Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
СТУКОВ Валерий Павлович
КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
И ТЕОРИЯ РАСЧЕТА ДЕРЕВОЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ
ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ БАЛОЧНЫХ АВТОДОРОЖНЫХ
МОСТОВ
05.23.11. Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей
А В Т О Р Е Ф Е Р А Т
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Архангельск
2011
Работа выполнена на кафедре Автомобильные дороги федерального государственного
автономного общеобразовательного учреждения высшего профессионального образова-ния Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова
Научный доктор технических наук, профессор
консультант Смирнов Владимир Николаевич
Официальные доктор технических наук, профессор
оппоненты Саламахин Павел Михайлович
доктор технических наук, профессор
Белуцкий Игорь Юрьевич
доктор технических наук, профессор
Васильев Виталий Захарьевич
Ведущая организация ФГУП РосдорНИИ
Защита состоится 19 апреля 2012 г. в _____ часов на заседании диссерта-
ционного совета ВАК РФ Д 212.126.02 при федеральном государственном
общеобразовательном учреждении высшего профессионального образования
Московский автомобильно-дорожный государственный технический универ-
ситет (МАДИ) по адресу 125319, Москва, Ленинградский проспект, 64, ауд.42,
телефон для справок (499)155-93-24.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского автомо-
бильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ).
Отзывы на автореферат, заверенные печатью, просьба в двух экземплярах,
а копию отзыва просим присылать по e-mail:uchsovet@madi/ru.
Автореферат разослан л____ марта 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета __________________ Борисюк Н.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы определяется практически отсутствием в отечественном мосто-строении опыта применения деревянных и деревожелезобетонных мостов современной конструкции, которые успешно эксплуатируются в США, Канаде и странах Скандиина-вии, при среднем сроке службы 50 лет и более при стоимости, равной 2/3 стоимости стального или железобетонного.
В России число мостов, построенных из клееной древесины, не превышает сотни, а с деревожелезобетоными балками - десятка. Отечественное мостостроение теряет, если уже не потеряло, целое направление развития деревянных мостов, по мировой оценке Ц экономичных, долговечных, простых в строительстве, экологичных, возводимых из стро-ительного материала, который самовосстанавливается в природе, Современный деревян-ный мост с пролетными строениями из клееной древесины, в том числе совместно с же-лезобетоном, должен занимать достойное место в отечественном мостостроении.
Успешное развитие мостов с деревожелезобетонными пролетными строениями воз-можно с использованием современных методов проектирования, в частности системно-го подхода, где учтены взаимосвязь конструктивных и организационно-технологических решений пролетных строений при необходимости их совместного рассмотрения уже на ранних этапах проектирования.
Разработке подлежит конструктивно-технологическая система деревожелезобетон-ных пролетных строений (КТС).
В нашем случае системообразующим элементом является деревожелезобетонное про-летное строение, а технология строительства - подчиненным. Системообразующие меха-низмы являются основными факторами, обуславливающими формирование и функци-онирование КТС.
Аспект развития КТС деревожелезобетонных пролетных строений характеризует рет-роспективу и перспективу их функционирования. Он необходим для понимания генезиса КТС, альтернативных путей ее развития.
Успех формирования КТС деревожелезобетонных пролетных строений зависит от обеспеченности рассматриваемого вопроса: информации по построенным и эксплуати-руемым мостам, наличия нормативных документов, конструкционных решений, типовых проектов, отработанных на практике технологий и организационных решений и т. п. При отсутствии или явной недостаточности исходных данных существенно возрастает роль научных исследований, поскольку они сужают круг неопределенностей и позволяют ускорить фомирование КТС. Отсюда цель и направления исследований, что подчерки-вает актуальность диссертационной работы.
Цель и задач исследований. Целью диссертационной работы является разработка КТС деревожелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов на основе разра-ботки конструкции, методов ее расчета и технологии производства.
На реализацию поставленной цели направлено решение следующих основных задач:
1. Разработка структурной модели КТС Деревожелезобетонное пролетное строение;
2. Теоретические исследования напряженно-деформированного состояния деревоже-лезобетонной балки;
3. Исследования клееной древесины и ее состояния после длительного периода эксп-луатации в мостовом сооружении; обоснование целесообразности использования кле-еной древесины совместно с железобетоном; принятие наиболее эффективной конст-рукции соединения ветвей композитной балки; разработка теории расчета жесткости соединения ребра и плиты; деревожелезобетонной балки как одиночной, так и в составе пролетного строения; решение вопросов ее рационального решения;
4. Теоретические и экспериментальные исследования деревожелезобетонных балок с
ребрами из клееной и цельной древесины при различных видах связей между ребром и плитой балки;
5. Разработка программ расчета деревожелезобетонных балок и пролетных строений из них;
6. Исследования конструирования железобетонной плиты и деревожелезобетонных пролетных строений в целом; разработка конструктивных решений объединения ребра и плиты деревожелезобетонной балки;
7. Разработка конструктивных решений деревожелезобетонной балки, узлов, конст-рукций сопряжений с опорами моста;
8. Исследования технологии производства массивных большепролетных клееных ба-лок с целью их качественного изготовления и применения в мостостроении; разработка технологической оснастки для изготовления плит балок;
9. Разработка проектов опытных деревожелезобетонных пролетных строений и внед-рение предложенных методов расчета в проектирование новых, реконструкцию старых мостов и учебный процесс вузов.
Решение этих задач проводилось частично в соответствии с научно-технической программой ГКНТ Автомобильный транспорт по подэтапу НIB (письмо 55-М/181 от 29.12.87 г. с решением Координационного совета программы) и планом научно-иссле-довательской работы АЛТИ (г. Архангельск) с 1985 по 1997 гг. (номера государственной регистрации тем 018500239878, 01860040980, 01890048791, 01900009591, 01920011332, 01930004360, 01940003027, 01960010834). Автор диссертации являлся руководителем и ответственным исполнителем научно-исследовательских работ.
Методика исследований определена спецификой разрабатываемой тематики. Мето-дологической базой разработки КТС деревожелезобетонных пролетных строений послу-жили работы, связанные с системотехническим методом проектирования. В основе на-учных исследований по использованию клееной древесины и железобетона в комбини-рованных балках пролетных строений автодорожных мостов лежат теоретические иссле-дования работы нагеля в древесине, жесткости нагельного соединения ветвей балки, исследования напряженно-деформированного состояния балки и метод расчета при при-нятом виде связей, предложенный автором метод пространственного расчета балочных пролетных строений, в совокупности определяющие направленность эксперименталь-ных исследований, лабораторные и натурные эксперименты балок и пролетных строе-ний, опытное проектирование и строительство.
Достоверность научных положений, выводов и методики подтверждена современ-ными физико-техническими методами исследований и апробации, удовлетворительной сходимостью теоретических и экспериментальных данных, положительными результа-тами апробации и внедрений, практикой проектирования, строительства и эксплуатации мостовых сооружений.
Научная новизна
Разработана структурная модель КТС Деревожелезобетонное пролетное строение, выделены подсистемы и установлены связи между ними.
Для аргументированного описания входных параметров и показателей качества на выходе КТС:
1. Выполнены комплексные исследования состояния клееной древесины после дли-тельной эксплуатации в мостовом сооружении и на их основе показана целесообразность ее использования в современном отечественном мостостроении;
2. Разработаны основы расчета жесткости нагельного соединения ветвей деревожеле-зобетонной балки;
3. Созданы теоретические основы расчета балки деревожелезобетонного пролетного строения как составного стержня с упругоподатливыми связями сдвига между ветвями с принятим в расчетах дискретных связей при напряжениях по контакту с древесиной, не превышающих сопротивления смятию. Получены решения для нагрузок и температур-ных воздействий;
4. Разработан пространственный метод расчета, рассматривающий поперечную кон-струкцию пролетного строения как многопролетную неразрезную балку на упругоосе-дающих и упругоповорачивающихся опорах, для расчета пролетных строений с цельны-ми и составными балками;
5. Проведены теоретические и экспериментальные исследования деревожелезобетон-ных балок с ребрами из клееной и цельной древесины и сборной железобетонной плитой, исходя из которых определены особеннности и дана оценка силового взаимодействия деревянных балок с железобетонной плитой как ветвей составного стержня, исследова-ны деформации растяжения-сжатия вдоль волокон древесины, сдвига, отрыва-прижа-тия между ветвями, прогибы балок, бимодульность древесины в изгибаемом элементе;
6. Произведено сравнение результатов теоретических и экспериментальных иссле-дований с использованием теории и программ расчета, разработанных автором;
7. Выполнены исследования деревожелезобетонных пролетных строений, позволив-шие внести новые предложения по разработке их конструкции;
8. Разработаны конструктивные решения балки, узлов для деревожелезобетонного пролетного строения; конструкции сопряжений с опорами моста; решены вопросы раци-онального решения балки деревожелезобетонного пролетного строения;
9. Предложены конструктивно-технологические решения объединения плиты и ребра деревожелезобетонной балки с использованием нагельного соединения;
10. На опыте реконструкции пролетных строений реального объекта показана необ-ходимость и эффективность комплексного решения вопросов совершенствования дере-вожелезобетонных пролетных строений на основе научных исследований.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Практическая зна-чимость подтверждается внедрением диссертационного исследования.
Разработана структурная модель КТС Деревожелезобетонное пролетное строение, выполнены научные исследования, теория расчета, необходимые для аргументации опи-сания входных параметров КТС и ее показателей качества на выходе. Полученные ре-зультаты дают возможность:
1. Использовать результаты исследований состояния клееной древесины после дли-тельной эксплуатации в мостовом сооружении в проектировании и назначении сроков эксплуатации современного деревянного моста;
2. Использовать теорию расчета жесткости нагельного соединения ветвей деревоже- лезобетонной балки как составного стержня с упругоподатливыми связями между вет- вями, разработанный и внедренный программно-математический комплекс в исследо-ваниях и проектировании строительных конструкций с целью их совершенствования или создания новых конструктивных форм;
3. Продолжить исследования деревожелезобетонных балок и пролетных строений из них на основе выполненных экспериментальных исследований с расширением и конкре-тизацией перечня параметров, требующих отражения в комплексных исследованиях;
4. Использовать результаты исследований деревожелезобетонных пролетных строе-ний, их конструкционные решения, предложения по рационализации, конструкции сопряжений пролетных строений с опорами моста в практике мостостроения;
5. Использовать результаты исследований производства и рекомендации по улучше-нию качества изготовления массивных большепролетных балок для их широкого внед-рения в современное отечественное мостостроение. Продолжить разработку конструк-тивно-технологических решений объединения плиты и ребра деревожелезобетонной балки на основе выполненных исследований и предложений;
6. Считать положительным опыт проведенной реконструкции пролетных строений с деревожелезобетонными балками, разработку технологической оснастки для изготовле-ния сборных железобетонных плит деревожелезобетонных пролетных строений, внедре-ние результатов научных исследований и программ расчета в практику проектирования и учебный процесс вузов. Все внедрения подтверждены актами внедрения.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
Структурная модель КТС Деревожелезобетонное пролетное строение, разработан-ная на основе системотехнического метода проектирования мостов. Для аргументации описания входных параметров и показателей качества на выходе КТС выносятся на рассмотрение:
- результаты комплексных исследований состояния клееной древесины после дли-тельной эксплуатации в мостовом сооружении;
- целесообразность использования клееной древесины совместно с железобетоном и нагельного соединения ветвей деревожелезобетонной балки;
- теория расчета жесткости нагельного соединения ветвей деревожелезобетонной балки как составного стержня;
Ц теоретические основы расчета балки деревожелезобетонного пролетного строения как составного стержня с упругоподатливыми связями сдвига между ее ветвями при принятии в расчетах дискретных связей при напряжениях по контакту с древесиной, не превышающих сопротивления смятию древесины. Получены решения для нагрузок и температурных воздействий;
Ц пространственный метод расчета, рассматривающий поперечную конструкцию пролетного строения как многопролетную неразрезную балку на упругооседающих и упругоповорачивающихся опорах, которыми служат главные балки пролетного строения, для расчета пролетных строений с цельными и составными балками;
Ц результаты теоретических и экспериментальных исследований деревожелезобетон-ных балок с ребрами из клееной и цельной древесины и сборной железобетонной пли-той, в которых раскрыты особенности и дана оценка силового взаимодействия балок из древесины с железобетонной плитой как ветвей составного стержня, исследованы деформации растяжения - сжатия вдоль волокон древесины, сдвига, отрыва - прижатия между ветвями, прогибы балок, бимодульность древесины в изгибаемом элементе;
Ц сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований с испо-льзованием теории и программ автора;
Ц программы расчета деревожелезобетонных балок и пролетных строений из них;
Ц результаты исследований деревожелезобетонных пролетных строений и конструк-тивные решения балки, узлов, пролетных строений в целом и их сопряжений с опорами моста; рациональные решения балки деревожелезобетонного пролетного строения;
Ц результаты исследований технологии производства массивных большепролетных деревоклееных балок для мостостроения, конструктивно-технологические решения
объединения ребра и плиты деревожелезобетонной балки с использованием нагельного
соединения; разработки технологической оснастки для изготовления плит пролетного строения;
Ц разработанные проекты опытных пролетных строений; результаты внедрения мето-
дов расчета и конструирования в проектирование при реконструкции мостов на автодо-
рогах Архангельской области и в учебном процессе вузов.
Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее разделы док- ладывались на научно-технических конференциях С(А)ФУ) им. М.В. Ломоносова (ранее АЛТИ, АГТУ) в 1975 Ц 2004 гг., МАДИ в 1985 - 1988 гг., СПбГАСУ (ранее ЛИСИ) в 1989 - 1994 гг., 2001 - 2003 гг., на семинаре-совещании по эксплуатации мостов в Ма-монтовке Московской области (Дорожный департамент РФ) в 1995 г., на семинаре-сове-щании мостовиков РФ (МоскваЦХельсинки) 1997 г., на международных научно-практи-ческих конференциях по проблемам развития автомобильно-дорожного комплекса Рос-сии в СПбГАСУ в 1997 г. и реконструкции и ремонту зданий и сооружений на Севере в АГТУ в 1992 г.; на Всероссийской научно-практической конференции Современные технические решения по повышению надежности и долговечности искусственных сору-жений и безопасности движения по ним ( 2001 г., Геленджик); Новые технологии, конструкции и материалы при строительстве, реконструкции и ремонте автомобильных дорог общего пользования РФ ( 2002 г., Геленджик); на Международной научно-практи-ческой конференции Реконструкция Санкт-Петербурга 2003 ( 2002 г., СПбГАСУ), на расширенных заседаниях кафедры Мосты и тоннели Автодорожного института СПбГАСУ (2003 г., 2004 г., 2007 г.), на расширенном заседании кафедры Мосты ПГУПС (2006 г.), на расширенном заседании кафедры Мосты и транспортные тоннели МГАДТУ (МАДИ) (2009 г., 2011г), на расширенном заседании кафедры Автомобиль-ные дороги С(А)ФУ им. М.В. Ломоносова ( 2011 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы в 54 работы, в том числе четыре монографии и два учебных пособия, один патент на изобретение, а также в 8 научно-технических отчетов.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 453 страницах. Состоит из введения, девяти разделов, общих выводов, в том числе 167 рисунков и 39 таблиц, спи-сок литературы из 154 источников. Представлены 4 акта внедрения результатов иссле-дований в производство, проектирование, учебный процесс вуза и приведены структур-ные схемы алгоритмов разработанных программ Сomby-E, Comby-T, Расмос, использование которых позволяет выполнить комплекс расчетов при проектировании деревожелезобетонных пролетных строений.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение
На современном этапе накоплен значительный опыт строительства и эксплуатации мостов из древесины. Способность древесины самовосстанавливаться в природе опре-деляет повышенный интерес к древесине как конструкционному материалу в мостостро-ении. Современные конструктивные решения пролетного строения моста позволяют в полной мере использовать высокие эксплуатационные качества клееной древесины и рассматривать применение железобетонной плиты для конструкционной защиты и эко-номии клееной древесины.
Значительный вклад в совершенствование мостов из древесины и железобетона внесли инженеры Б.А. Глотов, П.П. Рожко , В.И. Кулиш, И.Ю. Белуцкий, Ю.С. Глибовицкий, Ю.О. Мельников, В.В. Накашидзе, Р. Гутковский и др. Анализ методов проектирования позволил оценить достоинства комплексного метода проектирования мостов ( Н.М. Колоколов, А.А.Цейтлин, Л.В. Захаров и др.), выявить недостатки и убедиться, что лишь в рамках развивающегося системотехнического метода проекти-рования удалось окончательно объединить конструкцию и технологию. Становление
и практическое применение системотехники связаны с работами В.В. Дружинина,
Д.С. Конторова, В.И. Николаева, Б.С. Флейшмана, А.Д. Цвиркуна, М. Азимова, Д. Брод-мента, С. Грегори, У. Кларка, А. Лонга, А. Ньюмена, Т.Б. Тейлора, Ф. Цвикки и других. Значительный вклад в развитие и внедрение в мостостроение системотехнического ме-тода проектирования внес С.Р. Владимирский. Системотехнический метод опирается на последние достижения математики, кибернетики, системологии, системотехники, инфор-
матики, компьютеростроения, других наук и рассматривает пролетное строение как цель-
ную КТС, характеризующуюся взаимосвязью проектных решений основных конструк-ций (ОК), технологии их возведения (ТП), вспомогательных конструкций (ВК). Разра-ботка КТС деревожелезобетонного пролетного строения позволит ускорить процесс внедрения современных деревянных мостов в отечественное мостостроение.
В первом разделе изложено состояние вопроса исследований. Особое внимание уде-лено комплексному методу проектирования как предшественнику системотехнического, в рамках которого решается вопрос проектирования КТС деревожелезобетонного пролет-ного строения. Исследованы общие принципы построения КТС.
Круг рассматриваемых вопросов определен подготовкой к проектированию КТС
деревожелезобетонного пролетного строения в условиях недостаточной информации по формированию входных параметров КТС и ее показателей качества на выходе.
Исследована специфика строительства мостов в Архангельской области. Состояние клееной древесины после длительной эксплутации в условиях жесткого температурно-влажностного режима, особенности конструкции мостов, накопившиеся дефекты и их влияние на конструкцию представляют интерес для формирования оценки долговеч-ности, соответствия конструкции условиям эксплуатации и т. п.
Для разработки подсистемы ОК необходимо знание специфики материалов и конст-руктивных решений деревожелезобетонных пролетных строений. С применением желе-зобетонной плиты улучшается распределение временной нагрузки между балками про-летного строения, появляется конструкционная защита и стабилизируется оптимальный температурно-влажностный режим для клееной древесины, снижается ее расход. Объе-динение плиты и ребра для совместной работы позволяет увеличить несущую способ-ность и жесткость пролетного строения. Пролетное строение с деревожелезобетонными балками становится капитальным, рассчитанным на длительные сроки эксплуатации не только в нормальных условиях эксплуатации, но и в условиях промышленных зон с повышенной концентрацией в атмосфере кислот и щелочей.
В случае применения железобетонной плиты улучшаются не только конструктивные, эксплуатационные характеристики пролетного строения, но имеет место и экономия кле-еной древесины до 25 % в зависимости от длины пролета балки (рис. 1). Коэффициент составности сечения ψ характеризует долевое участие объединенного сечения как цель-ного в работе на внешнюю нагрузку при принятом виде связей. График демонстрирует устойчивую экономию клееной древесины для балки комбинированного сечения, облада-ющего составностью.
Рассмотрены особенности конструк-ции плиты в монолитном и сборном исполнении и различные конструктив-ные типы соединений железобетонной плиты с деревоклееной балкой. Надеж-ную работу показали нагельные соеди-нения. Выполнен анализ литературных источников.
Специфика напряженно-деформиро-ванного состояния балки комбиниро-ванного сечения с упругоподатливыми
связями между ветвями, использование
Рис.1. Эффективность включения в работу деревожелезо- в качестве этих связей нагельного сое-
бетонных балок: а, б - расход и экономия клееной динения предопределили выбор мате-
древесины тического аппарата расчетов. Отмеча-
ется существенное влияние жесткости соединения ветвей на напряженное состояние бал-
ки комбинированного сечения. Рассмотрены три основных направления в оценке подали-вости по шву сопряжения ребра и плиты составных балок: в основу первого положена теория составных стержней (А.Р. Ржаницын, Ю.О. Мельников), второго - функционал приведения (В.И. Кулиш, А.А. Поречин, И.Ю. Белуцкий), третьего - корректировка коэффициента приведения (Е.Е. Гибшман).
Правильный подход к учету пространственной работы пролетного строения позвляет снизить материалоемкость, получить экономичные мостовые конструкции. Работа под нагрузкой пролетного строения с деревожелезобетонными балками, имеющими упру-гоподатливые связи между ветвями балки, существенно отличается от работы пролетного строения с цельными балками, что учтено в предложенном автором методе расчета.
Определены проблема и направления исследований. Отмечается, что разработка КТС предполагает как формирование подсистем КТС, так и связей между ними, то есть явля-ется комплексной.
Исследования и разработки необходимо выполнить по ряду направлений: системотех-ника; особенности напряженного состояния; теория расчета жесткости нагельного соеди-нения ветвей деревожелезобетонной балки; теория и методы расчета деревожелезобетон-ной балки как отдельного элемента, так и в составе пролетного строения; теоретические и экспериментальные исследования и сравнение их результатов; конструкция; состоя-ние клееной древесины после длительной эксплуатации в построеннных мостах и сох-ранность ее первоначальных качеств; технология производства клееной древесины для мостостроенния; конструктивно-технологические вопросы объединения плиты и ребра деревожелезобетонной балки.
В конце раздела сделаны соответствующие выводы.
Во второй разделе рассмотрены исследования пролетных строений мостов с балка-ми из клееной древесины при длительной эксплуатации в условиях Европейского Се-вера России. В отечественном мостостроении насчитывается не более сотни сооруже-ний с пролетными строениями из клееной древесины, треть из них расположена на территории Архангельской области. Специфика климата и разнообразие конструктив-ного исполнения балочных мостов при отсутствии должного надзора при эксплуатации дали интересный материал для исследований, что позволило оценить состояние моста и материалов, проанализировать недостатки конструктивных элементов и конструкции в целом и самое главное - состояние и целесообразность использования композитного материала - клееной древесины. Для удобства анализа все дефекты классифицируются как дефекты проектирования, изготовления, строительства и эксплуатации. В диссерта-ции приведены подробные таблицы недостатков и дефектов по 28 мостам. Почти у 60 % мостов разрушен продольный деревянный настил, в 30 % - поперечный, 50 % мостов обнаружено загнивание древесины элементов (в основном неантисептированная древе-сина настила), у 36 % разрушению подвержены деревоклееные балки. Несоответствие конструктивного исполнения требованиям капитальности конструкции во многом уси-лило дефектообразование. В пролетных строениях с деревожелезобетонными балками железобетонная плита является важным элементом конструкционной защиты клееной древесины, и разработка конструктивно-технологичской системы пролетных строений способствует обеспечению длительных сроков их эксплуатации.
Исследования степени сохранности качества клееной древесины выполнено на 4-х балках длиной 18 и 12 балках длиной 9,5 м, изготовленных на клее ФР-12, после 20 лет эксплуатации в мостовом сооружении. Определялась степень расслаивания клеевых сое-динений, оцениваемая коэффициентами относительного расслоения Кр (0,005...0,25) и относительной сохранности Кс (0,02...0,21), что позволило оценить состояние клееной древесины после длительной эксплуатации как удовлетворительное с возможностью дальнейшего использования балок в мостовой конструкции.
По завершении исследований сделаны соответствующие выводы.
Третий раздел посвящен разработке КТС Деревожелезобетонное пролетное стро-ение . При рассмотрении КТС как самостоятельной системы на уровне макропроекти-рования оптимальные решения получаем по функциональной схеме процесса макро-проектирования объекта. Рассмотрены КТС в представлении И/ИЛИ-графа или фреймо-вой модели.
