Методы оценки напряженно-деформированного состояния вант и обоснование технических требований к вантовым системам мостов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.11, кандидат технических наук Сычев, Павел Анатольевич

• Сычев, Павел Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сычев, Павел Анатольевич

Введение

ГЛАВА 1 Краткий аналитический обзор

1.1 Тенденции развития вантовых пролетных строений

1.2 Конструктивные особенности существующих вантовых систем

1.3 Методы оценки напряженно-деформированного состояния вант

1.4 Применение программных расчетных комплексов для оценки напряженно-деформированного состояния вантово-балочных пролетных строений

1.5 Выводы по главе 1, цель и задачи исследования

ГЛАВА 2 Методы оценки напряженно-деформированного состояния вант

2.1 Методы оценки напряженно-деформированного состояния вант на стадиях монтажа и эксплуатации

2.2 Метод последовательных приближений при анализе вантово-балочных пролетных строений

2.3 Метод оценки изгибных напряжений в анкерной зоне вант

2.4 Адаптация программного расчетного комплекса MSCNASTRAN к расчету вантово-балочных систем

2.5 Выводы по главе

ГЛАВА 3 Экспериментальные исследования на натурных объектах

3.1 Автодорожный мост с однопилонным вантово-балочным пролетным строением через р.Обь около г.Сургута

3.2 Городской мост с вантово-балочным пролетным строением через р.Неву на КАД г.Санкт-Петербурга

3.3 Выводы по главе

ГЛАВА 4 Обоснование технических требований к вантовым системам

4.1 Конструктивные требования к узлам крепления вант

4.2 Технические требования к современным вантовым системам

4.3 Конструктивные требования по обеспечению аэродинамической устойчивости вантовых систем

4.4 Расчет экономической эффективности от реализации новых конструктивных решений вантовых систем

4.5 Выводы по главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы оценки напряженно-деформированного состояния вант и обоснование технических требований к вантовым системам мостов»

Пролетные строения вантово-балочной системы получили широкое распространение при строительстве большепролетных мостов в последние 30 -40 лет. Имеются исторические примеры применения подобных конструктивных решений и в более ранние периоды.

Наиболее важными функциональными частями вантово-балочных пролетных строений являются гибкие несущие элементы - ванты, работающие, в основном, на растяжение и способные воспринимать значительные напряжения. Это существенное достоинство при сочетании с эффективной статической схемой пролетного строения, обеспечивающей значительную разгрузку главной балки, предопределило области рационального применения вантово-балочных пролетных строений:

• автодорожные, железнодорожные, городские, совмещенные и трубопроводные мосты больших пролетов (300-500м), при которых становится нерационально применение балочно-неразрезных, арочных и прочих комбинированных систем. Наряду с висячими системами достижение наибольших пролетов (до 800-1000м) становится возможным при использовании относительно легких стальных главных балок из ортотропных плитных элементов и высокопрочных вантовых систем;

• мостовые переходы с неблагоприятными гидрогеологическими условиями (большая глубина и скорость течения воды, слабые водонасыщенные грунты в основании, карсты, оползневые склоны, стесненные условия судоходства и др.), которые обуславливают необходимость перекрытия этих участков большими пролетами;

• мосты через судоходные реки и морские акватории, глубокие ущелья, в мегаполисах со сложившейся застройкой, когда целесообразен монтаж конструкций моста внавес;

• мосты с повышенными архитектурно-эстетическими требованиями.

В силу высокой технико-экономической эффективности интерес к мостам с пролетными строениями вантово-балочной системы постоянно растет

Приложение А). Богатейший опыт в этой области накоплен в XX веке в Германии, Франции, Швейцарии, Дании и других странах западной Европы. Весьма показателен в этом отношении нарастающий опыт США и Китая. Если до 1992 года в США было построено 24 крупных мостовых перехода с пролетными строениями вантово-балочной системы, то к 2005 их количество удвоилось.

В России также наблюдается тенденция к большепролетному мостостроению. Так, за последние годы были построены несколько уникальных мостовых сооружений вантово-балочной системы, не уступающих по основным технико-экономическим параметрам мировому уровню (см. Глава 3).

Можно констатировать, что создание современных уникальных мостов, поражающих воображение огромными масштабами, оригинальностью и прогрессивностью конструктивно-технологических решений, тесно связано с применением пролетных строений вантово-балочных систем. Очевидно, эти конструкции сохранят свою привлекательность для проектировщиков и строителей в ближайшем будущем.

Поскольку ванты являются важнейшей функциональной частью вантово-балочных пролетных строений, то обеспечение их долговечности по основным потребительским (эксплуатационным) свойствам - прочности, деформативности, выносливости, хладостойкости, коррозионной стойкости и другим является непременным условием обеспечения долговечности всего мостового сооружения.

