На правах рукописи

Петрова Елена Николаевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА

ОБДЕЛОК ТОННЕЛЕЙ ИЗ СТАЛЬНЫХ

ГОФРИРОВАННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

05.23.11- Проектирование и строительство дорог, метрополитенов,

аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2011 2

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» на кафедре мостов и транспортных тоннелей

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор Маковский Лев Вениаминович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Зерцалов Михаил Григорьевич кандидат технических наук, доцент Сонин Александр Николаевич

Ведущая организация: ОАО ЦНИИС

Защита состоится « 29 » сентября 2011 г. в 12 ч. в ауд. № 42. на заседании диссертационного совета Д 212.126.02 ВАК РФ при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)»

по адресу: 125319, Москва, Ленинградский проспект, 64, ауд.42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенные печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Копию отзыва просим присылать по e-mail: [email protected] Телефон для справок: (499) 155-93-24.

Автореферат разослан « 29 » августа 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, профессор Н.В. Борисюк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Актуальность диссертационной работы определяется увеличением масштабов строительства тоннельных развязок для движения в разных уровнях, где успешно могут быть применены сооружения из металлических гофрированных элементов (СМГЭ).

Интерес к сооружениям из гофрированных элементов связан с достаточно большой скоростью их строительства и относительно низкой стоимостью. Однако современный опыт строительства большепролетных конструкций в нашей стране не всегда удовлетворителен, что свидетельствует о недостаточной проработке конструкции на этапе проектирования и несовершенстве методики расчета. По принятым в настоящее время методикам СМГЭ рассчитывают без учета последовательности возведения конструкции, что во многих случаях приводит к недопустимым деформациям.

Цель и задачи диссертации. Основная цель диссертационной работы - разработать методику расчта СМГЭ на действие статических нагрузок с учетом поэтапности возведения, оценить устойчивость и дать рекомендации по проектированию таких конструкций.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

выполнить анализ существующих методов расчета СМГЭ на статические нагрузки во взаимодействии с грунтовым массивом;

разработать плоские и объемные математические модели системы «обделка - грунтовый массив»;

исследовать НДС системы «обделка – грунтовый массив»

при воздействии статических нагрузок с учетом технологической последовательности возведения СМГЭ;

проанализировать данные экспериментальных исследований и учесть их для корректировки теоретических исследований;

разработать методику расчета СМГЭ на статические нагрузки и рекомендации по проектированию СМГЭ.

Методика исследований.

Методика исследований предусматривает комплексный подход, включающий научный анализ, обоснование и обобщение материалов по применению СМГЭ.

В теоретических исследованиях использовано математическое моделирование на основе метода конечных элементов (МКЭ). Разработаны численные плоские и пространственные конечноэлементные модели для расчета системы «обделка - грунтовый массив».

Выполнен анализ данных натурных исследований СМГЭ, проведенных в Финляндии, Польше, Американском Институте Металла и Стали (American Iron and Steel Institute) в Вашингтоне.

В диссертационной работе проанализированы данные натурных испытаний большепролетной конструкции из гофрированного металла, проведенные научно-производственной фирмой «Геоника - ПМ» и данные модельных испытаний, проведенных в рамках научной работы СибЦНИИС и научно-проектной фирмой «АтомДинамик» и ООО «Гофра-2001».

Научная новизна работы.

впервые в нашей стране разработаны конечноэлементные модели системы «обделка из гофрированных элементов - грунтовый массив», в том числе – объемные, с учетом технологии возведения конструкции;

проведены теоретические исследования НДС системы «обделка – грунтовый массив»;

обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований работы СМГЭ. Экспериментальные данные были использованы для корректировки теоретических исследований;

разработана методика расчета СМГЭ на статические нагрузки и даны рекомендации по проектированию.

Практическая ценность работы заключается в разработке методики проектирования СМГЭ, включающей в себя:

определение основных конструктивно-технологических параметров СМГЭ;

разработку математических моделей системы «обделка – грунтовый массив», учитывающих поэтапность строительства;

характеристики НДС системы «обделка - грунтовый массив».

