Особенности задания воздействия для оценки сейсмостойкости вантовых мостов больших пролётов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

54

Транспортное, промышленное и гражданское строительство

Статья поступила в редакцию 30.10.2008; представлена к публикации членом редколлегии Т. А. Белаш.

УДК 624.042.7

А. М. Уздин

ОСОБЕННОСТИ ЗАДАНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ

ДЛЯ ОЦЕНКИ СЕЙСМОСТОЙКОСТИ ВАНТОВЫХ МОСТОВ

БОЛЬШИХ ПРОЛЁТОВ

Рассмотрены принципиальные особенности моделирования расчетных акселерограмм для оценки сейсмостойкости вантовых мостов больших пролетов. Модель воздействия должна учитывать высокую ответственность сооружения, низкие периоды собственных колебаний, мощные пилоны, прорезающие толщу слабого грунта, и несинхронность возмущения опор. Предложена модель воздействия, учитывающая указанные факторы.

большепролетный мост, модель сейсмического воздействия.

Введение

В настоящее время в России начато проектирование ряда больших мостов, в том числе двух вантовых мостов через бухту Золотой Рог во Владивостоке и через пролив Восточный Босфор на остров Русский. Эти мосты расположены в сейсмически опасных районах с относительно невысокой сейсмичностью. По картам ОСР-88 ситуационная сейсмичность составляет по картам А, В, С соответственно 6, 6 и 7 баллов. С учетом высокой стоимости и значимости мостов их проектирование ведется по карте С на 7 баллов. Пилоны таких мостов представляют собой крупные тяжелые сооружения. В качестве примера на рис. 1 приведен чертеж пилона моста через бухту Золотой Рог. Пилоны удается опереть на скальное основание, которое расположено на глубине 10-20 м. На рис. 2 приведен характерный пример геологической колонки вблизи одного из пилонов.

Рассматриваемые мосты имеют ряд принципиальных особенностей сейсмических колебаний, которые нельзя учесть в рамках действующих СНиП. К числу этих особенностей относятся:

• высокая ответственность сооружения, требующая специального обоснования уровня и модели сейсмического воздействия;

• наличие достаточно мощного слоя слабых грунтов, относящихся к 3-й категории по сейсмическим свойствам;

• большое расстояние между опорами, приводящее к несинхронному и некогерентному возмущению опор.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/4

Транспортное, промышленное и гражданское строитедьствб

Для учета этих особенностей прежде всего необходимо корректно задать сейсмическое воздействие (расчетную акселерограмму). Решение этой задачи включает задание расчетного уровня воздействия (максимума ускорений), задание спектрального состава воздействия и увязки моделей воздействия под удаленными опорами. Ниже рассмотрены методы решения поставленных задач.

1 Задание расчетного уровня сейсмического воздействия

Для оценки расчетного уровня воздействия можно воспользоваться известным уравнением [1]

10

q = ^ р( I, Тсл ) ’eiK , (1)

I=7

где q - допустимая вероятность превышения ускорениями расчетного уровня Ак за срок службы сооружения Тсл; p(I, Тсл) - вероятность возникновения за срок службы сооружения землетрясения силой I баллов;

SIK - вероятность того, что при землетрясении силой I баллов будет превышен расчетный уровень ускорений Ак.

Для вероятности Pi использована традиционная формула

Т_

Pi = 1 - еТсл, (2)

где Ti - повторяемость землетрясений силой I баллов.

Для определения величины Sik использована эмпирическая связь, приведенная в [2] и связывающая величину расчетных ускорений Ак с допустимой вероятностью их превышения e = Skk.

AK = [ф) • (е-ш + c(e) • е^'Т)+6(e)] • 2K-8. (3)

В этой формуле Т - период основного тона колебаний сооружения,

a(s)= 0,0946 • |lg e| + (=,142; b 0,0158 • |lg e| + 0,0586;

c (e) =0,4 -(1 - e'2'14'1 lg s|).

Зависимость (1) рассматривается как уравнение для нахождения величины S по заданному значению q. Задав таким образом исходную вероятность q, срок службы сооружения Тсл и период основного тона колебаний сооружения Т, можно, решая уравнение (1), найти допустимую вероятность S превышения ускорением расчетного значения АК и далее по фор-

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/4

56

Транспортное, промышленное и гражданское строительство

муле (3) - само расчетное ускорение. При этом повторяемость сотрясений Teq можно брать по рассматриваемым картам сейсмического районирования.