Вместе с тем, в настоящее время при проектировании вант не в полной мере учитываются особенности их напряженно-деформированного состояния (НДС) и динамического поведения, что связано с наличием факторов нелинейности и условиями крепления в пилонах и балке жесткости.

Основой успешного решения обозначенных вопросов является разработка методов оценки и регулирования НДС вантовых систем, а также научно обоснованных требований к современным конструктивно-технологическим решениям самих вант и узлов их крепления, что, с учетом вышеизложенного, определяет актуальность данной работы.

Заключение диссертации по теме «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей», Сычев, Павел Анатольевич

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Обобщение результатов приемочных испытаний вантовых мостов на территории России позволило установить, что фактически конструктивные коэффициенты для осевых растягивающих усилий в вантовых системах находятся в диапазоне от 0,69 до 0,88 (в зависимости от пологости вант и характера линии влиянии). Данные значения, свидетельствующие о наличии резерва несущей способности вантовых систем, обусловливают актуальность совершенствования методов оценки НДС вант.

2. На основе проведенных исследований разработаны методы комплексной оценки НДС вантовых систем мостов при монтаже и эксплуатации, позволяющие учитывать геометрически нелинейный характер деформирования, формы провисов вант при воздействиях собственного веса, усилий преднапряжения, изменения температуры, перемещения анкерных точек, а также изгибающие усилия в анкерной зоне.

3. Разработаны и применены расчетные конечно-элементные модели вантово-балочных пролетных строений (на базе программного комплекса MSCNASTRAN) с использованием линеаризованных расчетных схем вант, учитывающих нелинейность работы введением приведенных модулей упругости с корреляцией численных и экспериментальных данных в пределах от 0,92 до 0,96.

4. В результате выполненных численных и экспериментальных исследований на натурных объектах установлено, что в зоне анкеровки вант возникают существенные изгибные напряжения, достигающие 80% от осевых напряжений (в зависимости от длины вант). Это обстоятельство должно учитываться в расчетных проверках вант по прочности и выносливости, однако, в действующем СНиП 2.05.03-84*. «Мосты и трубы» не учтено.

5. На основе анализа результатов приемочных испытаний вантовых мостов выявлено, что переходные элементы узлов крепления вант (в случае отсутствия шарнирных сопряжений) работают как элементы растянуто-изгибаемые в двух плоскостях, что обусловило необходимость уточнения формул расчетных проверок прочности и выносливости этих узлов, включая сварные и болтовые соединения.

6. Анализ результатов мониторинга динамических параметров вантовых систем показал, что для обеспечения выносливости вант следует, наряду со снижением эффективных коэффициентов концентрации напряжений (Р < 1,8), применять также специальные демпфирующие устройства (с логарифмическим декрементом колебаний системы «ванта-демпфер» > 0.03), девиаторы, шарнирные анкерные опоры и др.

7. Экспериментально установлено, что полное затухание процессов ползучести и релаксации напряжений в реальной вантовой системе происходит в течение 3-4 лет под действием постоянных и временных нагрузок и приводит к существенным искажениям схемы сооружения вплоть до полной потери строительного подъема главной балки. Для предотвращения установленных явлений следует проводить предварительную стабилизацию модуля упругости вант (посредством вытяжки) в пределах нормируемых значений до установки в пролетное строение.

8. На основе анализа результатов сертификационных испытаний вантовых и анкерных систем VSL и Freyssinet, проведенных в ОАО ЦНИИС, и обобщения научно-технических достижений лидеров мирового мостостроения установлено, что наиболее эффективными по основным технико-экономическим показателям в области мостовых вантовых систем являются ванты из семипроволочных прядей типа К7.

9. По результатам проведенных исследований сформулированы научно обоснованные технические требования к материалам и конструкциям вантовых систем из семипроволочных прядей типа К7, элементам крепления вант, системам переходной и анкерной зоны, конструктивной аэродинамической устойчивости, комплексной антикоррозионной защите, а также принципам мониторинга и регулирования параметров вантовых систем в целом. Выполнение этих требований позволяет повысить технологичность и эксплуатационную надежность конструкций вантовых мостов обычного и северных А и Б исполнений.

10. Учитывая большое народнохозяйственное и социальное значение отечественных вантово-балочных мостов и мировые тенденции развития большепролетного мостостроения, необходимо продолжить разработки и внедрение отечественных конструктивно-технологических решений вантовых систем, возрождение мостовой вантово-кабельной индустрии, освоение технологий монтажа и регулирования вант, а также дальнейшие исследования методов оценки и регулирования статических и динамических параметров вантовых систем и совершенствование инструментальной приборной базы для мониторинга. Эти мероприятия позволят значительно снизить себестоимость строительства вантово-балочных пролетных строений за счет отказа от зарубежных аналогов, отсутствия таможенных и транспортных накладных расходов, снижение стоимости монтажных работ и аренды оборудования сторонних фирм-производителей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сычев, Павел Анатольевич, 2006 год

1. Артюхов Б.Л., Блан К., Ванты компании «ФРЕЙССИНЕ», М.: Фрейссине, 2004. 2 Артюхов Б.Л.; Блан К., Технологии Фрейссине на строительстве виадука Мийо (Франция), Мостостроение мира, №1-2,2005.

2. Бахтин С.А., Висячие и вантовые мосты. Волгоград: ВГТУ, 2002, с. 103.

3. Блейх Ф., Теория и расчет железных мостов, М.: Гострансиздат, 1931.

4. Бондарь Н.Г., Вопросы статической и динамической работы мостов, Днепропетровск: ДИИТ, 1990, с.88.

5. Боханова С.В., Научно-технический отчет по результатам обследования и6. приемочных испытаний автодорожного моста через реку Неву в составе первой очереди КАД в г.Санкт-Петербург, Часть 1, М.: ОАО ЦНИИС , 2005.

6. Бычковский Н.Н., Пименов С.И., Железобетонные мосты, Саратов: СГТУ, 2006.

7. Владимирский С.Р., Системотехника мостостроения, С-Пб.: Питер, 1994, с. 286.

8. Гершуни И.Ш., Инструкция пользователя программы GERjq Гибшман М.Е., Металлические мосты на автомобильных дорогах, М.:Строиздат, 1948.

9. Гибшман М.Е., Теория расчета мостов сложных пространственных систем, М.: Транспорт, 1973, с.200.

10. Городецкий А.С., Зоворицкий В.И., Рассказов А.О., Лантух-Лященко А.И., Метод12. конечных элементов в проектировании транспортных сооружений, М.: Транспорт, 1981.

11. Де Сильва В.Х., Сидорович Е.М., Расчет непологих изгибно-жестких нитей13. переменного сечения с учетом полного выражения кривизны, известия ВУЗ, Новосибирск: НИСИ, Строительство и архитектура, №9, 1985.

12. Долотказин Д.Б., Косицын С.Б., Использование программного комплекса ANSYS в16. расчетах вантового моста через реку Объ в Сургуте, Конференция пользователе CAD-FEM, 2001.

13. Индейкин А.В., Федотова И.А., Классические задачи динамики мостов в современном изложении, С-Пб.: ЛИИЖД, 2003, с.52.25

14. Казакевич М.И., Василенко А.Г., Аэродинамика рамных пилонов и опор,

15. Днепропетровск: ДИИТ, «Теория колебаний, динамика и статика мостов», Межвузовский сборник научных трудов, 1991.

16. Катаев С.К., Исследование влияния некоторых факторов воздействия подвижной нагрузки на динамическую реакцию вантового моста большого пролета, Исследования стальных конструкций коробчатых мостов, Труды ЦНИИС, М.: ЦНИИС, 1988, с.57-64.

17. Кириенко В.И., Байтовые мосты, Киев: Буд1вельник, 1967, с. 144.

18. Кириенко В.И., Байтовый железобетонный мост, М., Бетон и железобетон, №6, 1965. ^ Колюшев И.Е., Проект нового моста через р.Даугаву в Риге,

19. М.: Тимр, Вестник мостостроения , №1-2,2004. 35. Крыльцов Е.И., Байтовые мосты, М.: ТрансЖелдориздат, 1935, с.239. ^ Локшин М.З., Сиротинский М.С., Алюминиевые конструкции в мостостроении, Транспортное строительство, № 10,2002.

20. Малинин Н.Н., Прикладная теория пластичности и ползучести, М.: Машиностроение, 1975. Матвеев А.В., Некоторые вопросы создания специализированного программного 38. комплекса для анализа мостовых конструкций, М.: МНИТ, Вестник МИИТа, №7, 2002.

21. Мацелинский Р.Н., Статический расчет гибких висящих конструкций, М.: Стройиздат, 1950.

22. Меркин Д.Р., Введение в механику гибкой нити, М.: Наука, 1980. Митропольский Н.М., Теории и методы пространственного расчета41. сплошностенчатых пролетных строений, Автореферат дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук, М.: ЦНИИС, 2003, с.30.

23. Михайлов В.В., Предварительно напряженные комбинированные и вантовые конструкции, М.: АСВ, 2002.

24. М.:Строиздат, 1988. . Овчинников И.Г., Висячие и вантовые мосты: эстетические проблемы, Саратов: СГТУ, 2002, с.108.

25. Пемов И.Ф., Степашин A.M., Платонов А.С., Создание мостовых сталей нового поколения с использованием природнолегированных руд Халиловского37