Все операции по проектированию КТС Деревожелезобетонное пролетное строение исходили из общих задач проектирования КТС, когда выполняется поиск таких значений параметров, которые, с одной стороны, отвечали исходным требованиям, а с другой - соответствовали бы наилучшим показателям качества системы:
КТС = {С,П,О,Р},
где С - множество целей КТС; П = {К,В,Т,М} - множество подсистем КТС, в котором К,
В, Т, М - соответственно множества элементов подсистем ОК, ВК, ТП, М; О = {Oi} Цмно-
жество операторов соответствия; Р = {Рi} - множество параметров КТС.
На стадии рабочей документации
КТС = ОК - ВК - ТП - М.
Вначале формируют множества допустимых вариантов Q⊆ Ω(ОК + ВК) и S ⊆ Ω (ТП + М), где Ω - множество допустимых вариантов КТС. Затем из множества V = Q х S ⊆ Ω методами многокритериальной оптимизации получают оптимальный вариант сис-темы Ωоп. В дальнейшем в процессе детального проектирования по частным методикам оптимизации уточняют решения по комплексам (ОК + ВК) и (ТП + М) для принятого варианта КТС.
Разработана структурная модель КТС деревожелезобетонного пролетного строения.
Рассмотрены два случая прямого метода составления вариантов. В первом - разраба-тываются составляющие подсистемы ОК ребро и плита, а затем и пролетное строение в целом. Во втором - разрабатывается КТС пролетного строения в целом. Во втором слу-чае после разработки схемы формирования множества вариантов КТС (рис. 2, а) и струк-турно-логической схемы прямого метода составления вариантов пролетного строения (рис. 2, б) выполнен завершающий этап Ц разработка КТС деревожелезобетонного стро-ения (рис. 3) и направлений ее развития.
а) б) На рис. 2, б цифры обозначают сле-
дующие процедуры при составлении
вариантов:
1 - определение оптимальных параметров
КТС; 2 - формирование множества возмож-
ных вариантов пролетного строения (ОК);
3 - то же технологии изготовления и мон-
тажа пролетного строения (ТП); 4 - то же
вспомогательных конструкций; 5 - то же
вариантов КТС; 6 - добавление нового ва-
рианта КТС в множество Ω; 7 - проверка:
есть ли еще варианты компонентов систе-
мы, на основании которых можно постро-
ить новый вариант КТС; 8 - определение
показателей системы по вариантам.
Рис. 2. Проектирование КТС деревожелезобетонного
пролетного строения: а - схема формирования множества
вариантов КТС; б - структурно-логическая схема метода
составления вариантов КТС
Рис. 3. Структурная модель КТС Деревожелезобетонное пролетное строение
Развитие КТС пролетного строения предполагает как оптимизацию, так и совер-шенствование. Анализ необходимых данных на входе в процесс оптимизации КТС в виде комплекта требований показал их недостаточность или отсутствие, что исключает опти-мизацию. Прорабатывались направления совершенствования КТС за счет уменьшения вариантов, входящих во множества вариантов подсистем КТС. Для этого необходимо выполнить ряд теоретических и экспериментальных исследований.
На рис.3 представлена структурная модель КТС Деревожелезобетонное пролетное строение.
На входе КТС имеем параметры: а) требования, в том числе: Кп - к потребительским качествам, Аэ Ц архитектурно-эстетические, Эр Ц эргономические, Эк Ц экологические, Эт Ц эксплуатационные, Кт Ц расчетно-конструкционные, Тт Ц технологические; б) Хм Ц
характеристики конструкционных материалов; в) ограничения, в том числе: Эо - эконо-мические, Ро Ц ресурсные; г) проектные решения, в том числе: Кр - основных конст-рукций, Крв - конструктивные решения вспомогательных конструкций, Тр - техноло-гические, Мр Ц по механизации, Ор - по организации строительства, Эп Ц экономи-ческие параметры.
На выходе КТС представлены показатели качества, которые предъявляются в соот- ветствии с требованиями к деревожелезобетонному пролетному строению: Пн - назначе-ния, Пк - конструктивности, Пэ - экономичности; Пэс - эстетичности, Пэр - эргономичности, Пэк - эксплуатационных качеств, Пэкол - экологичности, По - организационных качеств, Пт - технологичности, Пу - управляемости. Согласно требованиям системотехнического метода проектирования задача проектирования КТС состоит в поиске таких значений параметров, которые, с одной стороны , отвечали бы исходным данным, а с другой - соответствовали бы наилучшим значениям показателей качества объекта, что, по мере возможностей, предусматривается в формировании КТС Деревожелезобетонное пролетное строение. Согласно С.Р. Владимирскому функциональные отношения между входными факторами, параметрами проектных решений и показателями качества проекта в общем виде
могут быть представлены следующим образом:
Пн = f1 (Кп, Эт, Кт, Кр, Крв, Эп); Пк = f2 (Аэ, Кт, Хм, Кр, Крв, Эп);
Пэ = f3 (Кп, Эо, Эп); Пэс = f4 (Кп, Аэ, Эр, Кр, Эп);
Пн = f1 (Кп, Эт, Кт, Кр, Крв, Эп); Пэк= f2 (Аэ, Кт, Хм, Кр, Крв, Эп);
Пэ = f3 (Кп, Эо, Эп); Пэс = f4 (Кп, Аэ, Эр, Кр, Эп);
По = f9 (Кр, Оп, Крв, Эп);
При проектировании КТС следует стремиться максимально приблизить входные параметры и выходные показатели качества, но ни в коем случае не ставить между ними знак равенства. Некоторые параметры в частном случае могут быть равны показателям качества, но большинство показателей качества получают за счет преобразования пара-метров посредством приведенных выше операторов.
В конце раздела сделаны выводы:
1. Разработана структурная модель КТС Деревожелезобетонное пролетное строение, в которой выделены ее цель, основные подсистемы, их взаимосвязи, состав и связи элементов, их связь с внешними факторами и показателями КТС;
2. Разработка структурной модели Деревожелезобетонное пролетное строение позво-ляет систематизировать вклад отдельных элементов, подсистем и факторов в глобальную эффективность КТС. Тем самым дается возможность уточнить и детализировать направ-ления исследований взаимосвязанных аспектов функционирования и применения КТС с целью совершенствования системы в целом.
В четвертом разделе представлена разработанная автором теория расчета дере-вожелезобетонных балок как одиночных, так и в составе пролетного строения.
Деревожелезобетонные балки являются балками комбинированного сечения и относятся к составным стержням (рис. 4). В расчетах поперечные связи приняты жест-кими, связи сдвига Ц упругоподатливыми. Согласно А.Р. Ржаницыну подобное прибли-жение во многих практических случаях является вполне приемлемым, приводит к зна-чительным упрощениям как всего хода решения, так и окончательных формул. Упруго-податливые связи сдвига в зависимости от конструкционного исполнения создают раз-личную жесткость объединения ветвей балки. Сдвиг по плоскости контакта плиты и реб-ра балки за счет податливости связей сдвига вызывает перераспределение напряжения в частях сечения балки. Увеличение податливости соединения ведет к повышению краевых напряжений. Чрезмерное увеличение жесткости связей также нежелательно, поскольку ухудшается работа деревожелезобетонной балки на действие сдвигающих усилий.
Решение задачи жесткости объединения ветвей деревожелезобетонной балки явля-ется одним из основополагающих, поскольку в последующем позволяет разрабатывать альтернативные направления теории расчета деревожелезобетонных балок как компо-зитных балок с упругоподатливыми связями между ветвями балки. Решению задачи жесткости соединения ветвей балки посвящены работы А.Р. Ржаницына, Ю.О. Мель-никова, В.И. Кулиша, А.А. Поречина, И.Ю. Бе-луцкого, Е.Е. Гибшмана, А.В. Шумахера.
В теории расчета ветви балки, то есть ребро
и плита, объединены нагельными соединениями.
Стальные нагели одним концом заделаны в бе-тон плиты, другим Ц в древесину балки и явля-ются дискретными связями, установленными с определенными интервалами по длине балки. При действии сдвигающих сил по шву объеди-динения древесина ребра и бетон плиты по кон-
Рис. 4. Балка комбинированного сечения - такту с нагелем испытывают деформации. Древе-
составной стержень сина представляет некую упругую среду, и в об-
аЦбалка с нагельным соединением ветвей; щем случае нагель можно рассматривать как бал-
бЦсхема связей ку, лежащую на упругом основании и загружен-
ную на конце изгибающим моментом и поперечной силой. В случае вклеенного в древе-сину нагеля в работу включаются как сжатая, так и растянутая граничные зоны дре-весины. Упругое Винклеровское основание, рассматриваемое в расчетах, является дву-сторонним. При постановке нагеля в заранее рассверленные отверстия насухо осно-вание рассматривается как одностороннее.
При решении использован метод начальных параметров, достаточно широко приме-няемый в практике расчетов. Расчеты выполнены в матричной форме, удобной для программирования.
Нагель в древесине работает в сложном напряженно-деформированном состоянии. В общем случае его можно рассматривать как балку, лежащую на двустороннем упру-гом основании и загруженную на конце неизвестным изгибающим моментом M0, по-перечной силой Q0 которой является сдвигающее усилие Т на границе соединения плитаЦребро деревожелезобетонной балки в месте нагеля. Под действием на нагель-ное соединение силы Т нагель изогнется и ветви балки за счет совместных деформа-
ций древесины ребра и бетона плиты сместятся относительно друг друга Δ = Δd +Δb
(Δd, Δb Ц деформации древесины и бетона соответственно). Предполагается, что дефор-
мации - упругие, для древесины не превышают прочностной характеристики на смятие,
поскольку в противном случае соединение получит остаточные деформации и не будет
работать упруго на внешнюю нагрузку.
Для нагельного соединения Т = Т н. Заданная (а) и основная (б) системы приведены на рис. 5; расчетная схема - на рис. 6.
Рис. 5. К расчету нагельного соединения: а - заданная Рис. 6. Расчетные схемы: а - для нагеля в древесине;
система; б - основная система; 1 - железобетонная б - то же в железобетонной плите
плита; 2 - деревоклееное ребро; 3 - положение нагеля
до приложения нагрузки или воздействия к балке;
4 - то же после приложения
Однородное дифференциальное уравнение упругой оси нагеля как балки, лежащей на упругом основании имеет вид
(1)
где E, I - модуль упругости материала и момент инерции площади поперечного сече-ния нагеля; y - прогиб нагеля; k - коэффициент жесткости линейного упругого осно-вания - реакция, приходящаяся на единицу длины нагеля при прогибе, равном едини-це; k = k0dн (k0 - коэффициент постели; dн - диаметр нагеля).
Полагаем, что основание обладает всеми свойствами Винклеровского упругого осно-вания.
Общий интеграл уравнения (1) имеет вид
(2)
где ξ = x/L Ц отвлеченное число, так называемая приведенная ордината;
x Ц ордината расчетного сечения; L Ц упругая характеристика балки (нагеля) и
основания, которая непосредственно зависит жесткости балки (нагеля) и ее основания и имеет размерность длины.
Для стального нагеля Е = Еs и I = Iн , где Еs и Iн Ц модуль упругости стали и момент
инерции сечения нагеля соответственно.
Обозначим x/L=αx и подставим в (2), имеем а
(3)
Дифференцируя уравнение (3) по х, получаем уравнения эпюр φх , Мх, Qx
Постоянные интегрирования С1, С2, С3 , С4 определим из условий по концам нагеля:
при х = 0 при х = l
Q = 0.
Во всех случаях постоянные интегрирования С выражаются через значения y, φ, M, Q
в пределах l , где нагрузка отсутствует, а именно в сечениях х = 0 и х = l .
Уравнение эпюры прогибов получим подставив значения С1, С2, С3 , С4 в выражение (2). При х = 0
( 4 )
Деформации в древесине в месте заделки нагеля получим из уравнения прогибов (4).
При Δd = y0; l = a; α =αd ; а ≥ 5d, где d - диаметр нагеля, когда величины тригоно-метрических и гиперболических функций таковы, что
( 5 )
Выражение (4) принимает вид
(6)
где αd - характеристика жесткости нагеля и древесины, kd= k0ddн - коэффициент жест-кости линейного упругого основания - древесины.
