Динамика демонтажа пролетных строений мостов методом сбрасывания тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.11, кандидат технических наук Зылёва, Наталья Владимировна

• Зылёва, Наталья Владимировна
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Зылёва, Наталья Владимировна

Введение.

1. Состояние вопроса. Задачи исследования.

2. Основные положения используемого численного метода.

2.1. Разрешающие уравнения, способ их интегрирования.

2.2. Способ учета контактных сил.

2.3. Учет пластических деформаций.

2.4. Разработка модели на случай трехмерной упругой среды.

2.4.1. Обобщенная модель А.Р. Ржаницына.

2.4.2. Тестирование трехмерной модели на статических и динамических задачах.

3. Анализ силового взаимодействия демонтируемого пролета с опорной конструкцией. Факторы, формирующие траектории падения.

3.1. Исследование параметров контактного взаимодействия для случая сбрасывания с постоянной или временной опоры.

3.2. Разработка расчетной схемы кулисного механизма и ее использование для анализа динамических факторов.

3.3. Экспериментальное и расчетное исследование демонтажа модели пространственной фермы.

3.3.1. Модель для экспериментального исследования.

3.3.2. Расчетная схема численного эксперимента.

3.3.3. Сравнение расчетных и экспериментальных данных.

4. Исследование воздействия на наземные сооружения, вызванного падением демонтируемого пролетного строения на грунт. Стадийное моделирование.

4.1. Особенности единой расчетной схемы грунтового массива, пролетного строения и здания.

4.1.1. Дискретная модель грунтового массива. Проблема отражения волны деформаций от границы расчетной схемы.

4.1.2. Контактная жесткость при падении на грунт и грунтовые отсыпки.

4.1.3. Параметры расчетной схемы зданий.

4.2. Анализ динамических параметров, полученных в результате численных решений.

4.2.1. Влияние грунтовых отсыпок.

5. Анализ воздействия на подземные сооружения.

5.1. Расчет коллекторных труб, находящихся вблизи площадки демонтажа.

5.1.1. Методика определения напряжений в керамических трубах.

5.1.2. Использование результатов испытания труб по ГОСТ 286-82 для анализа их прочности при воздействии волны деформации в грунте.

5.1.3. Исследование влияния контактной жесткости в точках соприкосновения пролетного строения с грунтом на напряжения в трубах.

5.2. Воздействие на обделку автодорожного тоннеля.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Динамика демонтажа пролетных строений мостов методом сбрасывания»

В настоящее время все чаще возникает необходимость в замене отслуживших мостовых пролетных строений. Демонтаж старых конструкций может осуществляться разными способами. Применяется разборка на подмостях, демонтаж с использованием плавсредств, подрыв, сбрасывание с постоянных или временных опор и др. Каждый из этих способов имеет свои особенности, недостатки и достоинства, которые часто зависят от места и времени производимых работ. О специфике, связанной с выполнением демонтажа пролетных строений ускоренными методами (сбрасывание, подрыв) изложено в [38, 40].

Демонтаж пролетного строения методом сбрасывания (рие.1.1) используется в случаях, когда необходимо сократить время работ по замене мостового пролетного строения. При демонтаже сбрасыванием существенно сокращаются высотные работы, отпадает необходимость в использовании крана, изготовлении сплошных подмостей. Особенно эффективным сбрасывание может оказаться в зимний период при наличии мощного ледяного покрова. Естественный лед иногда усиливается напылением или армированием.

Пример использования на практике метода демонтажа сбрасыванием - демонтаж пролетного строения через р. Онега на 242 км линии Маленга-Обозерская Северной ж.д. в 2000 г (информация взята с сайта http://www.giprostroymost.ru/). Пролетное строение длиной 66 м подлежало замене. Работы проводились на действующей железнодорожной линии в «окно» продолжительностью 30 часов.

Рис. 1.1. Демонтаж фермы моста через р. Оку.