Достоверность полученных результатов определяется:

строгостью исходных предпосылок применяемых методов теоретических исследований;

учетом требований действующих нормативных документов;

использованием передовых разработок отечественных и иностранных организаций в рассматриваемой области;

тестовыми расчетами НДС СМГЭ, сопоставленными с данными экспериментальных исследований, подтвержденных практикой строительства;

хорошей для практических целей сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Реализация результатов. Результаты работы нашли применение при проектировании НИИМК МАДИ при участии автора диссертации автодорожного тоннеля на трассе Москва-Белгород, в научно-исследовательской работе НИЦ ТМ ОАО ЦНИИС, а также в учебном процессе кафедры «Мостов и транспортных тоннелей»

МАДИ.

Апробация работы.

Результаты исследований и основные научные положения диссертационной работы доложены на научно – методических и научно-исследовательских конференциях МАДИ (ГТУ), 2003-2010 г.г.

На защиту выносятся:

результаты анализа и обработки экспериментальных исследований, выполненных в РФ и за рубежом, и в дальнейшем использованные в теоретических исследованиях;

установленные в ходе теоретических исследований закономерности изменения напряженно-деформированного состояния бинарной системы «обделка - грунтовый массив» в зависимости от различных параметров, характеризующих систему;

результаты численного эксперимента на плоских и объемных конечно-элементных моделях, реализованных в программных комплексах «PLAXIS 3D TUNNEL» и MSC/NASTRAN;

методика расчета СМГЭ на действие статических нагрузок с проверкой устойчивости.

По рассматриваемым в диссертационной работе проблемам опубликовано восемь научных статей, в том числе одна статья в журнале, находящемся в списке ВАК РФ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и четырех приложений. Полный объем работы составляет 136 страниц, включая 44 иллюстрации и 10 таблиц. Список литературы включает 120 наименований, в том числе 20 иностранных.

Диссертационная работа выполнена на кафедре мостов и транспортных тоннелей Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)».

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во Введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность темы диссертации, новизна и практическая значимость, сформулированы цель и задачи исследований.

В первой главе проанализирован отечественный и зарубежный опыт проектирования и строительства сооружений из металлических гофрированных элементов.

Конструкция СМГЭ состоит из волнистых стальных листов с различным шагом гофров заводского изготовления, скрепленных между собой высокопрочными болтами. Болтовые соединения работают за счет сил трения; усилие натяжения болтов до 80 кН. Для болтов используют стали высокой прочности 35Х и 38 ХА по ГОСТ 4543-71*; сталь 45; допускается применение сталей марок 20,30, и 35 по ГОСТ 1050-80*.

Большепролетные конструкции из гофрированного металла собирают из волнистых листов стандартной ширины, изогнутых по заданному радиусу. Основными типоразмерами гофра, применяемыми для обделок тоннелей являются 150х50 мм и 400х150 мм с толщиной листа от 3 до 7 мм. В отечественной практике в основном используются стали 15сп, 09Г2Д, предел текучести которых МПа и 310 МПа соответственно, предел прочности – 400 и МПа. Сборка конструкций ведется в предварительно обустроенном котловане открытым способом с тщательным выполнением засыпки, к которой предъявляются требования по достижению уплотнения не менее 0,95% стандартной плотности. Засыпка производится песчаным грунтом, реже супесчаными или гравелистыми грунтами.

СМГЭ могут быть использованы при постройке автодорожных и пешеходных тоннелей, малых мостов и других сооружений. К настоящему времени обширный опыт применения конструкций из металлических гофрированных элементов накоплен в Канаде, Финляндии, США, Японии, Швеции, Италии и др. В нашей стране за последнее десятилетие широко применяются СМГЭ, построены большепролетные сооружения различного назначения. При использовании в строительстве СМГЭ может быть достигнут экономический эффект от 30 до 70% по сравнению с традиционными железобетонными конструкциями.

Сооружения из металлических гофрированных элементов отличаются от других подземных конструкций тем, что являются гибкими. В отличие от жестких конструкций, которые полностью воспринимают нагрузку от грунта и транспортных средств, гибкие конструкции реализуют в полной мере идею совместной работы системы «обделка - грунтовый массив». Для расчета СМГЭ используют методы, первоначально разработанные для расчета подземных сооружений и впоследствии адаптированные к расчету гофрированных конструкций.