Сдвигающая сила Тх = Тн при х=0
(7)
Решим выражение (7) относительно φ0, принимая во внимание (5)
(8)
Подставив в выражение (8), имеем
(9)
Деформация Δb (рис. 5) определяется аналогично Δd и равна
(10)
где αb - характеристика жесткости нагеля и бетона, kb= k0bdн - коэффициент жесткости линейного упругого основания - бетона.
Жесткость нагельного соединения
(11)
где с - расстояние между нагелями.
Стальные нагели выполняют из арматурной стали кл. А-I или А-II, модуль упру-гости которых согласно нормам равен 2,06.105 МПа, и реже из А-III, модуль упругости которой равен 1,96 МПа. Коэффициенты постели древесины и бетона согласно литера-турным источникам k0d=3400 кг/см3 и k0b=1200 - 1500 кг/см3.
Подставим значения Δd и Δb из (9) и (10) в (11) и опуская промежуточные преобра-зования получим
(12)
Формула (12) позволяет выполнить ряд исследований зависимости жесткости нагель-ного соединения G от диаметра нагеля dн (рис. 7) и расстояния (шага) между нагельными соединениями по длине деревожелезобетонной балки ndн (рис. 8). В исследованиях используем среднее значение выражения в скобках формулы (12).
Из графиков на рис. 7 и 8 видно, что жесткость G существенно зависит от диаметра нагеля и его шага по длине балки. Для нагельного соединения напряжения в материале по контакту с нагелем не должны превышать напряжений смятия: для древесины Rdqs, для бетона Rb. Этим обеспечивается отсутствие расстройств объединения ветвей балки. В несущей способности нагеля Т предусмотрено условие равенства напряжений по контак-ту нагеля с древесиной расчетной характеристике Rdqs.
В работах В.И. Кулиша несущую способность дискретных связей в случае нагелей из арматурной стали с глубиной заделки в древесину 5dн ≤ а ≤ 7dн предложено определять по формуле Т = 900adн и жесткость нагельного соединения
(13)
В случае, когда нагельное соединение состоит из n1 cтержней, формулы (13) и (12) принимают вид
(14), (15)
где n - количество связующих элементов на 1 пог. м балки; Δсв = 0,04 см Ц деформации сдвига, соответствующие расчетному значению несущей способности связи (нагеля).
Рис. 7. График зависимости жесткости Рис.8. . График зависимости жесткости
нагельного соединения G от диаметра нагельного соединения G от шага
нагеля d (dн = 10, 16, 25, 32, 40 мм) соединений ndн (n = 5, 10, 15, 20, 25)
На рис. 9 представлены графики изменения жесткости нагельного соединения в зави-симости диаметра стержня нагеля dн, шага нагелей по длине балки ndн. Здесь же приве-дены графики жесткости нагельного соединения, определенные по формуле (15) при n1=1
для диаметров нагелей dн= 10, 16, 25, 32, 40 мм. Информация может быть использована для определения рационального шага нагелей по длине деревожелезобетонной балки. Погонная жесткость шва соединения GT , соответствующая несущей способности нагель-ного соединения, определена по формуле (15) при n1 =1.
Пересечение графиков жесткостей нагельного соединения GT и G для соответству-ющих диаметров нагелей дает на оси абцисс величину рационального шага нагелей по длине балки при их ранее заданных харак-теристиках. Принятие шага нагелей мень-ше рационального возможно, напряжения в древесине в зоне контакта будут меньше Rdqs,, однако будет недоиспользована их
Несущая способность. При большем шаге жесткость нагельного соединения недоста-точна, не обеспечена его надлежащая несущая способность.
В теории расчета деревожелезобетон-ной балки в случае нагельного соединения
плиты и ребра поперечные связи и связи сдвига конструктивно совмещены в одних
Рис. 9. К расчету рационального шага и тех же элементах, то есть нагелях. Для
нагелей деревожелезобетонной балки работы связей можно считать действи-
тельным закон Гука. Внутреннее напряженное состояние каждого стержня в составе сос-тавного считается полностью определенным, если известны значения моментов, нор-мальных и поперечных сил в каждом поперечном сечении.
При расчете деревожелезобетонной балки возможны следующие допущения:
1. В составном стержне, которым является деревожелезобетонная балка, где длина значительно превышает высоту ее полного сечения, влияние податливости поперечных связей невелико.
2. Поперечные связи можно считать абсолютно жесткими, поскольку предположение об абсолютной жесткости поперечных связей вполне согласуется с гипотезой об отсут-ствии поперечных деформаций в отдельных стержнях, рассчитываемых по классической теории изгиба, лежащей в основе сопротивления материалов.
Составная балка с упругоподатливыми связями сдвига часть изгибающего момента воспринимает как балка цельного сечения (М1), другую - ветвями балки, то есть ребром и плитой, вследствие сдвига между ветвями (М2) .
Опуская пояснения принимаем
М = М1 + М 2 = М0 - М с = М0 - Тс w, (16)
где М0 - изгибающий момент в балке от действия нагрузки с учетом усилий, переда-ваемых от поперечных связей и связей сдвига, то есть как в композитной монолитной балке; Тс - сдвигающее усилие, приходящееся на одну связь (нагель); w - расстояние между центрами тяжести сечений ветвей балки, то есть ребра и плиты.
Анализируя напряженно-деформированное состояние связи (нагеля), можно увидеть аналогию в ее работе с упругоповорачивающейся опорой, развивающей реактивный момент, пропорциональный жесткости при повороте и углу поворота. На рис. 10 при-ведена схема деформаций при перемещении нагеля из положения 1 в положение 2 при действии сдвигающего усилия Т между ветвями балки. При своем перемещении нагель деформирует древесину и бетон как балка на упругом основании. Он смещается не только линейно вдоль шва, но и испытывает угловые деформации. В целом, это переме-
щение представляет упругий поворот стержня нагеля в метериалах соединяемых элемен-
тов, то есть в древесине и бетоне.
При повороте нагеля в древесине как упру-
гоповорачивающейся опоры развивается мо-
мент, пропорциональный жесткости при по-
вороте μi и углу поворота γ i i-ой опоры
Мi = μi γ i (17)
Жесткость по шву сопряжения ветвей
балки GT и G согласно графикам на рис. 9
принимается по формулам (14) или (15)
соответственно.
Угол поворота согласно схеме, представ-
Рис. 10. К расчету жесткости нагельного соединения ленной на рис.10, б с учетом его малости
при повороте нагеля: а - положение нагеля в процес- найдем из выражения
се работы соединения; б - схема деформаций; 3 - нап- γ = tgγ = Δсв/lн (18)
равление поворота нагеля; 4 - древесина ребра балки; где Δсв - абсолютный сдвиг нагельного соеди-
5 - железобетонная плита ния, Δсв = Δ1с (Δ1 - деформация сдвига на 1 см
балки, с - расстояния между нагельными соединениями по длине балки, см); lн - длина
нагеля, см.
Жесткости при повороте из условия Мi = μ i γ i = Tc h/2 при Tc = GT Δсв (или G Δсв) соответственно.
(19, 20)
Сдвигающая сила, приходящаяся на нагель (рис. 5, 6)
(21)
где Q Ц поперечная сила от внешней нагрузки; Sred , I red - статический момент площади приведенного сечения и момент инерции площади приведенного сечения соответственно.
Максимальный реактивный изгибающий момент от поворота нагельного соедине-ния как опоры при Δ = Δсв и Q = Q0, кН.м,
(22). Обозначим , тогда М0 = mQ. (23)
На рис.10 приведены заданная система и две возможные основные системы. В основ-ной системе 1 за основу принят составной стержень лишенный связей, с последующим учетом усилий в связях сдвига, сопротивления смещению связей вследствие их податли-вости; системе 2 - составной стержень с поперечными связями и связями сдвига с после-дующим учетом сопротивления смещению связей вследствие их податливости, что отра-жено в формуле (16).
Предлагаются следующие методика и порядок расчета:
1. На нагрузки до объединения ребра с плитой элементы (ветви) сечения рассчиты-ваются как самостоятельные известными способами расчета.
2. На все последующие нагрузки сечение балки рассчитывается как составное ком-бинированное с учетом упругой податливости связей сдвига.
Деревожелезобетонная балка работает на внешнюю нагрузку в две стадии. На 1-й стадии получаем деформации и усилия в балке, составленной из различных материалов, вследствие упругой податливости связей сдвига между ветвями сечения при действии внешней нагрузки. Это деформации балки с сечением, составленным из ребра и плиты, несвязанными друг с другом, и усилия в ребре и плите как самостоятельных элементах. На 2-й стадии определяются деформации и усилия в балке, работающей цельным сече-нием, составленным из различных материалов, на часть нагрузки после реализации сдвига.
Предложены два подхода к расчету деревожелезобетонной балки как составного стержня:
Первый подход - на 1-м этапе расчета рассматривается многопролетная неразрезная балка на упругоподатливых опорах, которыми являются связи сдвига с пролетами с, равными расстоянию между этими связями. При загружении внешней нагрузкой Р сдви-говые моменты М являются реактивными моментами опор и результатом расчета явля-ются усилия и деформации деревожелезобетонной балки после реализации сдвига, когда она на соответствующую часть нагрузки Р работает цельным сечением, т. е. во 2-й стадии. На 2-м этапе рассматривается однопролетная свободно опертая балка цельного сечения пролетом l и определяются усилия и деформации от внешней нагрузки Р.
Усилия и деформации сдви-при реализации сдвига, т. е. 1-й стадии, определим как ал-гебраическую сумму резуль-тататов расчетов 1-го и 2-го этапов. Расчет балки комби-нированного сечения с абсо-лютно жесткими поперечны-ми и упругоподатливыми связями сдвига производится методом начальных парамет-ров, который неоднократно использовался в расчетной практике и давал хорошие ре-зультаты. Используем мат-ричную форму метода, что удобно для программирова-ния и позволяет производить трудоемкие расчеты с приме-нением ЭВМ. Первый под-ход в расчетах целесообразно применять для балок неболь-шого пролета, а также при использовании на этапе рас-чета более мощных - кусто-вых нагельных соединений со значительным шагом по длине балки для иных проле-
тов балки.
Рис. 10. К расчету деревожелезобетонной балки: а - заданная система;
б, в - основные системы; г - расчетная схема
Второй подход - рассматривается однопролетная свободно опертая балка пролетом l. Балка загружена внешней нагрузкой Р и сосредоточенными моментами М. На 1-м эта-пе расчета загружение нагрузкой Р балки цельного сечения дает усилия и деформации для последующих расчетов 2-го этапа. В частности, поперечные силы Q используются для формирования загружения балки реактивными изгибающими моментами в нагель-ных соединениях от сдвига ветвей, поскольку эти сдвиги пропорциональны поперечной силе. При загружении моментами М решаются задачи 2-го этапа, связанные с опреде-лением деформаций и усилий 1-й стадии работы балки. Усилия и деформации в балке после реализации сдвига ветвей, т. е. 2-й стадии, находим как алгебраическую сумму результатов двух этапов расчета. Преимущество подхода - структура формул функций влияния не ограничивает число пролетов и поэтому можно рассчитывать балки всех рекомендуемых пролетов. Недостаток - принятие сдвигов в нагельных соединениях по длине балки пропорциональными поперечной силе Q из расчетов 1-го этапа мера вынужденная, предназначенная для создания комплекса реактивных моментов в удаленных связях сдвига вследствие их податливости.