В [54] содержится информация о демонтаже 88-метрового пролетного строения методом сбрасывания. Демонтаж состоит из следующих операций: производится поперечная сдвижка пролетного строения на временные опоры, затем пролетное строение опрокидывается вместе с ними (рис. 1.2). Эти два примера наглядно демонстрируют метод сбрасывания отслуживших пролетиых строений на практике.

Рис, Х.2. Опрокидывание фермы старого моста через р. Ветлуга, 1995 г. (фото с сайта http://www.transsib.ru/),

Динамический процесс падения пролетного строения весьма сложный. Он зависит от множества факторов. Для принятия верных решений при проектировании производства работ нужно ясно представлять себе весь процесс демонтажа с точки зрения движения, а также возникающих динамических усилий в конструкции пролетного строения, опорах, в грунте и ближайших подземных и наземных сооружениях. Наиболее полное представление может быть получено теоретическим путем на основании решения уравнений движения системы.

С точки зрения механики рассматриваемая задача является сложной, многокомпонентной. Действительно, она включает необходимость моделирования свободного полета деформируемого тела, моделирования контактного взаимодействия отдельных компонент расчетной схемы. Многие задачи требуют анализа распространения волны деформаций в грунтовом массиве.

Современные численные методы позволяют в принципе решать указанные задачи, но остается вопрос адаптации этих методов к рассматриваемой области мостостроения, создания конкретных расчетных схем.

Отметим, что в настоящее время почти отсутствуют теоретические исследования в данной области. На практике часто используются приближенные эмпирические подходы. Внедрение расчетных методов является здесь крайне актуальным.

Целью диссертационной работы является адаптация и практическое применение методов, разработанных в строительной механике для задачи демонтажа пролетных строений сбрасыванием по типовым схемам.

В ней изучается влияние параметров системы на динамические усилия в элементах опорных конструкций и траекторию полета. В частности, исследуются параметры контактного взаимодействия между пролетным строением и опорой на примере демонтажа металлической железнодорожной фермы пролетом 55 м. Разрабатывается расчетная модель с учетом применения при демонтаже специальных вспомогательных кулис. Определяются динамические факторы, возникающие при таком демонтаже.

В диссертации также анализируется влияние динамического воздействия от падения пролетного строения на расположенные поблизости наземные и подземные сооружения, вырабатываются рекомендации для снижения соответствующих динамических воздействий.

Эта задача решается для наземных зданий, а именно трех зданий высотой 40 м, расположенных на разных расстояниях от места удара пролетпого строения о землю. Результатом расчета являются напряжения в точках зданий. Стадийность моделирования данной задачи позволяет избежать большой потери расчетного времени, так как выделяет падение фермы до момента касания с зехмлей в отдельную стадию. Вторая стадия включает в себя распространение волны деформации в грунте и в зданиях при контактном взаимодействии пролетного строения с поверхностью грунта. Расчетная схема для второй стадии включает в себя 183433 узла и 730732 стержня, что соответствует 550299 динамическим степеням. В этой же главе исследуется влияние грунтовых отсыпок на возникающие динамические напряжения и перемещения в зданиях. Грунтовые отсыпки должны смягчить удар фермы о землю и, тем самым, уменьшить воздействие на здания. Проведенные исследования показали эффективность применения грунтовых отсыпок.

Для исследования влияния падающего пролетного строения на подземные сооружения решается реальная задача о воздействии на коммуникационные трубы. Разрабатывается методика определения напряжений в трубах и дается их оценка. Исследуется влияние контактной жесткости в месте соприкосновения пролетного строения с грунтом на напряжения в трубах. Делается заключение о возможности демонтажа пролетного строения с использованием отсыпок. Предложенная схема демонтажа была реализована на практике.

Также в работе решается задача о динамическом воздействии на подземную тоннельную обделку.

Научную новизну диссертации составляют:

- решение ряда сложных задач о демонтаже пролетного строения сбрасыванием с постоянных или временных опор с помощью численного моделирования;

- впервые определяется воздействие от падающего пролетного строения на наземные и подземные сооружения, находящиеся вблизи места демонтажа;

- получено обобщение модели Ржаницына А.Р. на случай трехмерного упругого массива. С помощью стержней моделируется трехмерное пространственное упругое тело. Модель тестируется на нескольких статических задачах. Результаты сравниваются с результатами аналогичной задачи, решенной в конечноэлементном комплексе MSC.Nastran. Затем модель тестируется на динамической задаче. В качестве динамического воздействия рассматривается распространение волны деформации в сплошном упругом теле. Полученная скорость распространения волны сравнивается с теоретическим значением.

