Методика проектирования и расчета мостов с использованием CAE систем

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Мосты представляют собой искусственные сооружения, прерывающие земляное полотно дороги; движение автомобилей происходит по пролетному строению моста, поддерживающему ездовое полотно и расположенному на опорах, которые передают давление пролетных строений на грунт.

В Средние века в Европе с развитием торговых и военных отношений между городами и странами стали появляться первые инженеры-проектировщики, в результате деятельности которых мостовые сооружения стали более широким, прочными, а некоторые из них в длину могли достигать более 70 метров. В XVIII веке, помимо каменных мостов, при проектировании и строительстве стали использоваться металлические конструкции. Первый подобный мост, выстроенный из металла и отличавшийся на удивление качественными характеристиками, был построен в 1779 году, в английском городе Колбрукдейле.

В наше время для построения моделей мостов и расчета их на устойчивость используются CAE системы. CAE системы -- это разнообразные программные продукты, позволяющие при помощи расчётных методов (метод конечных элементов, метод конечных разностей, метод конечных объёмов) оценить, как поведёт себя компьютерная модель изделия в реальных условиях эксплуатации. Помогают убедиться в работоспособности изделия, без привлечения больших затрат времени и средств.

1. Системотехническая часть

1.1 Классификация мостов

Классификация мостов по назначению

Мосты представляют собой инженерные сооружения, позволяющие проложить транспортную магистраль над встретившимися препятствиями.

- Известны разнообразные типы мостов, различающиеся по назначению, конструкции и архитектуре. Компоновка и конструкция моста в значительной степени определяется характером препятствия, преодолеваемого транспортной магистралью в месте постройки сооружения. Чаще всего мосты строят через водные преграды: реки, озера, морские проливы , как показано на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Городской мост

Объем работ и стоимость строительства определяются размерами моста, топографией и геологией местности, режимом водотока под сооружением. При прокладке дорог наибольшее число мостов обычно приходится строить через многочисленные малые реки, которые пересекают трассу дороги.

- Если расчетные расходы воды, которые должны быть пропущены под сооружениями, невелики, то при ограниченной высоте насыпи мосты заменяют водопропускными трубами, укладываемыми в тело насыпи как показано на рисунке 1.2. Земляное полотно дороги при этом полностью не прерывают, что позволяет получить экономию в стоимости и сократить сроки строительства. Размеры труб стандартизированы, а их конструкция допускает широкое использование строительных механизмов при монтаже. В настоящее время широко применяют железобетонные и металлические трубы. Необходимо заметить, что в районах с суровыми климатическими условиями в ряде случаев приходится отказываться от применения труб из-за опасности образования наледей.

Рисунок 1.2 - Водопропускная труба

- Постройка мостов через большие водные преграды требует значительных материальных затрат и выполняется после проведения тщательных изысканий. В горах и при прокладке дорог в пересеченной местности приходится строить мосты через долины и ущелья. При этом длина сооружений не будет связана непосредственно с шириной водотока по дну долины. Такие мосты называют виадуками ,как показано на рисунке 1.3. Общая длина виадуков определяется рельефом местности вдоль намеченной трассы дороги. Виадуки часто располагают на уклонах и кривых.

Рисунок 1.3 - Виадук

- При выборе размеров и конструкции мостов в необходимых случаях учитывают некоторые специфические условия: возможность появления камнепадов, снежных лавин, сейсмичность района строительства.

Развитие транспортной сети требует устройства и оборудования пересечений дорог. Наиболее удобны в эксплуатации пересечения в разных уровнях, для которых сооружают мосты-путепроводы, как показано на рисунке 1.4. С увеличением скорости движения транспортных средств роль путепроводов возрастает, так как экономический ущерб, связанный с потерей времени на перерывы движения, делает нерентабельным устройство и надлежащее оборудование дорожных переездов в одном уровне. Особенно большое значение имеет постройка путепроводов на подходах к крупным городским центрам, а также в пределах железнодорожных станций со значительным путевым развитием.