В первом подходе расчета общее решение линейного дифференциального уравнения четвертого порядка изгиба неразрезной балки постоянного сечения на упругоповорачива-ющихся опорах (момент на опоре 0 отрицательный) в матричной форме имеет вид
(24)
где yn - матрица, определяющая параметры балки на n-й опоре; yni, φni, Мni, QniЦ соответ-ственно прогиб, угол поворота, изгибающий момент и поперечная сила на опоре n от сосредоточенных воздействий Р, М, θ, Δ, приложенных на опоре i; y0i, φ0i, М0i, Q0iЦ то же на опоре 0, принимаемой за начальную, то есть начальные параметры, играющие роль постоянных интегрирования в общем интеграле; Аn-i, Аn, ..., Вn-i, ..., Сn- iЦ функции влияния начальных параметров и сосредоточенных воздействий на прогиб y, угол пово-рота φ, изгибающий момент М, поперечную силу Q на опорах nЦi и i; Р, М, θ, Δ - сосредоточенные внешние воздействия на балку - сила, момент, малое изменение угла (перелом оси), малый сдвиг соответственно; Ф - матрица функций влияния начальных параметров на y, φ, М, Q; y0 - матрица начальных параметров для n-й опоры; ΔP, ΔM, Δθ ΔΔ - матрицы функций влияния сосредоточенных воздействий Р, М, θ, Δ.
В расчетах принят коэффициент β, характеризующий относительную гибкость связи при кручении
(25)
где c - расстояние между связями по длине балки; E - модуль упругости древесины реб-
ра балки; Ired - момент инерции приведенного сечения балки; μ - жесткость на кручение
связи (нагельного соединения), см. формулы (19) и (20).
Эпюры y, φ, M, Q в балке . На первом этапе расчета при выводе матрицы начальных параметров рассматривается балка комбинированного сечения с n + 1 нагельными соеди-нениями, загруженная сосредоточенной нагрузкой Р (рис. 10, а). Начало поместим на ле-вом конце неразрезной балки, тогда два из четырех неизвестных начальных параметров будут заранее известными, а два других определяются из условий на правом конце балки:
М0i = - mQ0i; y0i = 0; Mni = mQni; yni = 0 (26)
Составляется система уравнений для Мni и yn сс использованием выражения (24) для Мn иi yni для нагрузки Р. Получаем выражение для начальных параметров φ0 и Q0.
Опуская преобразования и промежуточные обозначения, приходим к выражению решение которого относительно φ0 и Q0 имеет вид
где
(27)
Для вывода матриц эпюр деформаций и усилий используем выражение (24), началь-ные условия (26), равенства функций влияния. Опуская преобразования, получаем матри-цы эпюр:
а) прогибов
(28)
б) углов поворота в) изгибающих моментов г) поперечных сил
(29, 30,31)
где Фy; Ф ; ФM; ФQ - матрицы функций влияния начальных параметров на y, φ, М, Q соответственно;
- cоответствующие матрицы свободных членов систем уравнений.
Ординаты эпюры cосредоточенных изгибающих моментов в связях находим из зави-симости Мпов,ni = mQni.
Матрица эпюры cосредоточенных изгибающих моментов
(32)
На втором этапе расчетов условия на опорах А и В, т. е. 0 и n, y0 = M0= yn = Mn = 0. Выражения матриц деформаций и усилий λx, λφ, λM, λQ получаем из (28)-(31). Функции влияния рассчитываются как для балки постоянного сечения по соответствующим фор-мулам. При выводе расчетных формул m = 0.
Усилия в ребре и плите балки комбинированного сечения, работающих как самосто-ятельные элементы, вследствие наличия сдвига между ними получаем на основе расче-тов 1-го этапа пропорционально их жесткостям.
Деформации и усилия в балке с цельным сечением при работе на часть нагрузки пос-ле реализации сдвига между ветвями балки определим алгебраическим суммированием результатов 1-го и 2-го этапов расчета. На основе метода разработана программа расчета Сomby-E.
Особенности расчета при воздействии колебаний температуры. В балке комби-нированного сечения, составленной из различных материалов, возникают усилия от воз-действия колебаний температуры. В ряде случаев температурные напряжения растяже-ния по низу плиты имеют значительные величины и может потребоваться расчетное армирование. Для балки из древесины и железобетона решающее значение имеет разли-чие коэффициентов линейной температурной деформации αbи αd. ( для тяжелого бетона - 110-5, на пористых заполнителях - 0,710-5, для ячеистого, поризованного и крупнозер-нистых бетонов - 0,710-5, древесины - 1,7...3,610-6 аоС-1. С использованием расчетной схемы (рис.11, а) и метода даны решения для эпюр деформаций и усилий при воздейст-вии температурного перепада. Расчеты производятся в два этапа:
1) рассчитывается балка комбинированного сечения с упругоподатливыми связями сдвига между ветвями как однопролетная, свободно опертая при воздействии темпера-турных моментов Мt, приложенных к балке в месте связей; определяются деформации и усилия в ребре и плите как в самостоятельных элементах вследствие упругой податли-вости этих связей;
2) рассчитывается балка комбинированного сечения как однопролетная, свободно опертая при отсутствии сдвига между ветвями балки; определяются деформации и уси-лия, соответствующие работе балки с абсолютно жесткими связями.
Различие температурных дефор-
маций ребра и плиты Δεt = (αbЦ αd)Δt
при перепаде температур Δt вызывает
смещение связей и появление в них
крутящих моментов Mt,1. Учет сов-местного действия температурных
моментов Мt во всех связях балки
осуществляется по формуле, кото-
рая согласуется со схемой деформа-
ций при повышении температуры
(рис. 11, б)
Рис. 11 Рис. 11. Расчетная схема деревожелезобетонной
балки с упругоподатливыми связями сдвига
между ветвями в расчетах на температурные
воздействия (а) и схема деформаций балки
при повышении температуры(б)
(33 где Мt,1 = μΔεtc/a Ц момент в связи от
деформации сдвига Δεtс; а, с - глуби-
на заделки и шаг нагелей по длине
балки соответственно.
При понижении температуры знак момента меняется на противоположный.
Подход к решению задачи аналогичен выводу эпюр деформаций и усилий от внеш-ней нагрузки с учетом специфики действия температурных моментов. В работе получе-ны расчетные формулы матриц yni, φni, Мni, Qni , позволяющие выполнить комплекс расче-та деревожелезобетонных балок при перепаде температуры Δ t. Как пример, приведены матрицы эпюр изгибающих моментов:1-го и 2-го этапов расчетов:
1 -й этап
(34)
2 -й этап
(34/)
По результатам 1-го и 2-го этапов расчета получены матрицы деформаций и усилий.
Дан анализ изменения напряженного состояния балки комбинированного сечения с упругоподатливыми связями между ветвями при повышении и понижении температуры. Отмечена необходимость учета совместного действия внешней нагрузки и изменения температуры. Разработана программа расчета Соmby-T.
Разработан метод пространственного расчета балочных пролетных строений мос-тов. Рассмотрены особенности напряженного состояния пролетного строения и обосно-
вана возможность на основании расчета плоских сечений по длине пролета, линий влияния дефор-маций и усилий получить соответствующие по-верхности влияния. Как показывает практика, рас-четы, связанные с решением дифференциальных уравнений при безупречности расчетной схемы конструкции, дают точность, удовлетворяющую требованиям проектирования.
Сила Р, приложенная с экцентриситетом е к оси, может быть заменена силами Р1и Р2. При действии силы Р1 пролетное строение опускается и повора-
Рис. 12. Работа пролетного строения под чивается на некоторый угол как сечение с жестким
нагрузкой недеформируемым контуром (жесткий диск), при действии Р2 - как балочный ростверк, когда поперечное сечение претерпевает значи-тельные деформации (рис.12).
Согласно принципу независимости действия сил ординаты линий влияния усилий и прогибов могут быть найдены суммированием результатов расчетов при действии сил Р1 и Р2 с учетом специфики работы пролетного строения:
y = y1ξ + y2χ, (35)
где у, у1,ау2 - ординаты линии влияния усилия или прогиба, рассчитанные по рассмат-риваемому методу расчета, методу внецентренного сжатия и методам, в основу кото-рых положена работа пролетного строения как балочного ростверка, соответственно;
ξ, χ - коэффициенты.
За расчетную схему поперечной конструкции пролетного строения принята неразрез-
ная многопролетная балка на упругооседающих и упругоповорачивающихся опорах, ко-торыми являются главные балки пролетного строения (рис. 13).
При единичных воздействиях (Р = 1, М = 1, θ = 1, Δ = 1) только над опорами
общее решение линейного дифференци-
циального уравнения четвертого поряд-
ка изгиба неразрезной балки постоянно-
го сечения на упругооседающих и уп-
ругоповорачивающихся опорах может
быть представлено в виде четырех урав-
нений (см. таблицу).
В расчетах приняты коэффициенты
α и β, характеризующие относительную
гибкость балок пролетного строения на
Рис. 13. Расчетная схема поперечной конструкции изгиб и кручение:
блочного пролетного строения
(36)
где d - расстояние между балками поперек моста; Е - модуль упругости бетона; InаЦ мо-мент инерции поперечной конструкции пролетного строения; y,аφ - прогиб и угол по-ворота (закручивания) главной балки (опоры) от внешней нагрузки без учета упругого распределения поперечной конструкцией распределенных нагрузки q = 1 кН/м и момента М = 1 кНм/м соответственно.
Используя этот метод, можно определить прогибы, углы поворота, изгибающие и крутящие моменты, поперечные силы в главных балках, а также изгибающие моменты и поперечные силы в поперечной конструкции (плите или диафрагмах) для различных сечений по длине пролетного строения (рис. 14).
Определение матрицы начальный параметров связано с начальными условиями на концах неразрезной балки при нагрузках Р = 1, М = 1, воздействиях θ = 1 и Δ = 1:
(37)
где μ0, μn, ω0, ωn - жесткости на кручение и изгиб крайних опор (0, n)
Матрицы линий влияния:
а) прогибов главных балок
(38)
б) изгибающих моментов и поперечных сил
λM = KM(Фyλ0P + ΔyP); (39) λQ = KQ(Фyλ0P + ΔyP) (40)
где Км =(1Цx)/2yx; КQ= (lЦ2 x)/2yx.
в) углов поворота главных балок
(41)
г) изгибающих моментов и поперечных сил в плите или диафрагмах
(42) (43)
где Фу - матрица функций влияния начальных параметров на у; λ0Р, λ0М, λ0Δ, λ0θ - матрицы начальных пара-метров у0 и для сосредоточенных воздействий Р=М=Δ=θ=1 соответ-
свенно; ΔуР, ΔуМ, ΔуΔ, Δуθ - матрицы функций влияния на у сосредото-ченных воздействий Р=М=Δ=θ=1 соответственно.
Произведено сравнение результа-тов расчета с существующими ме-тодами, в частности с методом Б.Е. Улицкого (рис. 14). В качест-венном и количественном отноше-нии сравниваемые линии влияния деформаций и усилий близки друг другу. Разработана программа расче-та Расмос.
Анализ результатов исследований методов расчета, предложенных ав- тором, позволяет сделать следующие выводы:
Ц теоретические основы расчета жесткости нагельного соединения ветвей деревожелезобетонной балки позволяют установить жесткость
Рис. 14. Линии влияния у0, у2, Q0, φ0, Mкр,1, Мкр,2: связей сдвига между ними;
________ - по предлагаемому методу;
Ч Ч Ч Ч - по методу Б.Е. Улицкого.
- теория расчета деревожелезобетонных балок как балок комбинированного сечения с упругоподатливыми связями между ветвями балки дает практическим расчетам вы-ходные матрицы эпюр деформаций и усилий при действии внешней нагрузки и темпе-ратурных воздействий;
Ц пространственный метод расчета лупругооседающих и упругоповорачивающихся
опор дает для практических расчетов выходные матрицы линий влияния деформаций и усилий в главных балках и усилий в плите или диафрагмах. В линиях влияния y, M, Q максимальные ординаты отличаются не более чем на 3...9 %, площади - на 2...4,3 %, в линиях влияния φ, Мкр - соответственно 6...24 и 7...27 %;
Ц разработанные автором методы расчета позволяют решить комплексную задачу
исследований, проектирования КТС деревожелезобетонных пролетных строений.
В пятом разделе рассмотрены теоретические и экспериментальные исследования напряженного состояния балки комбинированного сечения. Исследованию подлежали балки с ребрами из клееной (10 блоков по 2 балки в блоке) и цельной (24 блока) древе-сины со сборной железобетонной плитой. Исследования направлены на формирование КТС деревожелезобетоннх пролетных строений.
