Введение к работе
Актуальность проблемы. Потенциальная опасность заилетрясе-ний в миро возрастает. Это связано с увеличением плотности населения іі СО1ІСМИЧ0СКЙ опасных районах и возведением на их территории нових оо'^октов, а такте с повышением роли техногенних факторов (откачка нодти и газа, заполнение водохранилищ и т.д.), способствующих возникновению землетрясений.
Анализ данных об ущербе от землетрясении показывает, что выход из строп транспортных сооружений в зоне стихийного бедствии реально угрожает жизни и здоровью людей. Наиболее тяжелые социальные потери на транспорте от сейсничоскнх воздействий происходят в результата аварии поездов и автомобилей, а также вызываются задержкой спасательных работ из-за повреждении дородной сети. Экономический ущерб (в размера 10-15 % от общей суммы потерь от землетрясений) в основной связан с необходимостью восстановления разрушенных дородных сооруяе'ний и с потерями промышленности из-за временного (иногда более чем на мосяц) прекращения поставок, вызванного'нарушением двиненіш транспорта.
По своему значению мосты относятся к такого рода объектам, разрушении которых связано с особо тяжелыми социально-экономическими последствиями. Выход из строя при ряда землетрясений крупных МОСТОВ привлек К ИССЛеДОВаНИЯМ ИХ СеЙСМОСТОЙКОСТИ МНОГИХ 010-
чествешшх и зарубешшх специалистов. Однако ввиду больной 'сложности возникающих научных и практических задач эта проблема в мировой строительной практика все екз полностью не решена.. Об этом свидетельствуют последствия недавних землетрясений в США (І989 г.), на Филиппинах (1990 г.) и в Коста-Рике (І99Г г.), вызвавши разрушения многих железобетонных и металлических мостов, . сопровождавшиеся человеческими кертвами.
Россия принадлежит к числу государств, подверженных разрушительным землетрясениям. J3 частности, крупнеииио сег.смичоскио события происходили в прошлом в таких регионах страны как Прибайкалье, Камчатка, Северный Кавказ. Значительная уязвимость мостов- при землетрясениях, большая тяжесть последствий их разрушения и возможность возникновения в ряда регионов сейсмических воздействий разрушительной силы позволяют отнести обеспечение
сейсмостойкости мостов к числу актуальных социально-экономических и крупных научно-технических проблем, имеющих важное народнохозяйственное значение.
Основными задачами исследования являлись:
усовершенствование концепции и обобщение принципов проектирования сейсмостойких мостов;
существенное уточнение методики определения расчетных .параметров сейсмического воздействия и динамических модулей деформации нескальных трутов при проектировании мостов в районах сейсмичностью 7, 8 и-9 баллов;
разработка методики определения расчетных параметров тектонического и сейсмического воздействий при проектировании мостов
я зонах очагов возможных землетрясений с магнитудой Л/ 7,1.(силой более 9 баллов);
- развитие методов расчета на сейсмостойкость мостовых соо
ружений и способов их защиты от поражающих факторов землетрясений.
Практическая цель работы заключалась в создании новой око-номически эффективной, методологии проектирования сейсмостойких мостов, реализованной посредством включения ее в нормативные документы и использования в проектной практике.
Фактический материал. Исследования по сейсмостойкости мостов проводились автором в ЦНИИСе Минтрансстроя с 1971 по 1991г.Резуль-таты исследований отражены в научно-технических отчетах, соответствующих государственной научно-технической программе 0.74.03 "Сейсмология и сейсмостойкое строительство", планам НИР Минтрансстроя и ЦНИИСа. Все работы выполнялись под научным руководством и при непосредственном участии автора..
Полученный в полевых, условиях материал включает данные обследований мостов после землетрясений в Дагестане (1975 г.),' в Киргизии (1978 г.), в Азербайджане (1981 г.), в Узбекистане (19г. б Таджикистане (1984 и 1985 гг.), в Грузии (1986 г.) , в Молдавии (1986 г.) и в Армении (1988 г.). В лабораторных условиях выполнены испытания железобетонных моделей балок, плит и плитно-балочных конструкций статической нагрузкой- с доведением их до разрушения, проведены испытания на прочность и' выносливость антисейсмических устройств с тарельчатыми пружинами и резйно-гметаллическими элементами, выполнен эксперимент по изучению пространственных колебания модели плитно-балочного пролетного, строения, возбутдаеинх кртгко-
г.
временными нагрузками.
Для разработки практических рекомендаций по учету сейсмических воздействий при проектировании мостов в диссертации использованг опубликованные различными авторами материалы инструментальных наблюдений на сейсмических станциях, сведения о современных и палео-сейсмодислокациях, данные по скоростям поперечных сейсмических волн, динамическим модулям деформации грунтов и другие фактические инженерно-сейсмологические материалы.