Рисунок 1.4 - Путепровод

- Обеспечение удобных подходов к мостам, а также устройство развязок многочисленных полос движения часто осуществимы только при замене земляного полотна дорог мостами-эстакадами, как показано на рисунке 1.5. Во многих крупных городах Западной Европы, США и Японии устраивают многоярусные эстакады, которые образуют сложные транспортные узлы и имеют большую протяженность. В Нью-Йорке, Токио, Осака, Берлине на эстакадах проложены линии городских железных дорог.

Рисунок 1.5 - Эстакада

В Токио и Осака эстакады в ряде случаев проходят вдоль реки или канала, причем столбчатые опоры располагаются в воде. Это вызвано высокой стоимостью земли в пределах городской территории, пригодной для застройки жилыми домами. Устройство эстакад может быть экономически оправданным также при прокладке дорог в особо сложных геологических условиях.

- В античную эпоху часто строили мосты-водопроводы (акведуки). Архитекторы и строители древнего Рима, используя труд рабов, создали ряд замечательных каменных акведуков, некоторые из которых сохранились до наших дней, как показано на рисунке 1.6. К акведукам близки по своему назначению мосты-каналы, позволяющие проложить водный путь над дорогой, рекой или местностью, отметки, поверхности которой ниже уровня воды в канале.

Рисунок 1.6 -Акведук

В специальную группу могут быть выделены разводные мосты различных систем. Разводные мосты обеспечивают проход больших судов при относительно малой высоте моста, что позволяет, как правило, в городах или районах портовых акваторий снизить стоимость сооружения за счет сокращения затрат на устройство подходов и опор с учетом стоимости эксплуатации разводных мостов.

Классификация мостов по статической схеме.

По статической схеме выделяют следующие виды мостов - балочные, вантовые и арочные.

- Балочный мост, мост с пролётными строениями, основными несущими конструкциями которых служат балки или балочные фермы, работающие на изгиб. Различают: разрезные балочные пролётные строения, опирающиеся (каждое по концам) на 2 опоры, и неразрезные -- на 3 и более опор. Б. м. могут иметь главные балки сплошного сечения или сквозные главной формы. Пролётные строения Б. м. выполняют из стали, железобетона или дерева. Мосты с балками сплошного сечения обычно имеют пролётные строения с ездой поверху. В мостах со сквозными фермами пролётные строения часто делают с ездой понизу. В современном мостостроении Б. м. наиболее распространены ,как показано на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7 - Балочный мост

- Вантовый мост -- тип висячего моста, состоящий из одного или более пилонов, соединённых с дорожным полотном посредством прямолинейных стальных тросов -- вантов. В отличие от висячих мостов, где дорожное полотно поддерживается вертикальными тросами, прикреплёнными к протянутым по всей длине моста основным несущим тросам, у вантовых мостов тросы (ванты) соединяются непосредственно с пилоном ,как показано на рисунке 1.8.

Рисунок 1.8 - Вантовый мост

- Арочным называется мост, у которого в качестве основного несущего элемента используется арка или свод. Арка представляет собой плавного очертания криволинейный брус. Ширина арки обязательно меньше чем её высота. Сводом называется криволинейная плита с плавным очертанием. Ширина свода всегда больше его высоты (толщины). Арки и своды упираются в опоры арочного моста , как показано на рисунке 1.9.

Рисунок 1.9 - Арочный мост

1.2 Балочный мост

Самыми первыми появились балочные мосты. Ведь простейшая балка - это бревно, переброшенное через ручей. Вот вам и мост. Если же длины бревна не хватает, то можно вбить в дно деревянные или каменные устои и соединить их бревнами-балками. Тогда балочный мост становится многопролетным.

Первый известный историкам деревянный балочный мост с каменными устоями был построен в Вавилоне при царе Навуходоносоре II (605-562 до н.э.).

Однако балки из дерева недолговечны, а делать их из камня не так-то просто. Ведь нужен очень прочный раствор, способный удерживать на весу подогнанные каменные плиты. Поэтому балочные мосты вплоть до начала XIX века в основном использовались для переброски временных дорог через маленькие реки - там, где невыгодно было возиться с каменными мостами. Положение изменилось с появлением сварных железных конструкций. И в 1850 году инженер Роберт Стефенсон перебросил через пролив Менай, отделяющий северо-западную оконечность Уэльса от острова Англси, железнодорожный мост, получивший название "Британия". Составы шли внутри железных коробов длиною 70 и 100 метров.