Теоретические исследования включают исследования составности в зависимости от вида связей и ее влияния на характер напряжений растяжения -сжатия в деревоклееном и цельном ребре и железобетонной плите и прогиб балок. Использованы разработанный автором метод и программы расчета. Рассмотрены клеевое и нагельные соединения вет-
вей балки.
Задачи экспериментальных исследований включали изучение напряженно-деформи-рованного состояния балок комбинированного сечения, в которых ребро из клееной или цельной древесины и железобетонная плита объединены для совместной работы; жест-кого (на клею) и гибкого (стальные нагели) соединений плиты с ребром; влияния состав-ности, характера деформаций сдвига и отрыва (прижатия), материала, конструктивных особенностей балок и т.п. на работу комбинированного сечения. Составность сечения для балок с нагельными соединениями (стальные нагели с дополнительной анкеровкой в виде утолщения стержня для бетона плиты - головками и без них) равна 0,44 и 0, 52 (теоретические 0,563 и 0,71) для клееной и цельной древесины ребра соответственно. Основной причиной большей составности по результатам эксперимента является нали-чие сдвига в клеевом соединении, что не учитывалось при расчете составности.
На рис.15 представлены результаты испытаний образцов с ребрами из клееной древе- сины, на рис.16 Ц сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследо-
ваний.
Рис. 15. Балка с объединением железобетонной плиты и ребра из клееной древесины
стальными стержнями. Эпюры: а Ц деформаций растяжения-сжатия; б - прогибов;
в - деформаций сдвига; г - деформаций отрыва
Рис.16. Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований
Если деформации растяжения в клееной древесине ребра близки друг другу, то тео-ретические деформации сжатой зоны отличаются от экспериментальных. На ступени загружения Р = 53,6 кН (близкой к разрушающей) различие составляет 20,9 %; для про-гибов Ц 41,2 %. С уменьшением нагрузки различие уменьшается.
При обработке результатов учтены бимодульные свойства древесины при изгибе. С учетом бимодульности древесины при той же нагрузке различие в деформациях древесины сжатой зоны составило 2,8 %, а прогибов 20 %; Для деревожелезобетонных балок с ребром из цельной древесины при нагрузке Р=14,1 кН (близкой к разрушающей) различие Ц 9,88 %.
Выполнено сравнение деформаций растяжения-сжатия и прогибов для деревожелезо-бетонных балок с соединением ветвей балки клеевым швом. Имеет место сдвиг между ребром и плитой, следовательно и составность балки.
В конце раздела выводы.
В шестом разделе выполнены исследования деревожелезобетонных пролетных стро-ений длиной 9, 12, 15, 18, 21, 24 и 33 м с габаритом проезжей части Г-8 и шириной тротуаров 1,0 м, расположенных в уровне проезжей части моста. Толщина плиты 0,1, 0,15 и 0,2 м. Шаг балок 1,4; 1,8; 2,2; 2,6 м. Состав полотна проезжей части традиционный для железобетонных мостов. Шаг диафрагм и их конструкция аналогичны типовым пролетным строениям мостов с деревоклееными балками. Для объединения дерево-клееного ребра с железобетонной плитой использовано нагельное соединение. Рассмот-рена различная степень составности объединенного сечения деревожелезобетонной бал-ки (ψ равен 0,8; 0,5; 0). Для расчетов использован математический аппарат, предло-женный автором. При подборе сечения деревоклееного ребра исходили из достижения нормальных напряжений в крайнем (нижнем) растянутом волокне, равных расчетному сопротивлению клееной древесины при изгибе Rdb c учетом высоты клееного элемента. Оптимальная степень составности деревожелезобетонной балки находится в интервале ψ = 0,8Е0,5. Если ψ < 0,5, то существенно снижаются эффективность железобетонной плиты в объединенном сечении. Если ψ > 0,8, то материальные затраты на достижение целостности объединенного сечения не сопоставимы с эффектом подобного объедине-ния ребра и плиты и к этому не следует стремиться. Случай ψ = 0, то есть когда ребро и плита на все нагрузки работают как самостоятельные элементы, рассмотрен для сравнения с предыдущими.
Цель исследований - изучение эффективности включения железобетонной плиты в работу объединенного сечения деревожелезобетонной балки и, как следствие, умень-шения расхода клееной древесины в зависимости от пролета и шага балок, толщины плиты для совершенствования деревожелезобетонного пролетного строения.
В задачи исследования входит:
Ц изменение высоты и расход клееной древесины на ребро деревожелезобетонной бал-ки в зависимости от ее пролета l при различном коэффициенте составности объединен-ного сечения ψ, толщине железобетонной плиты δ и шаге балок d;
Ц характер изменения изгибающего момента Мп и поперечной силы Qл в плите, ее армиирования продольной рабочей арматурой в зависимости от шага балок d, для про-летов l = 9,0 и 18,0 м при ψ = 0,8 (для армирования также в зависимости от толщины плиты δ);
Ц характер изменения касательных напряжений τ в ребре в зависимости от шага ба-лок d, толщины плиты δ, коэффициента составности балки ψ для пролетов l = 9,0 и 18,0 м;
- изменение поперечной силы Qп в плите как ветви деревожелезобетонной балки в зависимости от шага балок d, толщины плиты δ, коэффициента составности балки ψ для пролетов l = 9,0 и 18,0 м;
Ц изменение отношения h/l ребра деревожелезобетонной балки в зависимости от ша-
га балок d при толщине плиты δ, коэффициенте составности балки ψ = 0,8 для проле-тов l = 9,0 и 18,0 м;
Ц характер изменения изгибающих моментов, воспринимаемого плитой Мп, ребром Мр и объединенным сечением Моб как составляющих полного изгибающего момента М, и их долевого участия в этом моменте, воспринимаемом деревожелезобетонной балкой, в зависимости от шага балок d, толщины плиты δ для пролетов l = 9,0 и 18,0 м при ψ = 0,8;
Ц изменение расхода клееной древесины на ребра деревожелезобетонного пролетно-го строения в зависимости от шага балок d, толщины плиты δ, пролета l при ψ = 0,8.
Выполнен анализ результатов исследований, на основании которого сделаны соот-ветствующие выводы и рекомендации.
1. Деревожелезобетонные балки с пролетами l = 9,0 ...33,0 м следует проектировать с шагом балок d = 1,4...2,.2 м, толщиной плиты δ не менее 0,2 м, из бетона плиты клас-сов не ниже В30, В40, при коэффициенте составности ψ = 0,8 ...0,5;
2. Конструктивное решение деревожелезобетонного пролетного строения должно предусматривать нагельное соединение железобетонной плиты и деревоклееного ребра при объединении ребер в балочный ростверк путем постановки диафрагм, объединяю-щих в поперечном направлении все балки. В ряде случаев возможно упрощение конст-руктивного решения без снижения качественных характеристик.
Для пролетов l до 18Е24 м, d = 1,4Е2,6 м,δ = 0,2 м и ψ = 0,8 и 0,5 достаточно объединение плиты и ребра нагельным соединением и попарное ребер по ширине моста.
Для пролетов l < 15,0 м возможно конструктивное решение без диафрагм или с диафрагмами только на опорах, но это должно быть подтверждено соответствующи-ми расчетами.
3. Изменение параметров деревожелезобетонного пролетного строения по сравнению с рассмотренными выше должно быть подтверждено соответствующими расчетами и конструктивными решениями.
В седьмом разделе предложены конструктивные решения деревожелезобетонных пролетных строений и их сопряжений с опорами моста. Разработка конструкции сопряжений является связующим звеном между ОК КТС УДеревожелезобетонное про-летное строениеФ и ОК КТС УОпорыФ в мосту как объекте в целом. Решены ряд вопросов рационализации конструкционных решений.
Цель разработки конструкции - предложить новые решения компоновки дерево-железобетонного пролетного строения, конструкции деревожелезобетонной балки, сопряжений пролетных строений с промежуточной и береговой опорами.
Задачи разработки:
- решить общие вопросы конструирования деревожелезобетонного пролетного строе-ния и деревожелезобетонной балки;
- определить особенности конструирования плиты в монолитном и сборном желе-зобетоне;
- установить специфику конструкционного решения соединения ребра и плиты на гра-нице клееная древесинаЦбетон;
Ц определить особенности конструирования нагельного соединения ребра и плиты;
- предложить конструктивные решения сопряжений деревожелезобетонных пролет-ных строений с промежуточной и береговой опорами.
Цель рационализации - запроектировать для мостостроения балку деревожелезо-бетонного пролетного строения, отвечающую требованиям нормальной эксплуатации при наименьших затратах клееной древесины и простоте конструкционного исполнения.
Задачи рационализации:
- установить размеры сечения балки как конструкционного элемента пролетного строения;
- определить высоту деревоклееного ребра исходя из требований расчета по двум группам предельных состояний с учетом составности композитного сечения балки;
Ц выполнить расстановку нагельных соединений ветвей балки с учетом специфи-ки ее работы как составной балки при наличии упругой податливости связей сдвига.
Общая компоновка деревожелезобетонного пролетного строения представлена на
рис. 17. Конструктивное решение должно предусматривать нагельное соединение желе-зобетонной плиты и деревоклееного ребра при объединении ребер в балочный ростверк путем постановки диафрагм, объединяющих в поперечном направлении все балки (рис. 17, б). Конструктивная схема I отвечает всем требованиям для исследованных пролетов l = 9,0Е33,0 м, шага балок d = 1,4Е2,2 м, толщины плиты δ = 0,2 м и коэф-фициенту составности ψ = 0,8 и 0,5. В ряде случаев возможно упрощение конструк-тивного решения без снижения качественных характеристик. Для пролетов l < 18Е24 м, d = 1,4Е 2,2 м, δ = 0,2 м и ψ = 0,8 и 0,5 достаточно объединение плиты и ребра нагель-ным соединением и попарное ребер по ширине моста (рис. 17, б, конструктивная схе-ма I). Для пролетов l < 15,0 м возможно конструктивное решение без диафрагм или с диафрагмами только на опорах, но это должно быть подтверждено соответствующими расчетами (рис. 17, б, конструктивная схема II). Железобетонная плита выполняется монолитной (рис. 17, б, III) или сборной (рис. 17, б, IV). Сборные плиты изготовляют средними и крайними (рис. 17, в).
На рис. 18 представлена конструкция деревожелезобетонного пролетного строения. С нашей точки зрения, параметры балочного ростверка, составленного деревоклееными ребрами и диафрагмами, принятыми в типовом проекте пролетных строений с дерево-клееными балками, удовлетворяют требованиям конструирования деревожелезобетон-ного пролетного строения. Предложены различные конструктивные исполнения моно-литной и сборной железобетонной плиты и варианты ее объединения с деревоклееным ребром. Экспериментальные исследования показали, что в предельном состоянии плита и ребро соединены практически только нагельным соединением. Это позволило оставить контакт плиты и ребра только в пределах нагельного соединения и устроить зазор между ними на остальных участках деревожелезобетонной балки. Наличие зазора обеспечивает обдувание верхнего пояса деревоклееного ребра воздушным потоком, что предохраняет древесину от переувлажнения и предотвращает ее загнивание. На рис. 19 показаны конструктивные решения железобетонной плиты и ее объединения с ребром. В конст-рукционном решении деревожелезобетонного пролетного строения должна быть преду-смотрена гидроизоляция.
Конструкции сопряжений деревожелезобетонных пролетных строений с опорами имеют специфические особенности по сравнению с подобными решениями пролетных строений из других материалов. Помимо традиционных требований здесь должны быть обеспечены нормальные условия эксплуатации клееной древесины (рис. 20, 21).
В конструкции сопряжения деревожелезобетонных пролетных строений с проме-жуточной опорой предусматривается наличие зазора между торцами деревоклееных ребер смежных пролетных строений, достаточного для проветривания этой зоны с целью обеспечения нормального температурно-влажностного режима эксплуатации клееной древесины. С этой целью разработаны два варианта конструкционного решения: первом варианте использован эластичный деформационный шов, имеющий хорошие эксплуа-тационные характеристики, во втором реализовано предложение В.И Кулиша устроить в деревожелезобетонных пролетных строениях непрерывную проезжую часть, дополни-тельно армируя продольными стержнями надопорные зоны балок.
