Исследование работы сталежелезобетонных пролетных строений мостов в программном комплексе Femap & Nastran Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Список литературы:

1. Горицкий, В.В. Диагностирование металлов / В.В Горицкий. - М.: Металлургиздат, 2004. - 408 с.

2. РД 03-421-01. Методические указания по проведению диагностирования технического состояния и определению остаточного срока службы сосудов и аппаратов.

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ МОСТОВ В ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ FEMAP &

© Морид Асади Марьям*, Попов В.И.*

Московский автомобильно-дорожый государственный технический университет (МАДИ), г. Москва

В мировой практике мостостроения сталежелезобетонные (или композитные) пролетные строения появились значительно позднее стальных и железобетонных несущих конструкций [1-5]. Сталежелезобетонные пролетные строения являются специфическим современным видом мостовых конструкций, получившим широкое распространение во многих странах, в том числе и в Иране [6]. Для таких пролетных строений характерный экономный расход стали, высокая вертикальная и горизонтальная жесткости, надежная работа в процессе эксплуатации и ремонтопригодность. Применяются сталежелезобетонные пролетные строения, как в мостах, так и в различных городских транспортных сооружениях, включая многоуровневые развязки. Для климатических условий Ирана подобные конструкции актуальны и, учитывая особенности современных сложных в плане конструкций, требуют проведения специальных исследований.

В настоящей статье приведены результаты исследования работы гребенчатых упоров в сравнении со штыревыми, широко применяемыми в разных странах.

Объединение железобетонных и стальных частей конструкции

Одним из ответственных элементов современных сталежелезобетонных пролетных строений являются упоры, объединяющие верхние пояса главных балок и диафрагм с железобетонной плитой проезжей части [7, 8]. Появление в последние годы гребенчатых упоров дало возможность повысить экс-

* Аспирант кафедры «Мосты и тоннели».

* Профессор, кандидат технических наук.

плуатационные качества таких конструкций. Стык стальной и железобетонной частей конструкции с помощью упоров обеспечивает их совместную работу за счет передачи через стык сдвигающих и отрывающих усилий в объединенном элементе. Усилия возникают как от силовых, так и от темпера-турно-климатических воздействий, усадки и ползучести бетона, что особенно важно учитывать в условиях сухого и жаркого климата Ирана [9, 10].

Тип упоров для объединения железобетонной плиты со стальными балками всегда являлся одним из проблемных вопросов в композитных конструкциях. Несмотря на постоянные поиски эффективных решений и совершенствования конструкции упоров, еще не достигнут оптимально высокий уровень взаимодействия железобетона и стали.

Совершенствование конструкции упоров ведется белее 60 лет. Наиболее широко применяемыми и простыми в изготовлении являются стержневые упоры Нельсона, однако они имеют ряд недостатков, к которым относятся: повреждаемость при транспортировке и монтаже конструкций, дискретность в передаче сдвигающих усилий и многодельность. Прогрессивные конструкции гребенчатых упоров, запатентованные в России, требуют расширения нормативные базы, разработки рекомендаций по их применении и выбору оптимальных параметров. Кроме того, характер развития напряжений в бетоне при взаимодействии плиты с гребенчатыми упорами является еще малоизученном вопросом.

С этой целью и в рамках проводимых исследований особенностей работы разветвляющихся криволинейных пролетных строений эстакад авторы представляют некоторые полученные данные влияния гребенчатых упоров на особенности взаимной работы стали и железобетона композитных мостовых конструкций.

Объект исследования и его конечно-элементная аппроксимация

Объектом исследований являлось балочно-разрезное сталежелезобе-тонное пролётное строение с двумя главными балками в поперечном сечении с упорами стержневой и гребенчатой конструкции различной компоновки Была использована заменяющая пространственная конечно-элементная модель (рис. 1) и коммерческий программный комплекс М5С МЛ8ТИЛК на ПК [2].

Для исследуемых конструкций были заданы длины пролетов: 32, 40, 56 и 64 м. Соответственно высоты главных балок были таковы: 2,0 м, 2,5 м, 3,5 м и 4,0 м. Расстояние между главными балками было принято равным 3,4 м и 5,0 м, высота дополнительного прогона для всех случаев принималась равной 0,5 м. Поперечные связи приняты из парных уголков сечением 100 х 100 х 10 мм.

Рис. 1. Модель сталежелезобетонного пролетного строения моста

Конечно-элементные модели для всех расчётов были созданы на основе одной базовой модели, подвергавшейся впоследствии изменениям, связанным с длиной пролета, расстоянием между стальными балками и прогоном разнотипностью упоров, шагом упоров и их количеством.

