Сычев Павел Анатольевич. Методы оценки напряженно-деформированного состояния вант и обоснование технических требований к вантовым системам мостов

brief description

Сычев Павел Анатольевич. Методы оценки напряженно-деформированного состояния вант и обоснование технических требований к вантовым системам мостов : Дис. ... канд. техн. наук : 05.23.11 Москва, 2006 160 с. РГБ ОД, 61:06-5/2306

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО
«НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ТРАНСПОРТНОГО
СТРОИТЕЛЬСТВА» (ОАО ЦНИИС)
На правах рукописи
Сычев Павел Анатольевич
МЕТОДЫ ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО
СОСТОЯНИЯ ВАНТ И ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ
ТРЕБОВАНИЙ К ВАНТОВЫМ СИСТЕМАМ МОСТОВ
Специальность 05. 23. 11
“Проектирование и строительство дорог,
метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей”
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель: д.т.н. А.С.Платонов
МОСКВА - 2006
Содержание:
Введение 4
ГЛАВА 1 Краткий аналитический обзор 6
1.1 Тенденции развития вантовых пролетных строений 6
1.2 Конструктивные особенности существующих вантовых систем 14
1.3 Методы оценки напряженно-деформированного состояния вант 22
1.4 Применение программных расчетных комплексов для оценки
напряженно-деформированного состояния вантово-балочных пролетных строений 31
1.5 Выводы по главе 1, цель и задачи исследования 34
ГЛАВА 2 Методы оценки напряженно-деформированного состояния вант 38
2.1 Методы оценки напряженно-деформированного состояния вант
на стадиях монтажа и эксплуатации 41
2.2 Метод последовательных приближений при анализе вантово¬балочных пролетных строений 46
2.3 Метод оценки изгибных напряжений в анкерной зоне вант 50
2.4 Адаптация программного расчетного комплекса
MSC_NASTRAN к расчету вантово-балочных систем 53
2.5 Выводы по главе 2 64
ГЛАВА 3 Экспериментальные исследования на натурных объектах 66
3.1 Автодорожный мост с однопилонным вантово-балочным
пролетным строением через р.Обь около г.Сургута 68
3.2 Городской мост с вантово-балочным пролетным строением
через р.Неву на КАД г.Санкт-Петербурга 85
3.3 Выводы по главе 3 96
ГЛАВА 4 Обоснование технических требований к вантовым системам 99
4.1 Конструктивные требования к узлам крепления вант 101 
з
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 4
Основные выводы и результаты работы Список использованной литературы
Приложение А Мировые тенденции сооружения вантово-балочных мостов Приложение В Обзор рынка производителей вантовых и висячих систем Приложение С Техническое задание на изготовление, поставку, натяжение и защиту вант для моста через р.Москву на участке Краснопресненского проспекта от МКАД до проспекта Маршала Жукова

ВВЕДЕНИЕ
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.

bibliography

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 MSC_NASTRAN) 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.
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.