Конструкция сопряжения деревожелезобетонных пролетных строений с береговой опорой предусматривает наличие зазора между торцами деревоклееных ребер дерево-железобетонного пролетного строения и шкафной стенкой опоры. Разработаны три варианта конструкционного решения (рис. 21). В первом варианте использован элас-тичный деформационный шов проезжей части, расположенный над подферменной площадкой, во втором предусматривается опирание на шкафную стенку через два слоя гидроизоляционного материала или с использованием металлической пластинки, в третьем имеет место монолитный стык плиты и шкафной стенки со сваркой выпусков арматуры плиты и шкафной стенки. Во всех случаях торцы деревоклееных ребер дере-вожелезобетонных балок отодвинуты на 400...600 мм от шкафной стенки устоя. Более подробно разработан второй вариант сопряжения деревожелезобетонного пролетного строения с устоем моста (пат. №2374383).
Рис. 17 Рис. 18
Рис.17. Деревожелезобетонное пролетное строение: а - вид с фасада; б - конструктивные схемы; в - сборная
железобетонная плита (крайняя); I и II - перекрестные системы деревожелезобетонных ребер главных балок
и диафрагм; III-IV Цсоответственно сборная и монолитная железобетонные плиты; 1 - деревоклееное ребро;
2 - железобетонная плита; 3 - перильное ограждение; 4, 5 - деревоклееные средняя и крайняя диафрагмы;
6 - монолитная железобетонная плита; 7 - стальные нагели; 8 - блок из двух ребер; 9 - сборная железобе-
тонная плита; 10 - отверстия в плите для стальных нагелей; 11,12 - выпуски рабочей арматуры плиты; 13 - стальные закладные детали плиты; 14 - монтажные петли.
Рис. 18. Конструкция деревожелезобетонного
пролетного строения:
а - при 4-х наружных болтах диафрагм; б - при 2-х болтах, пропущенных через диафрагму; 1 - деревоклееное ребро,
2 - монолитная железобетонная плита; 3 - подготовитель-
ный слой, 4 - гидроизоляция и армированный защитный
слой, 5 - двуслойное покрытие, 6 - стальные анкеры,
7 - изолирующая прокладка, 8 - деревоклееная диафрагма,
9 - стальные стяжные болты, 10 - деревянные бруски
Рис. 19. Конструкция железобетонной плиты:
а - монолитная железобетонная плита; б - сборная желе-зобетонная плита; 1 - деревоклееное ребро; 2 - железо-бетонная плита; 3 - стальные нагели; 4 - изолирующая прокладка; 5 - прокладка из древесины; 6 - бетон замоно-личивания нагельного соединения; 7 - отверстие для сталь-ного нагеля в деревоклееном ребре
При разработке конструктивных решений де-ревожелезобетонного пролетного строения в це-лом и его узлов решены ряд вопросов рацио-нального проектирования. На формирование бал-ки деревожелезобетонного пролетного строения оказывают существенное влияние удовлетворе-ние конструктивным и расчетным требовани-
Рис. 19 ям.
В конструктивных требованиях определены обеспечение устойчивости ребер, про-лет балок, шаг балок поперек моста, толщина плиты и ее армирование, конструктивное решение связей, возможности реализации специфики работы составной балки, прочие факторы.
Рис. 20. Конструкция сопряжения деревожелезобетон-ного пролетного строения с промежуточной опорой: а - с применением эластичного деформационного шва проез-жей части; б - с непрерывной проезжей частью; 1 - дере-воклееное ребро; 2 - железобетонная плита; 3 - стальные анкеры; 4 - покрытие проезжей части; 5 - слоистые рези-новые опорные части; 6 - промежуточная опора; 7 - элас-тичный деформационный шов проезжей части; 8 - воз-душный зазор между торцами ребер деревожелезобетон-ных балок.
Рис. 21. Конструкция сопряжения деревожелезобетон-ного пролетного строения с береговой опорой: а - с элас-тичным деформационным швом проезжей части над под-ферменной площадкой; б - с мастичным деформационным швом над шкафной стенкой; в - с омоноличиванием шкаф-ной стенки и плиты проезжей части, 1 - деревоклееное
Рис. 20 ребро; 2 Ц железобетонная плита; 3 - стальные анкеры; 4 - покрытие проезжей части; 5 - слоистая резиновая опорная часть; 6 - шкафная площадка береговой опоры; 7 - шкафная стенка; 8 - железобетонные сваи; 9 - эластичный деформационный шов проезжей части; 10 - же- лезобетонная переходная плита; 11 - железобетонный лежень; 12 - подушка из щебня; 13 - дорожное пок-рытие; 14 - стык шкафной стенки и плиты со сваркой выпусков арматуры; 15 - зазор между торцами ребер и шкафной стенкой опоры; 16 - прокладка из двух слоев гидроизоляционного материала или стальная пластинка.
После учета этих требований определяются начальные параметры балки деревоже-лезобетонного пролетного строения, которые уточняются последующими расчетами, иногда и конструктивными мероприятиями.
При рационализации балки деревожелезобе-
тонного пролетного строения должны быть удов-
етворены требования расчетов по двум группам
предельных состояний, то есть по несущей способ-
ности и по деформациям.
На рис. 22 и 23 представлены графики измене-ния рациональной высоты ребра hоп для проле-тов l = 9,0 и 18,0 м.
Несущая способность балки по изгибающему моменту Моп определялась исходя из достижения нормальных растягивающих напряжений σ в край-
нижнем волокне балки, равных расчетному соп-ротивлению при изгибе клееной древесины Rdb ; несущая способность по поперечной силе QопЦ исходя из достижения скалывающими напряжени-ями τ в опорном сечении деревоклееного ребра расчетных наибольших скалывающих напряжений вдоль волокон по клеевым швам при изгибе Rdаf.
Рис. 21
Чтобы запроектировать деревоже-лезобетонную балку с рациональной высотой ребра hоп при условии удовле-творения всех рассматриваемых требо-ваний следует принять коэффициент составности балки ψ = 0,92. Оптималь-ная высота ребра hо п равна 0,63 м. При принятии меньшей высоты ребра усло- вие прочности по поперечной силе не удовлетворяется. Принятие большей высоты ребра связано с конструктив-
Рис.22. Графики изменения рациональной высоты ным решением связей, толщиной пли-
ребра hоп деревожелезобетонной балки пролетом ты и другими факторами. Определяю-
l = 9,0 м. щим является требование flim. Следует
заметить, что добиваться коэффициен-та составности ψ = 1 не имеет смысла, поскольку это связано с конструкцион-ными сложностями и не приносит су-щественного уменьшения высоты реб-ра по сравнению с ψ = 0,7 Е0,8, что можно считать достаточным с точки зрения конструкционных решений свя-зи ветвей балки и эффективности их совместной работы в деревожелезобе-тонной балке.
Рис.23. Графики изменения рациональной высоты ребра
hоп деревожелезобетонной балки пролетом l = 18,0 м
При проектировании железобетонных изгибаемых элементов шаг поперечных стержней (хомутов) уменьшается к опорам вместе с возрастанием поперечной силы;
в случае деревожелезобетонной балки по мере приближения к опорам и возрастания поперечной силы Q увеличиваются сдвигающие усилия Тн между ее ветвями. Тради-ционным решением при проектировании такой балки является уменьшение шага связей между ветвями с или увеличение их мощности Т, в некоторых случаях есть необхо-димость использовать оба приема.
Задачу размещения нагелей по длине деревожелезобетонной балки можно решить бо-лее рационально, если использовать специфику ее работы как составной балки с различ-ной степенью составности при условии обеспечения требованиям двух групп предельных состояний. Балка воспринимает усилия М и Q составным сечением и ветвями при опти-мальной составности и на части приопорного участка связь ветвей балки может отсут-ствовать, поскольку они способны самостоятельно воспринять эти усилия. Рассмотрены пролеты l = 9,0 и 18,0 м при шаге балок поперек моста d = 1,8 м и загружении посто-янной и временной (НК-80) нагрузками. На рис. 24 приведены графики М, Q (от внеш-ней нагрузки), Mрп, Qрп((воспринимаемые ребром и плитой как ветвями балки), Q12 (деревожелезобетонной балкой при рассматриваемой составности) для пролета l = 9,0 м и ψ = 0,9.
Рис.24. Размещение нагельных соединений в балке Рис.25. Размещение нагельных соединений в балке
пролетом l = 9,0 м пролетом l = 18,0 м
Проекция точки пересечения графиков М и Mрпна ось абцисс определяет сечение бал-ки, правее которого необходимо устройство нагельного соединения, а левее до опоры на-личие связи ветвей не обязательно. Таким образом, в средней части балки длиной 0,66l устраиваем нагельные соединения, т. е. с постоянными площадью сечения стальных стержней и шагом. На рис. 25 для балки с пролетом l = 18,0 м при ψ = 0,7...0,8 длина участка со связями одинаковой мощности равна 0,48 l . Таким образом, наличие подобных графиков позволяет рационально решить вопрос расстановки нагельных сое-динений в деревожелезобетонной балке.
В восьмом разделе выполнены исследования влияния технологических факторов в производстве клееной древесины для мостостроения и рассмотрены конструктивно-технологические аспекты изготовления деревожелезобетонных балок, что необходимо для формирования входных параметров подсистемы ТП КТС Деревожелезобетонное пролетное строение
Цель Ц исследования влияния различных факторов на качество продукции - мос-товых балок, специфики изготовления многослойной мостовой балки из клееной дре-весины, конструктивных решений объединения ветвей деревожелезобетонной балки.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- установить влияние различных факторов, связанных со спецификой материалов и
технологии на качество клееной древесины, предназначенной для мостовых конструк-
ций;
- разработать конструктивные решения деревоклееного ребра и его объединения с железобетонной плитой в деревожелезобетонной балке.
По результатам исследований выполнен анализ влияния различных факторов на качество клееной древесины.
На основе анализа производства многослойной мостовой балки из клееной древе-сины сделаны выводы, позволяющие решить технологические вопросы изготовления и получить высококачественную клееную древесину для мостостроения.
Разработаны конструктивно-технологические предложения по объединению дере-воклееного ребра и железобетонной плиты (рис.26). Учтены особенности работы клееной древесины в соединении ребра и плиты.
Рис.26. Конструкции соединения деревоклеено-го ребра с железобетонной плитой:
а - с использованием гидроизоляции между реб-ром и плитой; б, в, г - с применением прокладок из антисептированной древесины; д - разновидности вклеенных нагелей - стержень с головкой, петлевой анкер, стержень без головки; е - виды отверстий для вклеенных нагелей; ж - разновидности стержня на-геля; з - виды поперечного сечения стержня; 1 - реб-ро из клееной древесины; 2 - железобетонная плита; 3 - стальные нагели; 4 - прокладка из антисепти-рованной древесины; 5 - клей заполнения отверстий.
По длине шва объединения ребра с
плитой и в узле сопряжения с использо-
ванием нагельного соединения примене-
ны три материала с разными коэффициен-
тами теплопередачи: древесина, сталь и
железобетон. В условиях жесткого тем-
пературно-влажностного режима при экс-
плуатации на открытом воздухе доста-
точно сложно создать комфортные усло-
вия для клееной древесины, чтобы на
Рис. 26 длительное время обеспечить ей условия
нормальной эксплуатации. Железобетонная плита является конструкционной защитой для деревоклееного ребра. Железобетон имеет больший, по сравнению с древесиной, коэффициент теплопередачи (для тяжелого бетона 1,86, древесины 0,175 ккал/м2.ч.оС) и плита вместе со сточным треугольником проезжей части обладают значительным объемом (массивностью).При резком переходе температур с отрицательных, напримерЦ20Е35оС происходит покрытие железобетонной поверхности инеем с последующим таянием его и попаданием воды на древесину ребра. Конструкционное исполнение шва объединения ребра и плиты должно быть таким, чтобы исключить замачивание дре- весины ребра.