Детально проработанная компьютерная конечно-элементная базовая модель состоит из 19605 ... 54072 элементов и 12251 ... 34503 узлов, в зависимости от рассмотренного варианта (рис. 2).

Рис. 2. Общий вид модели в поперечном сечении

Размеры модели в направлении вдоль оси моста округлены с точностью до 0,5 м, а в поперечном направлении с точностью до 0,1 м. Это диктуется принятыми размерами элементов и удобством разбиения сетки, а также возможностями персональных компьютеров (ПК). Железобетонная плита представлена системой из объемных элементов толщиной 0,3 м (рис. 3). Материал плиты - бетон В 30.

Гребенчатые упоры в расчетной модели представлены пластинчатыми элементами (рис. 4, а). Штыревые упоры диаметром 13 мм моделируются балочными элементами (рис. 4, б).

Рис. 3. Модель железобетонной плиты

а) б)

Рис. 4. Моделирование упоров: а - гребенчатых; б - штыревых

Стальные балки, ребра жесткости и дополнительный прогон, как и гребенчатые упоры, состоят из пластичных элементов, преимущественно прямоугольной формы, с заданной толщиной оболочки. На некоторых неответственных участках модели пролетного строения толщины пластин приняты осредненно, что позволило сократить общее количество участков

с разной толщиной пластин, а также машинные ресурсы и трудозатраты на создание модели. Поперечные связи представлены в виде балочных элементов с заданными размерами и формой поперечного сечения. Прикрепление связей к стальным балками и прогонам принято жестким, что соответствует действительной работе в случае использования сварки (рис. 5).

Рис. 5. Моделирование стальных балок, прогона и поперечных связей

Задание граничных условий и нагрузок

Шарнирные закрепления конструкции заданы в узлах сетки нижнего полки стальной балки. При этом запрещены:

1. перемещения узлов по оси X, У, Ъ и поворот вокруг осей У, Ъ;

2. перемещения узлах по оси X, У и поворот вокруг осей У, Ъ. Временная подвижная нагрузка по нормам Ирана представлена на рис. 6.

Она состоит из тележки с давлениями на колеса 40 и 80 кН, а также равномерно-распределенной нагрузки интенсивностью 7,5 кН/м.

4000< .

К1/

7

17000.

700 8000

00.

800 000. 8000 Ш0000.

0.

\7000.

Рис. 6. Временная подвижная нагрузка по нормам Ирана

Расположение колес тележки относительно оси пролетного строения показано на рис. 7.

Рис. 7. Схема установки колес тележки подвижной нагрузки

Кроме временной подвижной нагрузки для проведения расчётов заменяющей модели был учтен собственный вес всех элементов пространственной конструкции. На основе базовой пространственной модели было рассмотрено 28 независимых компьютерных конечно-элементных моделей, в которых изменяли расстояние между стальными балками (а), длину пролетного строения (б), тип упоров (в) и количество рядов упоров от 1 до 2 (г).

Для всех моделей выполнялся нелинейный статический анализ решающим модулем NASTRAN Время счёта одной модели на персональном компьютере с процессором INTEL Pentium III 1000 МГц составляет 5-20 минут, в зависимости от задачи.

В качестве примера на рис. 8 приведены эпюры нормальных напряжений в композитной балке с гребенчатыми и стержневыми упорами для одного из рассмотренных случаев, а именно при пролете несущей конструкции 40 м и при разных расстояниях между главными балками.

На рис. 9 приведены некоторые результаты проделанных расчетов, а именно графики изменения напряжений нормальных напряжений в стальной балке (рис. 9, а), железобетонной плите (рис. 9, б) и усилий в арматуре железобетонной плиты в зависимости от пролета главной балки и расстояния между главными балками (рис. 9, в).

1.5м

2М-----^ 2М

Результаты

1 ряд упоров на балке

Рис. 8. Эпюры нормальных напряжений в композитной балке

56 а)

56 б )

56 в )

Рис. 9. Графики изменения напряжений и усилий в элементах композитной балки: а - нормальных напряжений в стальной балке; б - нормальных напряжений в железобетонной плите; в - нормальных усилий в продольной арматуры плиты

Проведенные расчеты показали следующее: - При увеличении длины пролета главных балок влияние конструкции упоров на величину нормальных напряжений в балках становится менее заметным. С уменьшением пролетов балок гребенчатые упоры эффективнее, чем стержневые упоры обеспечивают совместную работу стальной и железобетонной частей балок. В целесообразных

для разрезных пролетных строениях пролетах (до 40-45 м) гребенчатые упоры на 2-3% увеличивают напряжения в главных балках. При больших пролетах это влияние несущественно (см.рис. 9, а).