Результаты вычислений показывают, что для вантовых мостов проявляются две тенденции: рост уровня воздействия за счет высокой ответственности моста и снижение этого уровня из-за большого периода собственных колебаний моста.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/4

Транспортное, промышленное и гражданское строительствЗ

Рис. 1. Схема пилона (размеры приведены в миллиметрах)

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/4

58

Транспортное, промышленное и гражданское строительство

Для рассматриваемых мостов характерны большие периоды основного тона колебаний. Первые 10 периодов для одного из вариантов моста через бухту Золотой Рог приведены в таблице 1. Для таких периодов амплитуда расчетных ускорений снижается в 2-3 раза по сравнению с нормативным значением. В результате расчета получена зависимость уровня расчетных ускорений от вероятности отказа q. Эта зависимость приведена на рис. 3. В целом оказалось, что предлагаемый уровень расчетных ускорений несколько превышает нормативные значения.

1метр

Щебень, 1метр

Е0=350

кГ/см2

Песок мелкий водонасыщенный Е0=180 кГ/см2=18МПа

Песок пылеватый водонасыщенный Е0=110 кГ/см2=11МПа Супесь со щебнем Е0=240 кГ/см2=24МПа Песчаник Е0=380 кГ/см2=380МПа

Глинистые сланцы Е0=280 кГ/см2=28МПа Глинистые сланцы Е0=400 кГ/см2=40МПа

Глинистые сланцы Е0=280 кГ/см2=28МПа

Рис. 2. Пример геологического строения грунтовой толщи в месте расположения мостовых переходов

Рис. 3. Зависимость расчетных ускорений от вероятности их превышения q: ПЗ - проектное землетрясение; МРЗ - максимальное расчетное землетрясение (пунктиром показаны нормативные значения для сейсмичности 7 баллов)

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/4

Транспортное, промышленное и гражданское строительства ТАБЛИЦА 1. Первые 10 периодов колебаний вантового моста

Номер формы 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Период, с 8.709 5.426 4.545 3.693 3.666 3.636 3.444 3.359 2.644 2.205

2 Построение модели сейсмического воздействия

Основной принцип построения расчетной модели сейсмического воздействия, сформулированный автором в [3], состоит в том, что воздействие подбирается не для площадки строительства, а для сооружения. Это должен быть резонансный для сооружения узкополосный процесс. В соответствии с [4] расчетное воздействие U(t) представляется как сумма двух воздействий - случайного возмущения опоры y0(t) и бегущей вдоль моста волны в виде импульса скорости u(t):

U(t) = u(t) + yo(t). (4)

Импульс скорости в соответствии с [4] представляется в следующем виде:

Umax/t0

a

(t)

hi.

Umax/t0 ;

0

u t/t2 max 0

umax f 2 t >

t0 A \ t0 0

0

u

u

u

f t Л 2

max

2 r-K I °

f t / 2 f t'

max + 4 •

2 r-K I ° r-K I °

max

(5)

Здесь umax - остаточные смещения; t0 - продолжительность половины ступенчатого процесса; t - рассматриваемый промежуток времени. Эти два параметра в свою очередь зависят от магнитуды Mw, гипоцентрального расстояния R и по данным [4] имеют следующий вид:

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/4

60

Транспортное, промышленное и гражданское строительство

t0 = 10<-3-471+0-5M-);

и

10(-6.3+Mw -log (R))

(6)

Для рассматриваемых мостов, сооружаемых в районе Владивостока, характерно воздействие от мощных очагов, расположенных на большой глубине порядка 300 км [5]. На рис. 4 показаны зависимости продолжительности импульса и остаточных смещений грунта от магнитуды возможных воздействий. Графики ускорений, скоростей и смещений рассматриваемого процесса показаны на рис. 5.

Возмущение опоры, суммируемое с импульсом, представляется в виде

У 0 = V (t ) + £ a,e-ait (1 - e-b,t) sin ro,t. (7)

i=1

Параметры модели ai, aI, bi, Wi определяются аналогично тому, как это рекомендовано в [7]. Дополнительно учитывается требование к модели

(7) близости ее энергетической характеристики натурным данным. Для этого используется интенсивность воздействия по Ариасу [7].