При анализе особенностей конструкций мостов, сооружаемых в сейсмических районах, рассмотрены многие типовые и индивидуальные проекты опор, пролетных строений и опорных частей. Для выявления технико-экономических показателей сейсмостойких конструкций Гипро-трансмостом, Ленгипротрансмостом и другими проектными организациями по техническим заданиям ЦНИИСа было выполнено опытное проектирование железнодорожных, автодорожных и городских мостов.
Фактический материал, использованный в диссертации, включает также данные о разрушениях мостов при землетрясениях в США,Японии и других странах, об антисейсмических устройствах зарубежной проектировки, нормах проектирования мостов в сейсмических районах ряда зарубежных государств.
Метопи исследования. Работа выполнена с привлечением современных методов расчета колебаний грунтов и конструкций мостов . при землетрясениях. Для нахождения наилучпих корреляционных, зависимостей между характеристиками грунта и расчетными параметрами сейсмического воздействия применялись линейные и нелинейные математические модели, параметры которых определялись методами регрессионного анализа.. Для расчета колебаний конструкций использовались методы матричного и операционного исчислений, строительной механики и теории упругости с реализацией полученных алгоритмов на современных компьютерах.
На защиту выносятся:
-
Результаты инженерно-сейсмологического анализа повреждений мостов при землетрясениях;
-
Методика уточнения расчетных параметров сейсмического воздействия и определения динамических модулей деформации нескальных грунтов при проектировании мостов в районах сейсмичностью
7, 8 и 9 баллов; .
3. Методика определения.расчетных параметров тектонического
и сейсмического воздействий при проектировании мостов в зонах
очагов возможных землетрясений с магнитудойЛ/* 7-і (силой более 9 баллов);
-
Разработки по конструкциям антисейсмических устройств, обеспечивающих эффективную защиту мостов от землетрясений;
-
Усовершенствованная методика расчета колебаний опор мостов при землетрясениях;
-
Методика решения задач о пространственных колебаниях плитно-балочных пролетных строений, возбуждаемых импульсными , гармоническими и другими динамическими нагрузками.
Научную новизну работы составляют:
таблица характерных повреждений мостов при землетрясениях силой от 7 до 10 баллов по шкале М$К-54;
разработанная применительно к мостостроению классификация поражающих факторов землетрясений;
усовершествованная концепция и обобщенные принципы проектирования сейсмостойких мостов;
корреляционные зависимости вероятной скорости поперечных . сейсмических волн от условного сопротивления'грунта сжатию;
формула для вычисления поправочного коэффициента, учитывающего влияние физико-механических свойств грунта на ускорение колебаний покровных отложений при землетрясениях;
формулы для определения динамических модулей деформации нескальных грунгов при сжатии и сдвиге; .
корреляционная связь между магнитудой землетрясения и ампли тудой тектонического разрыва на поверхности грунта;
- методика оценки расчетного ускорения колебаний грунта по состоянию конструкций мостов в зоне разрушительного землетрясения;
. - расчетные ускорения колебаний грунта в горизонтальном и в вертикальном направлениях для проектирования мостов в зонах очагов возможных землетрясений с магнитудой
применение в мостах конструкции буферных антисейсмических устройств с тарельчатыми пружинами и резино-металлическими элементами;
методика определения расчетной сейсмичности при проектировании мостов;
методика учета нагрузок от подвижного состава железных дорог и автомобилей при расчете мостов на сейсмостойкость;
.методика учета поперечных >дючтн в'стойках опор при опре-т делен:»: вмчпитуд колебаний ркголей при землетрясении;
комплоте алгоритмов и програми, позволяющих выполнять расчеты на сейсмостойкость опор разного типа с учетом взаимодействия фундаментов с грунтом, опо-р с пролетными строениями и пролетных строении с транспортными срсдстїаші;
решения по методу сил задачи о частотах и формах собствен-ных пространственных колебаний плитію-балочтіх пролетных отроении с деформируемым контуром поперечного сечения и задачи иб их вынужденных колебаниях, возбуждаемых импульсными и другими динамическими нагрузками.
Достоверность на.учных полонений и выводов работы доказываете л
многолетними наблюдениями.мостов в сейсмических районах и данными их обследовании в эпицантральных зонах разрушительных землетрясений;
экспериментальными исследованиями в лабораторных условиях моделей балок, плит и плитно-балочных коне тру кций^. '
испытаниями антисейсмических устройств;
опытным проектированием конструкций' мостов с привлечением ведущих проектных институтов страны в области мостостроения;
сопоставлением результатов исследований с требованиями нормативных документов к проектированию моотов за рубежом;
апробацией результатов работы на различных конференциях а совещаниях по вопросам инженерной сеймол'огші и сейсмостойкого строительства.
Реализация работы в строительства. Выводы и рекомендации, полученные на основе.данных полевых работ'в зонах разрушительных землетрясений, были использованы при разработке действующих нормативных и технических документов по проектированию мостов ж сейсмических районах (СіїиіІ П-7-8І "Строительство в сейсмических районах", СНиП 2.05.03-84 "Мосты и трубы", Рекомендации по учету сейсмических воздействий при проектировании мостов). Результати исследований соискателя,изложенные в диссертации, применялись при разработке ряда типовых, а такие многих индивидуальных проектов мостов в сейсмических районах, в том числе:
- мостов через реки 8ея, Олекма,- Дымкоуль, Чильчи, Нюкжа, Ха
ни и др. на. трассе БАМ;
-'виадука на железной дороге Иджеван-Раздан;
- моста через р. Обь в г. Каиень-на-Оби;
моста через р. Аранс у г. Имшільї;
моста через р. Лютогу на Сахалине;
моста через р. Латорицу на Украине;
эстакады Тиховского гидроузла на р. Кубани;
моста через р. Куру в г. Сальяны;
моста через р. Терек на перегоне Червленая-Узлован-Гудормес;
мостов на ж.д. линии Евлах-Белоканы;
моста через р. Селенгу в г. Улан-Удэ; .
моста через вдхр. Рогунской ГаС в г. Новый Комсомолабад;
путепроводов на обходной автомобильной дороге к г. Ленина-кану;
моста через р. Днестр у г. Дубоссары (проект реконструкции);
технологического моста через р. Ангару в Иркутско;
эстакады в г. Спитаке (проект усиления);
моста через р. Чимитоквадде на автодорого Новороссипск-Тбилиси-Баку;
моста чероз р.. Мацесту на обходе г. Сочи;
моста через р. Селенгу на автодороге Тресково-Шімур-Зарочье; - моста на к.д. линии Ханой-Хайфонг ео Вьетнаме;
моста через р. Ероо в Монголии;
мостов на ж.д. линии в Алжире.
Апробация работы. Основные результаты выполненных' исследований были доложены на научно-технических советах Шштрансстроя и ЦНИИСа, а также на всесоюзных и международных научно-технических конференциях, совещаниях и семинарах, в том числе на:
-Всесоюзной.конференции "Совершенствование методов расчета
и конструирования зданий и сооружений, возводимых в сейсмических
районах" (Кишинев, 1976); . '
'- Мекдународном семинаре "Строительство в сейсмических .. районах" (Баргаш, Италия, 1978);
т Выездной сессии Мёрдувемоственного Совета по сейсмологии и сейсмостойкому строительству при Президиуме АН СССР (Иркутск, СевбробайкалііСіЦ 19.79);
Всесоюзной конференции по проблемам хозяйственного освоения зоны БАМ (Улан-Удэ, 1981);
Всесоюзном совещании "Снижение материалоемкости и трудсеи-
кости сейсмостойкого строительства" (Алма-Ата, 1982);
Республиканском совещании "Проектирование и строительство сейсмостойких зданий в МССР" (Кишинев, 1986);
Всесоюзном совещании "Сейсмичность, инженерная геология и гидрогеология зоны БАМ" (Иркутск, 1987);
Всесоюзном семинаре "йняенэрно-сейсмоматрическая служба страны" (Махачкала, 1987);
Всесоюзном совещании "Вопросы' инженерной сейсмологии" (Ленинакан, 1988);
семинаро ЮНЕСКО по вопросам сейсмической и геологической опасности, их картированию и превентивным мероприятиям (Москва, 1990);
Всесоюзной конференции "акспершентальные исследования инженерных сооружений" (Сумы, 1991);
-Международном симпозиуме "Мости. Взаимосвязь между технологией возведения и конструкциями" (Ленинград, 1991);
Втором российско-китайской региональном семинаре по сейсмостойкому строительству (Москва, 1992);
на ряде совещаний комиссии по'сейсмостойкости транспортных сооружений Междуведомственного совета по сейсмологии и сейсмостойкому строительству при Президиуме АН СССР (Москва, 1975; Ленинград, 1976; Ташкент, 1977; Тбилиси, 1979; Фрунзе, 1986 и др.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 70 работ и получено 5 авторских свидетельства.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав и заключения, имеющих общий объем 359 машинописных страниц и включающих 115 рисунков, 17 таблиц и.списки использованных публикаций. Диссертация имеет три приложения общим объемом 35 страниц.