- Увеличение пролета железобетонной плиты в поперечном направлении ухудшает степень включения плиты в работу со стальными балками независимо от конструкции упоров. Сказывается неравномерность распределения нормальных напряжений по ширине сечений.

- Неоднозначно сказывается влияние конструкции упоров на напряжения в железобетонной плите. Для верхней сжатой фибры при пролетах до 40-45 м гребенчатые упоры несколько (до 3 %) увеличивают нормальные сжимающие напряжения в бетоне. Для нижней фибре, наоборот, при тех же пролетах несущей конструкции напряжения в бетоне уменьшаются до 30%. Это свидетельствует о том, что для нижних волокон плиты больше сказывается присутствие в нижней зоне дополнительного армирования в виде упоров. При пролетах главных балок более 45 м положительно влияние гребенчатых упоров на работу железобетонной плиты уменьшается, а при пролетах более 64 м они несколько ухудшают свое влияние на эффективность работы бетона плиты на сжатие (см. рис. 9, б).

- Применение гребенчатых упоров при пролетах балок до 40-45 м до 1,5-3 % снижают усилия в нижней продольной арматуре железобетонной плиты, причем, при меньшем расстоянии между балками этот показатель выше. Наоборот, при пролетах более 45 м и для узких

пролетных строений картина несколько меняется (см. рис. 9, в).

* * *

На основании полученных результатов можно сделать некоторые выводы полезные для практики проектирования сталежелезобетонных пролетных строений:

- Применение гребенчатых упоров для объединения стальных балок с железобетонной плитой дает некоторые преимущества по отношению способа объединения с помощью стержневых упоров, которые выражаются в более эффективном включении в совместную работу стали и железобетона.

- Использование гребенчатых упоров целесообразно для несущих балочных конструкций небольшой длины (до 40-45 м).

- Гребенчатые упоры позволяют снизить расход стали на несущие балки и расход арматуры в железобетонной плите. Такие упоры дают возможность уменьшить размер верхнего пояса стальной балки или вообще отказаться от него.

- Следует полагать, исходя из приведенных выше выводов, что гребенчатые упоры целесообразны для обеспечения объединения поперечных сплошностенчатых диафрагм с железобетонной плитой

проезжей части. Такое решение обеспечит повышение эффективности работы композитных пролетных строений городских эстакад, имеющих небольшие пролеты и сложную форму в плане.

Список литературы:

1. Гибшман Е.Е. Мосты со стальными балками, объединенными с железобетонной плитой. - М.: Дориздат, 1952; Стрелецкий Н.Н. сталежеле-зобетонные пролетные строения мостов. - М.: Транспорт, 1981.

2. Бычковский Н.Н., Актов В.П., Величко В.П., Пименов С.И. Стале-железобетонные мосты. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2007.

3. Глотов Э.М. совершенствование конструкции сталежелезобетонных балок мостов. - Саратов, 1974.

4. Инженерные сооружения в транспортном строительстве: в 2 кн. Кн. 1: учебник для студ. высш. учеб. заведений / П.М. Саламахин, Л.В. Маковский, В.И. Попов и др.; под ред. П.М. Саламахина. - М.: Издательский центр «Академия», 2007.

5. Shapur Tahuni. Bridge design, reinforced concrete, steel, and prestressed concrete bridge. - University of Tehran.

6. Быстров В.А. Исследование работы сталежелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов: автореф. дисс. ... канд. тех. наук / В.А. Быстров. - Л., 1975. - 37 с.

7. Быстров В.А. Распределение нормальных напряжений изгибе в плитах сталежелезобеонных мостов / В.А. Быстров, Г.А. Афанасьева // Исследование долговечности и экономичности искусственных сооружений: меж-вуз. тем. сб. тр. - Л., 1977. - С. 3-10.

8. Гибшман Е.Е. Влияние ползучести бетона на работу объединенных балок. Информационное письмо. - М.: МАДИ, 1955.

9. Воля О.В. Особенности проектирования мостов в условии жаркого и тропического климата. - М.: МАДИ, 1981.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРСПЕКТИВ РАЗВИТИЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ В РОССИИ: РЕГИОНАЛЬНЫЙ АСПЕКТ

© Отрощенко А.А.*

Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск

Россия - это страна с огромной территорией и разными климатическими зонами. Около 70 % территории России не имеет централизованного

* Магистрант кафедры Систем управления и экономики энергетики.