Развитие методов расчета СМГЭ идет от простых расчетов по способу Фельдта-Грыжевского, Леви, Ясевича, Головина, Р. Прево, М. Шпенглера, А.А. Герцога, Г.К. Клейна, В.А. Ярошенко до более трудоемких методов С.В. Виноградова, Б.Г. Галеркина, П.М. Емельянова, В.М. Лисова в основу которых положен метод расчета О.Е.

Бугаевой. В настоящее время наиболее употребляемым для расчета СМГЭ является метод «Метропроекта», который был адаптирован для подобных конструкций В.Н. Абрамовым, А.А. Потапкиным, К.Б. Щербиной, О.А. Янковским для небольших диаметров круговых сооружений и М.В. Фрезе для бльших размеров арочных конструкций.

Отдельным направлением расчета гибких конструкций является теория оболочек, которая рассматривает оболочки под действием внешних нагрузок.

Моментная теория оболочек получила развитие в работах В.З.

Власова, А.Л. Гольденвейзера, И.Е. Милейковского, В.В. Новожилова, безмоментная - в работах А.Р. Ржаницына, Ю.Н. Работнова, В.В.

Соколовского.

Широко применяемая в инженерных расчетах полубезмоментная теория оболочек рассмотрена в трудах В.З. Власова, А.А. Гвоздева, Н.Н. Леонтьева, И.Е. Милейковского и других.

Нелинейная теория оболочек рассматривает геометрическую нелинейность (задача больших прогибов), и физическую нелинейность материала оболочек. Эта теория представлена в работах А.А.

Ильюшина, Х.Н. Муштари, Ю.Н. Работнова. Вопросам устойчивости оболочек посвящены труды Э.П. Аксельрада, А.С. Вольмира, С.Н.

Кана, В.В. Новожилова.

Отдельное направление в теории оболочек составляют исследования работы складок, многоволновых оболочек, ребристых цилиндрических оболочек Д.В. Вайнберга, В.З.Власова, И.Е. Милейковского, В.Флюгге. Учет в расчетах ребер ведется для схемы гладких конструктивно-ортотропных оболочек, когда жесткость дискретных ребер распределяется по всей поверхности оболочек.

Учет контактного взаимодействия конструкции с грунтом в теории оболочек рассмотрен в работах Д.Р. Асратяна, В.И. Гуляева, Б.Я. Кантора, Г.И. Львова.

При рассмотрении задач теории гибких оболочек с использованием гофра можно выделить два направления: устойчивость и прочность. Вопросы устойчивости исследовались в работах Э.В. Антоненко, Д.В. Вайнберга, Г.Л. Комиссаровой, для продольно гофрированных оболочек и Э.А. Аксельрадом для пластин и гибких стержней с пологой гофрировкой.

Методы расчета с использованием аппарата теории сплошных сред были разработаны и усовершенствованы в работах Ю.Н. Айвазова, В.Ш. Барбакадзе, И.В. Баклашова, Н.С. Булычева, С.С. Вялова, Б.Г. Галеркина, Ю.К. Зарецкого, Б.А. Картозия, М.М. Кондаурова, Л.Н. Рассказова, И.В. Родина, Н.Н. Фотиевой и др.

Применение МКЭ к расчету подземных сооружений представлено в работах А.М. Белостоцкого, Д.М. Голицынского, А.Л.Гольдина, Е.А. Демешко, Д.Б. Долотказина, Ю.К. Зарецкого, М.Г.

Зерцалова, С.Б. Косицына, Л.Н. Рассказова, Ю.С. Фролова, В.В. Чеботаева, Н.Н. Шапошникова, А.Г. Шашкина, В.И. Шейнина, Е.В. Щекудова, С.А. Юфина, П.Б. Юркевича и др.

Расчеты плоской задачи МКЭ применительно к СМГЭ были выполнены Ф.С. Балсоном, Дж. Васлестадом, Дж. Высоковским, Д.М. Дунканом, М.Г. Катоной, М.К. Маквеем и др. Проведенные исследования моделировали СМГЭ в виде бинарной системы, где грунтовые элементы моделировали и по упругой модели, и по нелинейной.

Анализ современного состояния вопроса показал, что введение в практику отечественного строительства СМГЭ, вызывает необходимость дополнительного детального исследования таких конструкций с разработкой рекомендаций по проектированию. Ранее выполненные отечественные исследования адаптированы к конструкциям небольших пролетов, данных по расчетам бинарной системы СМГЭ методом конечных элементов недостаточно для обоснованного проектирования.