Выводы: 1. Исследования технологии производства позволили определиться в спе-цифике изготовления массивных клееных мостовых балок, выделить основные фак-торы, влияющие на их качество и убедиться в важности подобных исследований для их производства и конструирования деревожелезобетонных пролетных строений в целом.
2. Анализ результатов технологических исследований позволяют однозначно утверж-дать, что современное производство способно производить клееную древесину, удовлет-воряющую требованиям эксплуатации в мостовом сооружении. Выбор параметров и
технологических решений на этапах производства ориентированы на выпуск
качественной мостовой продукции;
3. Предложенные конструкционные решения для соединения ребра и плиты, нагель-ного соединения позволяют обеспечить длительные сроки эксплуатации балки в дерево-железобетонном пролетном строении.
В девятом разделе свещены вопросы опыта применения мостов с деревожелезо-бетонными пролетными строениями.. Результаты научных исследований, направленных на разработку КТС деревожелезобетонного пролетного строения, внедрены в проек-тирование, методики и программы расчета, строительство новых объектов, учебный процесс вузов.
По заказу Управления Архангельскавтодор в 1989 г. был разработан типовой про-ект деревожелезобетонного пролетного строения с ребрами из клееной древесины и мо-нолитной железобетонной плитой для габаритов моста Г-8 и Г-10,5 для использования в структурах Управления (годовой экономический эффект 80400 руб. в ценах 1984 г.). Раз-работан рабочий проект реконструкции трехпролетного моста через р. Лявлю на автодо-роге Архангельск Ц Белогорский Ц Пинега Ц Кяжма Ц Мезень (рис.27) с пролетными строениями длиной 18 м (годовой экономический эффект 75208 руб. в ценах 1984 г.).
Рис. 27. Поперечное сечение деревожелезобетонного пролетного строения автодорожного моста через
реку Лявлю на автодороге Архангельск Ц Белогорский Ц Пинега Ц Кяжма Ц Мезень (проект автора)
Реконструкция моста через р. Лявлю была выполнена в 1990Ц 1991 гг. После выбра-ковки части балок вместо дощатогвоздевой плиты была устроена монолитная железобе-тонная плита, обединенная с деревоклееными ребрами стальными нагелями. Существен-но увеличились жесткость поперечной конструкции пролетного строения и грузоподъ-емность моста.
Статические испытания нагрузкой, превышающей нормативную А8 на 7,1% , показа-ли, что нормальные напряжения в крайних растянутых волокнах деревоклееного ребра не превышали 0,7 МПа при их теоретическом значении 2,78 МПа. В середине пролета рас-четный балки прогиб составил 0,7 см при теоретическом значении 1,0 см, что меньше предельно допустимого прогиба, равного 4,35 см.
Испытания показали значительную жесткость балок пролетных строений, отсутствие расстройств в связях ребра с плитой, хорошую распределительную способность попе-речной конструкции пролетного строения.
По заказу Управления Архангельскавтодор в 1989 г. был разработан рабочий про-ект металлической опалубки для изготовления сборных железобетонных плит деревоже-лезобетонных пролетных строений (рис. 28).
Автором диссертации разработаны программы расчета на языке программирования Фортран - Comby-E, Comby-T, л Расмос. Программы расчета используются при проектировании реконструкции и ремонте мостов, в учебном процессе вузов. Акты внед-
Рис.28. Рабочий проект металлической опалубки для изготовления моствых сборных железобетон-
ных плит размерами 1500 х6000 и 1500х4500 мм. Общий вид опалубки. Позиции см. рабочий проект.
рения результатов научных исследований в проектирование, методики и программы рас-чета, строительство и учебный процесс вуза представлены в диссертации.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
Теоретическая и практическая значимость выполненной автором работы выражается в следующем:
Разработана структурная модель КТС Деревожелезобетонное пролетное
строение, выделены связи и приоритетные задачи по направлениям исследова-
ний взаимосвязанных аспектов функционирования и применения КТС.
Для аргументированного описания входных параметров и показателей качества на выходе КТС:
1. На основании исследований мостов установлены недостатки конструкции, стро-ительства и эксплуатации, обязательность конструкционной защиты клееной древеси-ны (включая применение гидроизоляции).
2. Обоснованы целесообразность использования клееной древесины совместно с желе-
зобетоном в мостовой балке и нагельного соединения как эффективного соединения ветвей деревожелезобетонной балки, определена роль железобетонной плиты в конст-рукционной защите и экономии клееной древесины;
3. Разработаны основы расчета жесткости нагельного соединения ветвей деревожеле-
зобетонной балки, теория, методы и программы расчета деревожелезобетонных балок и пролетных строений из них;
4. Теоретические исследования с использованием расчетного аппарата на основе пред- ложенной теории позволили исследовать напряженное состояние деревожелезобетон-ной балки, выполнить расчеты как одиночной балки, так и в составе пролетного стро-ения моста.
5. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния дере-вожелезобетонной балки определили его специфику для ветвей и балки в целом, подт-вердили правильность теоретических предпосылок, показали хорошую работу нагель-ного соединения, характер разрушения деревоклееного ребра и сборной железобе-тонной плиты и т.п.;
6. Сопоставление результатов теоретических и с экспериментальных исследова-ний убедительно свидетельствует в пользу разработанных автором методов расчета. Качественные картины напряженно-деформированного состояния деревожелезобе-тонной балки по результатам расчетов и полученные экспериментально аналогичны. Деформации растяжения - сжатия в древесине отличались не более чем на 10 ...15 %,
прогибы - 15 ...20 %. Это отличие можно уменьшить, если учесть бимодульность дре-весины при изгибе.
7. Выполнены исследования деревожелезобетонных пролетных строений в диа-пазоне пролетов 9,0 ... 33,0 м, при шаге балок 1,6 ... 2,6 м, толщине плиты 0,1...0,2 м, коэффициенте составности ψ = 0,8; 0,5; 0, что позволило дать рекомендации по их рациональному проектированию.
8. Решены вопросы компоновки деревожелезобетонного пролетного строения, конст-
руирования деревожелезобетонной балки, нагельного соединения, узлов. Разработаны конструкции сопряжений деревожелезобетонных пролетных строений с промежуточ-ной и береговой опорами моста. Решены вопросы рационализации в проектировании балки деревожелезобетонного пролетного строения автодорожного моста.
9. Исследовано влияние технологических факторов при производстве клееной древе-сины с целью ее улучшения и применения в мостостроении. Решены конструкцион-но-технологические аспекты изготовления деревожелезобетонных балок. Разработа-на технологическая оснастка для изготовления сборных железобетонных плит пролет-ных строений.
10. Практическое внедрение научных исследований в проектирование, строительство,
реконструкцию мостов, учебный процесс вузов и их эффективность спосособствуют решению проблемы совершенствования деревожелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов.
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Основные положения диссертации изложены в 54 публикациях, в том числе четырех монографиях , двух учебных пособиях, одном патенте, а также 8 научно-технических отчетах.
Основные из них:
1. Стуков В.П. Мосты с балками комбинированного сечения из клееной древесины и железобетона/ Арханг. гос. техн. ун-т. - Архангельск, 1997. - 175 с.
2. Стуков В.П. Мосты с деревожелезобетонными пролетными строениями:моногр./Арханг. гос. техн. ун-т; ф-л Севмашвтуз С.-Петербург. морск. гос. техн. ун-та в г. Северодвинске. - Архангельск, 2007. - 348 с. - ISBN 5-261-00302-4;
3. Стуков В.П. Деревожелезобетонные балочные мосты на автомобильных дорогах: моног../ ф-л Севмаш-втуз С.-Петербург. морск. гос. техн. ун-та в г. Северодвинске.Ц 2-е изд. испр. и доп. .Ц Архангельск, 2009.Ц 453 с.
4. Стуков В.П. Основы теории расчета деревожелезобетонных пролетных строений балочных мостов на автомобильных дорогах: моногр. /. - Архангельск: Северный (Арктический) федеральный университет, 2011. - 156 с.
5. Стуков В.П. Пространственный метод расчета балочных пролетных строений мостов: учеб. пособие. - Архангельск: РИО АЛТИ, 1989. - 64 с.
6. Стуков В.П. Деревожелезобетонные балочные мосты на автомобильных дорогах: учеб. пособие/. - Архан-гельск: Северный (Арктический) федеральный университет, 2011. - 156 с.
7. Стуков В.П. Пространственный расчет балочных пролетных строений мостов на лесовозных дорогах по методу лупругооседающих и упругоповорачивающихся опор // Лесн. журн. - 1973. - № 6. - С. 55-62. - (Изв. высш. учеб. заведений).
8. Стуков В.П. Метод пространственного расчета балочных пролетных строений мостов // Там же. - 1987. - № 4. - С. 41-51.
9. Стуков В.П. Клееная древесина и мостовые конструкции //Автомобильные дороги. - 1990. - № 6. -
С. 11Ц12.
10. Стуков В.П. Расчеты элементов балочного пролетного строения методом лупругооседающих и упруго-поворачивающихся опор // Лесн. журн. - 1990. - № 4. - С. 39 - 47.Ц (Изв. высш. учеб. заведений).
11. Стуков В.П. Теоретические основы расчета нагеля в древесине // Там же. Ц1991. - № 5. - С. 48 - 55.Ц (Изв. высш. учеб. заведений).
12. Стуков В.П. Метод расчета мостовых клееных деревянных балок, работающих совместно с железобетон-ной плитой // Там же. - 1991. - № 2. - С. 38 - 45.
13. Стуков В.П. Особенности расчета балок комбинированного сечения при воздействии колебаний темпера-туры // Строительство и архитектура. - 1991. - № 9. - С. 114-120.Ц (Изв. высш. учеб. заведений).
14. Стуков В.П. К расчету нагеля в древесине // Лесн. журн. - 1992. - № 3. Ц С. 61Ц 66 .Ц (Изв. высш. учеб.
заведений).
15. Стуков В.П. Напрягаемая арматура как связь между ветвями балки комбинированного сечения // Стро-ительство. - 1992. - № 11 - 12. - С. 20 - 25.Ц (Изв. высш. учеб. заведений).
16. Стуков В.П. К расчету мостовых клееных деревянных балок, работающих совместно с железобетонной плитой // Лесн. журн. - 1993. - № 3. - С. 45 Ц5 0.Ц (Изв. высш. учеб. заведений).
17. Стуков В.П. К вопросу применения клееной древесины в мостовых конструкциях // Там же. - 1993. Ц № 5Ц6. Ц С. 93 Ц9 8.
18. Стуков В.П. Транспортные сети автомобильных дорог для освоения лесных массивов // Там же. - 1999. - № 4. - C. 69 - 71.
19. Стуков В.П. Состояние транспортной сети автомобильных дорог и мостов Архангельской области, их ближайшая перспектива в улучшении инфраструктуры региона // Там же. - 2000. - № 5 Ц6. - С. 104 - 108.
20. Стуков В.П. Совершенствование конструктивно-технологической системы пролетного строения моста с деревожелезобетонными балками // Там же. - 2004. - № 3. - С. 56 - 60.
21. Стуков В.П. Особенности изготовления многослойной мостовой балки из клееной древесины // Там же. - 2004. - № 3. - С. 60 - 64.
22. Стуков В.П. Комплексные иследования мостов с балками из клееной древесины//Там же.Ц 2006.Ц №5.Ц С. 40 Ц46.
23. Стуков В.П. Анализ состояния мостов с балками из клееной древесины//Лесн. журн..Ц 2006. Ц №6. Ц С52Ц57.Ц (Изв. высш, учеб. заведений).
24. Пат. №2374383. Конструкция сопряжения деревожелезобетонного пролетного строения с устоем моста/ В.П. Стуков, А.Л. Невзоров, заявл. 3.06.2008; опубл. 27.11.2009. Бюл. №33.
25. Стуков В.П. Оптимизация балки деревожелезобетонного пролетного строения автодорожного моста // Лесн. журн. - 2010. - № 2. - С. 78-82.Ц (Изв. высш. учеб. заведений).
26. Стуков В.П. Оптимизация расстановки связей между ветвями деревожелезобетонной балки пролетного строения автодорожного моста // Там. же. - 2011. - № 1. - С. 57 - 59. (Изв. высш. учеб. заведений).
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям