Введение к работе
Актуальность темы. Диссертация посвящена развитию и совершенствованию теории и методов расчёта железобетонных балочных плитно-ребристых пролетных строений автодорожных мостов по ранее действовавшим и современным проектам многократного применения.
При проектировании мостовых сооружений используются условные нормируемые нагрузки, которые назначаются (по результатам специальных исследований) как соответствующие парку транспортных средств (колонн автомобилей и одиночных экипажей), допущенных к движению по автомобильным и городским дорогам. За последние 60 лет величины и схемы условных вертикальных расчётных нагрузок на мостовые сооружения на дорогах России изменялись три раза (в 1962, 1984, 2007 г.г.) в соответствии ростом весов и размеров транспортных средств. Можно предположить, что и в последующие годы будут происходить переходы на новые более тяжёлые нормируемые нагрузки.
Сравнение интенсивностей эквивалентных полосовых нагрузок, полученных путём загружения линий влияния треугольной формы показывает, что современные нагрузки по схемам А14 и НК-102,8 (ГОСТ Р 52748-2007) превышают аналогичные нагрузки Н-13 и НГ-60, действовавшие до 1948 г., соответственно в 2,5 и 1,7 раза, нагрузки НЗО и НК-80, действовавшие до 1984 г., - в 1,5 и 1,3 раза.
Это означает, пролётные строения мостовых сооружений эксплуатируются или будут эксплуатироваться в периоды действия более тяжёлых нормируемых нагрузок, чем те, на которые они рассчитаны. Вместе с тем аварии длительно эксплуатируемых железобетонных пролётных строений, связанные с увеличением весов транспортных средств и интенсивности движения, не наблюдаются.
Одновременно происходит развитие теории расчёта изгибаемых железобетонных конструкций, уточнение норм проектирования в части предельных величин моментов, поперечных сил, показателей образования и раскрытия трещин.
Актуальность темы диссертации связана с задачей создания методов расчёта, уточнения критериев предельных состояний, предназначенных для оценки и вскрытия резервов несущей способности современных железобетонных пролётных строений в условиях эксплуатации нагрузками, превышающими предусмотренные при проектировании.
Цель исследования. Разработка, обоснование и практическая реализация пространственного нелинейного метода расчёта по прочности железобетонных балочных плитно-ребристых пролётных строений в соответствии с расчётным описанием напряжённо-деформированного состояния при воздействии постоянных и временных нагрузок по схемам АК и НК. Расчётное определение предельных эксплуатационных нагрузок для исследуемых пролётных строений.
Задачи исследования:
- выбор и обоснование расчётной схемы железобетонного пролётного
строения, соответствующей цели исследования;
- разработка алгоритма деформационного нелинейного расчёта изгибаемых
железобетонных балок с предварительно напряжённой арматурой;
/ (
- разработка метода пространственного нелинейного расчёта исследуемых
пролётных строений средствами МКЭ с поэтапным (ступенчатым) приложением временной нагрузки;
расчётное описание развития напряжённо-деформированного состояния и расчёты несущей способности по временным нагрузкам АК и НК на примерах длительно эксплуатируемых типовых пролётных строений с обычной и предварительно напряжённой арматурой;
расчётное исследование несущей способности и предельных показателей
по образованию трещин длительно эксплуатируемых пролётных строений по типовым проектам, разработанным в 1957 -*- 1967 г.г. и широко применённым в 1960-70 г.г.
Научная новизна.
1 Выбраны и обоснованы для целей исследования расчётная схема железо
бетонного пролётного строения в виде плитно-стержневой системы МКЭ и рас
четная модель железобетонных балок с обычной и предварительно напряжённой
арматурой со следующими видами физической нелинейности:
деформированием бетона при растяжении без сопротивления и при сжатии в соответствии с трёхлинейной диаграммой;
пластическим течением обычной арматуры после достижения напряжениями расчётного сопротивления;
деформированием предварительно напряжённой арматуры в соответствии с трёхлинейной диаграммой.
2 Решена прикладная задача и разработан алгоритм деформационного нели
нейного расчёта железобетонной балки с предварительно напряжённой армату
рой.
3 Разработан пространственный нелинейный метод расчёта плитно-
ребристых систем с использованием плитно-стержневой расчётной схемы МКЭ,
решений прикладных задач и алгоритмов деформационного расчёта железобе
тонных балок с обычной и предварительно напряжённой арматурой и процесса
ступенчатого приложения временных нагрузок.
Разработаны критерии предельных состояний применительно к условиям пространственного деформационного нелинейного расчёта несущей способности по временным нагрузкам АК и НК на примерах длительно эксплуатируемых типовых пролётных строений.
Получены результаты расчётного исследования несущей способности и предельных показателей по образованию и раскрытию трещин длительно эксплуатируемых пролетных строений по типовым проектам, разработанным в 1957 - 1967 г.г.
Достоверность научных результатов исследования обосновывается следующими положениями:
использованием в качестве научной основы исследования теоретических положений и физических уравнений теории изгибаемых железобетонных конструкций, которые получили закрепление в нормативно-методических документах по проектированию (СНнП 2.03.01-84, СНиП 2.05.03-84*, СП 52-101-2003 и 52-102-2004), многократно проверены при расчётах и проектировании широкого круга строительных конструкций и объектов строительства, в лабораторных и натурных экспериментах;
использованием в качестве математической и вычислительной основы средств МКЭ, корректность которого является доказанной;
соответствием результатов расчётов по разработанным в диссертации методам имеющимся фактам и отсутствием фактических данных, противоречащих результатам расчётов и выводов выполненного исследования.
Методы расчета и расчётные процедуры, разработанные или используемые в диссертации, являются математически корректными. В диссертации не используются недоказанные научные положения.
Практическая значимость результатов исследования. Разработанный в диссертации пространственный деформационный нелинейный метод расчёта железобетонных плитно-ребристых систем позволяет решить следующие технические задачи:
обосновать возможность эксплуатации современных пролётных строений в нормальном (неконтролируемом) режиме при нагрузках, превышающих нормируемые нагрузки, предусмотренные проектом;
определить предельные нагрузки, при которых возможна эксплуатация мостового сооружения на период до капитального ремонта или реконструкции.
Внедрение результатов работы. Разработанные теоретические положения, метод нелинейного деформационного расчета пролётных строений использованы в расчётах при обследованиях мостовых сооружений в НИЦ "Дормост" при ВГАСУ, в лекционном курсе "МКЭ и МГЭ в строительной механике" магистерской подготовки студентов ВГАСУ по программе "Теория и проектирование зданий и сооружений" направления 270100 "Строительство", при проектировании пролётных строений в проектной организации «Мостинжсервис-плюс».
Положения, выносящиеся на защиту.
Разрешающие уравнения, процедура решения прикладной задачи и алгоритм деформационного нелинейного расчёта железобетонной балки с предварительно напряжённой арматурой.
Пространственный деформационный нелинейный метод расчёта железобетонных плитно-ребристых пролётных строений, сочетающий следующие положения:
плитно-ребристую расчётную схему МКЭ;
расчётную модель железобетонной балки со следующими видами нелинейности: деформирование бетона при растяжении без сопротивления и при сжатии в соответствии с трёхлинейной диаграммой; пластическое течение обычной арматуры после достижения напряжениями расчётного сопротивления; дефор-
мирование высокопрочной арматуры в соответствии с трёхлинейной диаграммой;
ступенчатое приложение временных нагрузок АК и НК;
критерии предельных состояний, связанные с прогрессированием прогибов и образованием пластических шарниров в балках.
3 Показатели грузоподъёмности (несущей способности, трещиностойкости, раскрытия трещин) по нагрузкам по схемам АК и НК эксплуатируемых пролётных строений по типовым проектам, разработанным в 1957 -*- 1967 г.г., полученные по расчётам в соответствии с современными нормами проектирования и по деформационному нелинейному методу в соответствии с п. 2.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-практических конференциях "Проблемы механики и надёжности строящихся, эксплуатируемыми реконструируемых мостов на автомобильных дорогах" (ВГАСУ - НИЦ "Дормост", Воронеж, 2005, 2006, 2008), I международной научно-практической конференции "Оценка риска и безопасности строительных конструкций" (Воронеж, 2006 г.).
Публикации. Основные результаты исследования и содержание диссертации изложены в четырёх статьях, опубликованных в сборниках научных работ, в том числе одна статья опубликована в издании, входящем в перечень, определённый ВАК РФ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, выводов, списка использованных источников и приложений. Диссертация содержит 136 страниц, в том числе 80 страниц текста, 58 рисунков, 27 таблиц, 2 приложений, список использованных источников из 115 наименований.