Специфика для рассматриваемой задачи состоит в том, что первые формы колебаний моста являются длиннопериодными, спектр системы достаточно плотный, а интересующие нас элементы могут быть загруженными по высшим формам колебаний. В связи с этим возникает необходимость генерировать не одну, а несколько опасных акселерограмм и рассматривать синтетические воздействия значительной продолжительности -не менее 30 с.

Рис. 4. Зависимости продолжительности импульса и остаточных смещений грунта от магнитуды возможных воздействий

amax umax/t0

->t

t0 2t0

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/4

Транспортное, промышленное и гражданское строительства

Рис. 5. Графики смещений, скоростей и ускорений для ступенчатого процесса 3 Учет слоя слабых грунтов на площадке строительства

Рассматриваемые вантовые мосты проектируется по карте С карт ОСР-97, по этим картам район строительства характеризуется 7балльной сейсмичностью. Для площадок, сложенных скальными грунтами, следует ожидать снижения балльности на 1, т. е. до 6 баллов, а для площадок, сложенных грунтами 3-й категории по сейсмическим свойствам, наоборот, следует ожидать увеличения балльности на 1, т. е. увеличивать сейсмичность до 8 баллов.

В районе опор верхняя толща сложена грунтами третьей категории по сейсмическим свойствам и требует увеличения расчетной сейсмичности на 1 балл. Однако фундаменты опираются на грунты первой категории, позволяющие снизить расчетную сейсмичность на 1 балл. Это требует аккуратного подхода к учету грунтового основа -ния при оценке сейсмостойкости моста как при задании сейсмологи -ческой информации, так и при расчете сейсмических нагрузок на пилоны. Такой подход предусмотрен и действующими СНиП. В п. 4.4 СНиП II-7-81* в примечании 3 сказано следующее: «В тех случаях, когда в расчете сооружения учитываются силы инерции масс грунта, прорезаемого фундаментом, сейсмичность площадки строительства устанавливается в зависимости от сейсмических свойств грунта, расположенного на отметках заложения фундаментов». Это позволяет задавать ускорения по подошве свайного ростверка, т. е. ускорения на поверхности скалы, на которую опирается фундамент.

Некоторые пояснения к постановке задачи даны на рис. 6.

8

баллов

6

баллов

6<I<8

баллов

Рис. 6. Пояснения к оценке балльности площадки строительства и расчетных ускорений сооружения

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/4

62

Транспортное, промышленное и гражданское строительство

Для получения оценок ускорений необходимо детальное моделирование основания. Требования к такому моделированию приведены в [8]. Результаты расчета проиллюстрированы ниже на примере пилона моста через пролив Восточный Босфор. На рис. 7 показана эпюра ускорений по оси опоры. Из рисунка можно сделать следующие выводы.

• На поверхности слабых грунтов вдали от опоры имеет место существенный рост ускорений по отношению к подстилающей породе с коэффициентом динамичности около 8. На отметке рекомендуемого заложения плиты ростверка коэффициент динамичности равен примерно 4, что соответствует 8-балльному сейсмическому воздействию.

• Для принятой конструкции фундамента уровень ускорений примерно в 2 раза ниже, чем на свободной дневной поверхности, т. е. соответствует воздействию силой I = 7 баллов.

• С увеличением жесткости фундамента уровень ускорений по низу опоры существенно падает. В пределе, например при использовании для фундамента жестких опускных колодцев, ускорения низа опор будут приблизительно равны ускорению коренной породы, т. е. соответствовать 6балльному воздействию.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/4

Транспортное, промышленное и гражданское строительстёЗ Рис. 7. Эпюра ускорений по глубине грунтовой толщи

4 Учет некогерентности возмущения опор

Несинхронность возмущения опор, неизбежная для мостов больших пролетов, приводит к следующим эффектам:

• уменьшению инерционной сейсмической нагрузки;

• появлению дополнительных усилий от взаимного смещения опор;

• увеличению хода подвижных опорных частей.

Эти вопросы обсуждались в литературе [4]—[6]. Существующие разработки позволяют учесть указанные эффекты как при расчете по акселерограммам, так и по линейно-спектральной методике (ЛСМ). Проблемным является согласование расчетных акселерограмм под разными опорами.

В соответствии с (4) расчетное воздействие разделяется на случайный процесс и бегущую вдоль моста волну. Естественно предположить, что вибрационные возмущения под опорами статистически независимы. Эффект корреляции таких возмущений проявляется при расстоянии между точками менее 50-100 м [5], а для проектируемых вантовых мостов пролет превышает 600 м. Что касается импульса скорости, то его можно рассматривать как бегущую замороженную волну.

