояснити неврахуванням деяких фа-кторiв при аналiзi цiеi конструкцп. Звiсно, ви-конати розрахунок тако! складно! конструкцii з урахуванням усх реальних факторiв практично неможливо, причому вплив деяких з них, на-приклад, застосування спецiальних будiвельних технологiй е найважлившим при аналiзi на-пружено-деформованого стану, але його враху-вання е дуже складним.
2. Замша грунтового пшону залiзобетонним
(досвiд Кшвського метрополiтену [10])
Для вiдтворення цього конструктивного рь шення було змшено iснуючу жорсткiсть Грунтового тлона на тдвищену жорсткiсть, яка вщ-повiдае залiзобетону.
Рис. 8. Пшонна станц1я з зал1зобетонним п1лоном в презентацшнш граф1ц1 програми 8СЛБ
На рис. 9-11 наведет результата розрахун-ку моделi iз залiзобетонним пшоном. Для порi-вняння також застосовувалися рис. 5-7, у яких наведет щентичш параметри в моделi станцп, яка не мае залiзобетонного пшону (стандартна конструкщя пiлонноi станцii).
Аналiз iзополiв та iзолiнiй сумарних пере-мiщень рами залiзобетонного пiлона у верхнш частит прорiзу довiв, що вони меншi - 2,86 проти 2,82 мм, а в нижнш частиш - трохи б> льш^ нiж у звичайному пiлонi, i складають 0,34 проти 0,31 мм. Напруження по 01 в нижнш i верхнш частит прорiзу меншi у рами залiзобетон-ного тлона 694,55 (6945,5 кН/м2) та 496,8 т/м2 (4968 кН/м2) вщповщно, а напруження по С3 навпаки бшьш^ нiж у звичайному пшот, i склали 247,11 (2471,1 кН/м2) проти 191,78 т/м2 (1917,8 кН/м2).
гттттттттттттлз
Рис. 9. !золши та i3onora головних напружень с1 у моделi станцп i3 залiзобетонним пiлоном
Рис. 10. !золши та iзополя головних напружень с3 у моделi станци i3 залiзобетонним пiлоном
Рис. 11. 1золшц та iзополя сумарних перемщень у моделi станцй' i3 залiзобетонним пiлоном
Сумарш перемщення в бокових тунелях цих станцш приблизно однаковi - 2,45 мм. Напруження по Ci та по G3 в бокових тунелях станци iз залiзобетонним пшоном бiльшi, нiж в бокових тунелях станци зi звичайним пшо-ном 106,73 (1067,3 кН/м2) проти 93,16 т/м2 (9316 кН/м2) та 864,19 (8641,9 кН/м2) проти 902,66 т/м2 (9026,6 кН/м2) вiдповiдно.
Сумарнi перемщення в середшх тунелях в нижнш частиш прорiзу однаковi i склали 0,18 мм, а в верхньо1' частиш середнього тунелю станцiï з затзобетонним пiлоном вони меншi шж в середньому тунелi звичайно1' станци i складають 3,14 проти 3,41 мм. Напруження по о1 в верхнш частиш середнього тунелю станци з залiзобетонним пшоном менш^ шж у звичай-нiй стандартнiй станци - 694,55 (6945,5 кН/м2) проти 728,11 т/м2 (7281,1 кН/м2), а напруження по C3 в нижнш та верхнш частинах середнього тунелю iз залiзобетонним пшоном навпаки б> льшi i склали 931,98 (9319,8 кН/м2) проти 805,25 т/м2 (8052,5 кН/м2).
Наведений аналiз наданого випадку свщ-чить про те, що введення залiзобетонного пшо-ну попршило ситуацiю у напружено-деформо-ваному сташ, оскiльки i напруження, i сумарш перемщення дещо збiльшилися на вщмшу вiд звичайно1' станцiï. Цей факт також доводить, що перед впровадженням ново1' технологiï або нового конструктивного ршення слiд виконати грунтовний аналiз наслiдкiв його впровадження. Результати наведено1' роботи довели, що проаналiзованi конструктивнi рiшення не зовем ефективш в планi змши напружено-деформованого стану конструкцiï станци мет-рополiтену пiлонного типу.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Безпалый В. И. Сборный железобетон в подземном строительстве / В. И. Безпалый, И. Я. Бялер, Н. Г. Карсницкий и др. - К.: Госстройиздат, 1961. - 248 с.
2. Петренко В. И. Строительство подземных сооружений метрополитена на Украине в сложных горнотехнических и гидрогеологических условиях / Труды международной конференции «Подземный город: геотехнология и архитектура». Россия, Санкт-Петербург, 8-10 сентября 1998 г. - С.Петербург: Тема, 1998. - С. 308-309.
3. Чурадзе Т. Численный анализ пространственного напряженного состояния эскалаторного тоннеля // Метро. - 1996. - № 3. - С. 37-38.
4. Тютькин А. Л. Анализ пространственной и плоских расчетных схем станции пилонного типа метрополитена глубокого заложения // В1сник Кременчуцького державного полггехшчного ушверситету: Науков1 пращ КДПУ. - Кремен-чук: КДПУ, 2001. - Вип. 2 (11). - С. 337-340.
5. Лиманов Ю. А. Метрополитены. Изд. второе, исправленное и дополненное. - М.: Транспорт, 1971. - 359 с.
6. Волков В. П. Тоннели и метрополитены / В. П. Волков, С. Н. Наумов, А. Н. Пирожкова, В. Г. Храпов; Под ред. В. П. Волкова. - М.: Транспорт, 1975. - 618 с.
7. Демешко Е. А. Современные методы прочностных расчетов в метро- и тоннелестроении / Е. А. Демешко, С. Б. Косицын, В. К. Сергеев и др. // Подземное строительство России на рубеже ХХ1 века: Сб. тр. науч.-техн. конф. - М.: ТАР, 2000. - С. 200-207.
8. Дмитриев М. Г. Некоторые вопросы пространственного расчета станций метрополитена глубокого заложения / Сб. тр. Всесоюзн. научн.-исслед. ин-та трансп. строит. 1968. -Вып. 25. - С. 6-14.
9. Гульбе В. И. Пространственный расчет несущей конструкции эскалаторного зала проектируемого второго выхода станции метро «Маяковская» / В. И. Гульбе, С. Б. Косицын, Д. Б. Долотказин // Метро. - 1994. - № 5, 6. - С. 31-32.
10. Жуков И. Ф. Совершенствование конструкций пилонов станций метрополитена / И. Ф. Жуков, М. П. Кошелев, В. А. Лысяк // Транспортное строительство. - 1964. - № 11. - С. 53-55.
Надшшла до редколегп 14.04.04.