Достоверность полученных результатов подтверждается совпадением расчетных данных с натурными наблюдениями. Правильность принятых расчетных допущений контролируется экспериментом па уменьшенной модели системы.

Волновые решения, полученные в данной работе, согласуются с теорией распространения волн в упругой среде и экспериментальными данными других авторов.

Практическую ценность работы определяет возможность применения разработанной методики при моделировании различных случаев демонтажа пролетных строений сбрасыванием с введением индивидуальных исходных данных для каждой конкретной системы.

Предложены способы снижения динамического воздействия от падения пролетного строения. Решена реальная задача о влиянии динамического воздействия на подземные коллекторные трубы.

Заключение диссертации по теме «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей», Зылёва, Наталья Владимировна

Заключение

Проведенные исследования, а также численный и экспериментальный анализ, выполненные для различных вариантов демонтажа мостовых пролетных строений характеризуются практической значимостью и рядом новых научных результатов для инженерного дела в области мостостроения. Основные из них следующие.

1. Получено обобщение модели А.Р. Ржаницына на случай пространственного упругого массива. Соответствующая модель была протестирована путем решения трехмерных статических и динамических задач. Тесты подтвердили правильность работы предлагаемой обобщенной модели Ржаницына.

2. Разработаны математические модели, позволяющие получать путем численного интегрирования уравнений движения силовые и кинематические параметры системы при различных способах демонтажа пролетных строений сбрасыванием. Рассмотрена задача о сбрасывании пролетного строения с постоянных опор с исходными данными, соответствующими осуществленному на практике случаю демонтажа. На этой схеме исследовано влияние значения коэффициента трепия по поверхности касания пролетного строения и опоры на параметры траектории полета. Показано, что для рассмотренного случая целесообразно уменьшать коэффициент трения, так как это приводит к увеличению расстояния от точки падения фермы до опоры. Исследовано значение горизонтальной динамической реакции при различных значениях коэффициента трения. Максимальное ее значение составляет около 25% от вертикальной составляющей (статическое значение опорной реакции от собственного веса).

Исследовано влияние скругления контактной поверхности опоры на траекторию полета и показано, что этот фактор мало влияет на координату точки падения.

3. Рассмотрена задача о сбрасывании пролетного строения с использованием кулисиого механизма, при этом получены максимальные значения усилий в элементах кулисы и составляющие опорной реакции в фундаменте кулисы. Здесь также выполнено параметрическое исследование зависимости искомых факторов от коэффициента трения.

Максимальное значение горизонтальной опорной реакции во всех решенных для кулисного механизма задачах не превышало 26%. Это значение может быть рассмотрено как первое приближение при практическом выполнении демонтажа с использованием кулисы.

4. Для подтверждения правильности теоретического решения был проведен эксперимент на модели, при этом численное решение выполнялось непосредственно для данных этой модели. Падение модели пролетного строения фиксировалось видеокамерой, кадры видеофильма дали экспериментальный материал. Сравнение данных эксперимента и расчета дало хорошее совпадение.

5. Теоретическим путем исследовано влияние динамического воздействия от падения демонтируемого пролета на наземные и подземные сооружения. Расчеты производились с учетом пластических деформаций в элементах фермы, для материала которых была принята диаграмма деформирования с линейным упрочнением. При решении этих примеров численно моделировалась волна напряжений в грунте, что требовало рассмотрения расчетной схемы с большим числом степеней свободы (550000). Сопоставление полученных результатов с теоретическими и экспериментальными данными других авторов свидетельствует о правильности работы используемого численного алгоритма.

6. Решена реальная задача о воздействии ударной волны напряжений от сбрасывания пролетного строения (см. Приложение 1, акт о внедрении) на заложенные в грунте коллекторные трубы. В процессе работы над этой задачей выработано практическое предложение об использовании грунтовых отсыпок, смягчающих удар при падении пролетного строения на грунт. Эффективность применения грунтовых отсыпок подтверждена расчетом. Грунтовые отсыпки использовались в процессе реального строительства. Демонтаж был осуществлен успешно.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Зылёва, Наталья Владимировна, 2009 год

1. Абрамян Э.Я., Сенющенков М.А. Расчетно-экспериментальный метод определения прочности стеклянных оболочек при локальном статическом нагружении. — Проблемы прочности, 1985, №1.- С.87-90.

2. Александров А.В., Сенющенков М.А. Численное моделирование сложных деформируемых систем при ультразвуковых колебаниях. Брянский технологич. ин-т, Брянск, 1984, 12 е./ Рукопись деп. в ВИНИТИ 17.12.1984 г. №802684/.

3. Динамический расчет сооружений па специальные воздействия / М.Ф. Барштейн, Н.М. Бородачев, JI.X. Блюмина и др.; Под ред. Б. Г. Коренева, И.М. Рабиновича.-М.: Стройиздат, 1981.-215 с. (Справочник проектировщика).

4. Бате К., Вилсон Е. Численные методы анализа и метод конечных элементов.-М.: Стройиздат, 1982. -447 с.

5. Бидерман B.JL Прикладная теория механических колебаний. М.: Высшая школа.- 1972. - 250 с.

6. Болотин В.В. Динамическая устойчивость упругих систсм.-М.: Гостехиздат. -1956.- 600 с.

7. Ботвинкин О. Стекло. // БСЭ.-М. 1947.-Т.52.-С.826.

8. ВСН 136-78. Инструкция по проектированию вспомогательных сооружений и устройств для строительства мостов.-М.: Министерство транспортного строительства, 1978.300 с.

9. ГОСТ 286-82. Трубы керамические канализационные. Взамен ГОСТ 286-74; Ввод. 01.01.83,-М.: Изд-во стандартов, 1983.-9с.

10. Ден-Гартог Дж. П. Теория колебаний. М.-Л.: ГТТЛ. - 1942.-464 с.

11. Зылев В.Б., Штейн А.В. Численное решение задачи о нелинейных колебаниях системы нитей//Строит. механика и расчет сооружений. -1986.-№6.-с.58-62.

12. Зылев В.Б. Вычислительные методы в нелинейной механике конструкций. — М.: НИЦ *Инженер*, 1999.-144 с.

13. Зылев В.Б. Компьютерное моделирование процесса сбрасывания старого пролетного строения моста при его демонтаже.- Вестник мостостроения, 1999.- №3-С.55-56.

14. Как звучал Царь-колокол? / В.Б. Зылев, И.В. Зылева // Литейщик России.-2005.-№8.-С.44-46.

15. Зылева Н.В. Обобщенная модель Ржаницына А.Р. для решения динамических задач. // Вычислительная механика деформируемого тела// Труды международной научно-технической конференции. В двух томах.-М.: МИИТ, 2006. -С.189-191.

16. Зылева Н.В. Оценка динамических воздействий на наземные сооружения при демонтаже пролетного строения методом сбрасывания// Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета.-2007.- №3. -С. 139-147.

17. Зылева Н.В., Круглов В. М. Исследование динамических эффектов при демонтаже пролетного строения методом сбрасывания. //Наука МИИТа транспорту: -Сб. научп. трудов./ МГУПС.-Москва, 2007. -C.II-25-II-26.

18. Иванченко И.И. Методы расчета на нестационарную динамику и статику геометрически нелинейных стержневых систем с распределенными параметрами // Строительная механика и расчет сооружений.-2006.-№5.- с. 16-22.

19. Клафф Р., Пензиен Дж. Динамика сооружений.- М.: Стройиздат, 1979.-319 с.

20. Котляревский В.А., Сенюков А.В., Бродецкая Л.А. Расчет железобетонных конструкций за пределом упругости на действие ударной волны на ЭЦВМ. Научно-техн. Информация. Вып.1. 15 ЦНИИ им. Д.М. Карбышева, 1965.

21. Котляревский В.А., Чистов А.Г. Численный анализ дифракции волн в упруговязких средах при плоской деформации. Изв. АН СССР, МТТ, 1976.- №3.- С. 119-132.

22. Котляревский В.А. Статистическое моделирование сейсмических воздействий на сооружения. Строительная механика и расчет сооружений, 1988.- №3.-С.44-48.

23. Котляревский В.А., Ганушкин В.И., Костии А.А., Костин А.И., Ларионов В.И. Убежища гражданской обороны. Конструкции и расчет., Стройиздат, 1989.-606 с.

24. Котляревский В.А., Виноградов А.В., Еремин С.В., Кожевников В.М., Костии А.А., Костин А.И., Ревенко С.Ю. Аварии и катастрофы. Предупреждение и ликвидация последствий. Книга 2.-М.: Издательство Ассоциации строительных ВУЗов, 1996.- 384 с.

25. Крылов А.Н. Приближенное численное интегрирование обыкновенных дифференциальных уравнений. Российская железнодорожная миссия. Берлин: 1923.-92с.

26. Курбацкий Е.Н., Куликов В.И., Мелешонков Е.И., Рысаков Г.А., Титов Е.Ю. Оценка динамического воздействия подвижного состава на пролетное строение в процессе его надвижки // Журнал «Вестник мостостроения» №1-2. М.: Центр.«ТИМР», 2004 г. С.39-41.

27. Курбацкий Е.Н., Титов Е.Ю. Экспериментально теоретическая оценка колебаний грунта вблизи железнодорожных трасс // Вестник МИИТа / Научно-технический журнал. Вып. 14.-М.: МИИТ, 2006. -С.57-62.

28. Лукьянова В. И., Светлицкий В. А. Нелинейные задачи абсолютно гибких стержней. В кн.: Расчеты на прочность.-М.Машиностроение.-1985.-вып.26.-С.196-204.

29. Оден Дж. Конечные элементы в нелинейной механике сплошных сред.-М.: МИР.-1976.-464 с.

30. Пановко Я.Г., Губанова И.И. Устойчивость и колебания упругих систем.-М.: Наука.- 1987.-352 с.

31. Патентная о разработке «Способ демонтажа пролетного строения моста сбрасыванием». Свидетельство №1615277 (ОАО «Институт Гипростроймост»),

32. Ржаницын А.Р. Строительная механика. —М.: Высшая школа, 1982.- 399 с.38. «Российские железные дороги». «Мост», который не подведет.//Евразия вести.-2005. июль. -С.8-9.

33. Рынков С.П. MSC.visualNASTRAN для Windows.-M.: изд. НТ Пресс, 2004. -547с.

34. Сапсай А. Демонтаж металлических мостовых пролетов методом направленной энергии взрыва// Евразия вести.-2005.- апрель. -С.22-23.

35. Сафронов B.C. Расчет висячих и вантовых мостов на подвижную нагрузку. -Воронеж: изд. В.Г.У., 1983. -196 с.

36. Сафронов B.C., Барченков А.Г. Расчет свободного нелинейного движения существенно непологой гибкой нити,- В кн.: Исследование комбинированных конструкций. -Воронеж: изд. ВГУ, 1983.-196 с.

37. Светлицкий В.А. Механика гибких стержней и нитей. -М.: Машиностроение, 1978. -222 с.

38. Светлицкий В.А. Механика трубопроводов и шлангов. -М.: Машиностроение, 1982.-279 с.

39. Сенющенков М.А. Исследование напряженно-деформируемого состояния толстостенной осесимметричной стеклянной оболочки при воздействии ударного импульса. -Тр. Ин-тов инж.ж.-д. трансп., МИИТ, 1982, вып.618, с.82-90.

40. Сенющенков М.А. Напряженное сотояние толстостенных оболочек вращения со сферическим куполом при локальном статическом нагружении. Моск. ин-т инж. ж.-д. тр-та, М., 1984, 24 с. / Рукопись деп. в ВНИИТИ 19.04.1984 г., №2498-84/.

41. Сенющенков М.А. Численный анализ напряженно-дефорированного состояния толстостенных осесимметричных упругих оболочек при воздействии локального импульса. Моск. ин-т инж. ж.-д. тр-та, М., 1984, 25 с. / Рукопись деп. в ВНИИТИ 19.04.1984 г., №249784/.

42. Сенющенков М.А. Расчет на прочность толстостенных осесимметричных стеклянных оболочек с помощью метода конечных элементов при ударе стальным бойком. Брянский технологии, ин-т, Брянск, 1985, 12 с. / Рукопись деп. в ВНИИТИ 07.01.1985 г., №170-85/.

43. Синицин А.П. Метод конечных элементов в динамике сооружений. -М.: Стройиздат.- 1978.-231 с.

44. Смирнов А.Ф. Статическая и динамическая устойчивость сооружений. -М.: Трансжелдориздат, 1947. -308 с,

45. Смирнов А.Ф., Александров А.В., Лащеников Б.Я., Шапошников Н.Н. Строительная механика. Динамика и устойчивость сооружений. -М.: Стройиздат, 1984.-415 с.

46. Смирнов В.А. Висячие мосты больших пролетов.-М.: Высшая школа.-1975.-368с.

47. Смирнов В.Н., Ярохно В.И. Что нам стоит сбросить мост? //Мир дорог.-2006.-№25.-С.52-53.

48. СНиП 2.05.03-84*. Мосты и трубы/Госстрой России.-М: ГУП ЦПП, 2003.-214 с.

49. Под общ. Ред. Н.А. Стрельчука, Г.Л. Хесина. Метод фотоупругости, т.П. М.,1975.

50. Тимошенко С.П. Теория упругости. —Л.-М.: Государственное технико-теоретическое издательство, 1934.-452 с.

51. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле.-М.: Наука, 1964. -444 с.

52. Тимошенко С.П., Гере Дж. Механика материалов.-М.: МИР.-1976.-669 с.

53. Титов Е.Ю. Оценка эффективности виброизоляции здания, расположенного вблизи железнодорожной линии // Вестник МИИТа/ Научно-технический журнал. Вып. 14. -М.: МИИТ, 2006. -С.62-68.

54. Титов Е.Ю. Разработка методов оценки и способов снижения уровней вибрации сооружений вблизи метрополитенов и железнодорожных трасс: Автореф. Диссертации к-та техн. наук: 05.23.11/МГУПС-2006.- 24с.

55. Ухов С.Б., Семенов В.В., Знаменский В.В., Тер-Мартиросян З.Г., Чернышев С.Н. Механика грунтов, основания и фундаменты.-М.:Издательство Ассоциации строительных вузов, 2005.-528 с.

56. Шапошников Н.Н., Римский Р.А., Полторак Г.В., Бабаев В.Б. Применение метода конечных элементов к решению динамических задач. В кн.: Расчеты на прочность.-М.: Машиностроение.-1983, вып. 26, С.73-87.

57. Шапошников Н.Н., Бабаев В.Б., Сенющенков М.А. Решение контактных динамических задач методом конечных элементов по неявной схеме в системе прочностных расчетов «СПРИНТ».-В кн.: Расчеты на прочность. -М.: Машиностроение.-1985, вып. 26.-С.265-274.

58. Шимкович Д.Г. Расчет конструкций в MSC/NASTRAN.-M.: изд. ДМК Пресс, 2001.-448 с.

59. Шимкович Д.Г. Расчет конструкций в MSC.visualNastran for Windows.-М.: изд. ДМК Пресс, 2004.-704 с.

60. Штейн А.В. Статика и динамика пространственных вантово-стержневых систем при больших перемещениях. Дисс. канд. техн. наук.-Москва, 1987.- 173 с,-Библиогр.: С. 190-200 (108 назв.).

61. Cook R.D. Concepts and applications of finite elements analysis. -Wiley-N.Y.-1974.-p.271-283.