Вторая глава содержит результаты теоретических исследований СМГЭ.

Для обоснованного применения программных комплексов проведено сравнение расчетных данных с результатами натурных измерений, проведенных при строительстве тоннеля для автодороги с габаритом Г-8 на 19 км линии Ледмозеро-Кочкома НПФ «ГеоникаПМ» (МИИТ) (рис.1).

Рис. 1. Поперечное сечение тоннеля на линии Ледмозеро-Кочкома с расположением характерных расчетных точек Моделирование СМГЭ было проведено несколькими способами: по методу «Метропроекта», МКЭ, реализованном в плоской задаче в программном комплексе PLAXIS 3D TUNNEL 2, а в пространственной задаче – в MSC/NASTRAN.

Результаты исследований СМГЭ на конечно-элементных моделях выявили хорошее совпадение с натурным экспериментом при плоской и объемной расчетных схемах. Данные экспериментальных и теоретических исследований по полученным значениям отличаются незначительно, в пределах 4-5%.

Полного совпадения результатов теоретических расчетов с экспериментальными данными достигнуть невозможно ввиду неполной информации по исходным данным.

перемещения, м

МКЭ PLAXIS

напряжения *10 кПа Рис.2. Перемещения замка СМГЭ полицентрического очертания при постадийной засыпке конструкции (а) и максимальные напряжения в замке при полной засыпке конструкции (б) В расчетных схемах метода «Метропроекта» и в программном комплексе MSC/NASTRAN достижение данных эксперимента происходит при засыпке меньшей, чем проектная, что объясняется особенностями моделей. Характер перемещений при сопоставлении данных во всех расчетных моделях хорошо согласуется с экспериментом.

Моделирование постадийной засыпки позволяет выявить действительную работу конструкции под нагрузкой, что соответствует эксперименту практически при любой расчетной схеме, исключающей растягивающие напряжения в грунте (рис.2).

Расчет объемной модели выявил незначительное влияние пространственного эффекта, не превышающего 1% по перемещениям, что объясняется высокой продольной жесткостью гофрированных конструкций. Таким образом, нет необходимости выполнять пространственные расчеты на статические нагрузки.

Проведенные исследования доказали достаточную прочность СМГЭ под статическими нагрузками и необходимость учета последовательности производства работ в расчетах таких конструкций.

Расчет на устойчивость гибких конструкций невозможен на плоских моделях, для чего могут быть успешно применены пространственные модели СМГЭ.

Многофакторность задачи рассмотрена путем формирования матрицы планирования эксперимента. Выявлены основные параметры, влияющие на НДС СМГЭ и проведено моделирование по каждому исследуемому фактору (табл.1).

При расчете СМГЭ различной формы поперечного сечения установлено, что наилучшим образом соответствует бинарной системе конструкция полицентрического очертания постоянной жесткости. Наихудшие условия работы – у разомкнутых конструкций сечения переменной жесткости.

Для упрощенного расчета и выбора формы поперечного сечения можно использовать следующие зависимости относительных горизонтальных и вертикальных перемещений, полученные в ходе теоретических исследований: угор=-2,2х4+22,2х3-74х2+101,7х-47,6, ув=61,3х4-441,6х3+1153,1х2-1293х+526,05, при х=В/Н, В-пролет сооружения, Н-высота конструкции.

Таблица 1.Основные параметры, влияющие на НДС СМГЭ.

Модуль деформации грунта 0; 6; 40; 60; 130; 300; 500 МПа Для более детального исследования выбрана СМГЭ полицентрического очертания, и для нее построены плоские и объемные расчетные модели (рис. 3) Рис.3 Объемная конечно-элементная модель СМГЭ полицентрического очертания Основные расчеты проведены на плоских моделях, т.к. продольная жесткость конструкции высокая и деформации малы. Получены зависимости перемещений при различной высоте засыпки (табл.2) Таблица 2. Перемещения СМГЭ полицентрического очертания yгор=0,0006х3-0,005х2+0,01х- горизонтальные и вертикальные перемещения СМГЭ при высоте засыпки над конструкцией h3=х, м yв=0,007х4-0,15х3+1,04х2боковой засыпки t=х, м