В соответствии со сказанным расчетную акселерограмму под опорой с номером «i» можно представить в виде

Ui(t) = u (t + —) + y0(t X

vw

где Lj - расстояние от первой до i-й опоры; Vw - скорость распространения волн вдоль моста.

На рис. 8 представлены примеры синтетических сейсмограмм для опор моста при времени распространения волны от одной опоры к другой, равном 4 с.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/4

64

Транспортное, промышленное и гражданское строительство

Рис. 8. Примеры синтетических акселерограмм под разными опорами Заключение

Проведенный анализ позволяет заключить следующее.

1. При задании уровня расчетного воздействия на большие вантовые мосты необходимо учитывать их высокую ответственность и значительный срок службы, что требует повышения расчетных ускорений. Вместе с тем необходимо учитывать, что резонансные периоды для рассматриваемых мостов много больше, чем для обычных сооружений. Это приводит к снижению уровня расчетного воздействия. Какой из эффектов будет преобладать, определяется расчетом и требованиями заказчика. Последний должен задать срок службы сооружения и возможную вероятность его отказа.

2. Уровень сейсмического воздействия следует задавать по низу фундамента. Как правило, это позволяет снизить ускорение вдвое по сравнению с фоновым. Ускорения по низу пилонов зависят при этом от жесткости фундамента. В любом случае удвоения ускорений по низу фундаментной плиты не происходит, даже при наличии верхней 10-метровой толщи грунтов третьей категории.

3. При задании воздействия под опорами необходимо учитывать неодновременность прихода сейсмических волн к опорам, отстоящим друг от друга на сотни метров.

Библиографический список

1. Назначение расчетного ускорения с учетом новых карт сейсмического районирования / О. А. Сахаров // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. -2002. - № 2. - С. 48-49.

2. Инструкция по оценке сейсмостойкости эксплуатируемых мостов на сети железных и автомобильных дорог (на территории Туркменской ССР). - Ашхабад : Ылым,1988. - 106 с.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/4

Транспортное, промышленное и гражданское строительстёб

3. Задание сейсмического воздействия. Взгляд инженера-строителя / А. М. Уз-дин // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. - 2005. - № 1. - С. 27-

31.

4. Задание смещений при расчете сейсмостойкости сооружений и построении шкал балльности / Л. Н. Гиман, А. М. Уздин // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. - 2005. - № 5. - С. 12-16.

5. Об одной форме представления сейсмического воздействия для оценки корреляции колебаний точек дневной поверхности при расчете многоопорных конструкций / Л. Н. Гиман, А. М. Уздин // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. - 2006. - № 2. - С. 22-25.

6. Сейсмическая сотрясаемость территории СССР // ред. Ю. В. Ризниченко. - М. : Наука, 1979. - 192 с.

7. Статистический анализ интенсивности по Ариасу и скорости для реальных землетрясений / А. А. Долгая, А. В. Индейкин // Сейсмостойкое строительство. -2002. - № 2. - С. 32-33.

8. Инженерные методы учета динамического взаимодействия сооружения с основанием / В. А. Петров, А. М. Уздин // В кн. : Избранные статьи профессора О. А. Савинова и ключевые доклады, представленные на четвертые Савиновские чтения. - СПб. : Изд. ЗАО «Ленинградский Промстройпроект», 2004. - 128 с.

9. К вопросу расчета на сейсмические воздействия протяженных сооружений с дискретными опорами / Л. Н. Гиман, А. М. Уздин // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. - 2002. - № 2. - С. 18-23.

10. Оценка хода подвижных опорных частей при сейсмическом воздействии / И. О. Кузнецова, А. Лунев, А. С. Ткаченко, А. М. Уздин // Сейсмостойкое строительство. - 2002. - № 2. - С. 7-8.

Статья поступила в редакцию 14.10.2008; представлена к публикации членом редколлегии Т. А. Белаш.

Современные технологии - транспорту

УДК 629.423.31

А. С. Мазнев, В. А. Баранов

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ВЛ10 ДЛЯ НУЖД ПРОМЫШЛЕННОГО ТРАНСПОРТА

Рассмотрены способы улучшения тяговых свойств электровозов постоянного тока. Приведены результаты испытаний опытного электровоза.

тяговый двигатель, регулирование возбуждения, боксование, электромеханические характеристики.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/4