В наши дни балочные конструкции мостов применяются в сложных транспортных развязках. Это очень удобно, потому что такую конструкцию можно изготовить на заводе и собрать мост на месте. Принятая в России стандартная длина балочной конструкции для моста - 42 метра. Разновидность балочных мостов - рамные мосты. Если пролеты балочных мостов закреплены на опорах не жестко (так что вибрация и прочие дополнительные нагрузки с балки на опору не передаются), то в рамных мостах балки и опоры скреплены в единую жесткую конструкцию. Это позволяет повысить прочность мостов. Так устроены в Москве большинство крупных мостов-эстакад на Садовом и Третьем транспортном кольцах.

Схемы неразрезных, консольных и рамных систем

В сечениях балок, имеющих наиболее простую статическую схему, возникают изгибающие моменты одного знака. Если определить максимальные изгибающие моменты от постоянной и временной нагрузок в каждом сечении балки, можно построить их график - огибающую эпюру моментов ,как показано на рисунке. 1.10, а.

Рисунок 1.10 - Огибающие эпюры моментов для пролетных строений с простыми и неразрезными балками

Если для моста вместо двух простых балок применить двухпролетное неразрезное пролетное строение, как показано на рисунке 1.10, б, то в огибающей эпюре моментов над средней опорой появится момент противоположного знака. За счет разгружающего действия опорного момента уменьшатся моменты в пролете, что особенно важно при значительном собственном весе конструкции. Это позволяет уменьшить строительную высоту пролетного строения в пролете, сократить размеры поперечного сечения и в результате снизить расход бетона и стали. Дополнительная экономия может быть получена за счет сокращения размеров опоры поверху, так как вместо двух на опоре располагают только одну опорную часть.

Вертикальное опорное давление от неразрезного пролетного строения передается на опору центрально и вызывает в сечениях опоры, а также в ее основании равномерно распределенные сжимающие напряжения. В случае опирания двух простых балок и загружения временной нагрузкой только одной из них линия действия опорного давления не совпадает с осью опоры и в сечениях опоры возникают изгибающие моменты от вертикальной нагрузки, вследствие чего может потребоваться увеличение размеров тела опоры или ее основания. С другой стороны, тормозная сила передается на опору от неразрезного пролетного строения с двух пролетов, поэтому опора, на которой расположена неподвижная опорная часть (левый устой, как показано на рисунке 1.10, б), воспринимает большее горизонтальное усилие, чем в случае опирания на нее простой балки.

Двухпролетная неразрезная балка является простейшим примером конструкции, в пролетах которой моменты уменьшаются действием опорных моментов. Аналогичный эффект достигается также применением консольных и рамных систем. Экономия материалов, получаемая от применения неразрезных балок вместо простых, возрастает с увеличением пролетов.

Кроме того, непрерывность конструкции пролетных строений обеспечивает плавный профиль проезда по мосту, что становится особенно важным при повышении скоростей движения транспорта. В мостах под автомобильную дорогу резко сокращается число деформационных швов проезжей части, конструкцию которых можно сделать более совершенной. Между тем переломы профиля проезда приводят к появлению значительных инерционных сил, а при проезде через простейшие деформационные швы - ударов. Это делает езду неспокойной, может нарушить сцепление колес автомобиля с проезжей частью и вследствие этого привести к потере управления автомобилем.

В связи с этим целесообразно применять неразрезные пролетные строения даже при малых пролетах, начиная с 12-15 м. Эксплуатационные качества таких пролетных строений достаточно высокие.

Сокращения числа деформационных швов в мостах с простыми балочными пролетными строениями под автомобильную дорогу можно добиться объединением проезжей части в непрерывную конструкцию на протяжении нескольких пролетов (так называемые температурно-неразрезные пролетные строения).

Ранее в мостах применяли главным образом двухпролетные и трехпролетные неразрезные балки. В последние 10-15 лет с целью повышения эксплуатационных качеств сооружения число пролетов неразрезных систем практически не ограничивают. С увеличением общей длины пролетного строения температурные перемещения его концов становятся весьма большими и требуется устройство совершенных деформационных швов. Кроме того, тормозные силы, передающиеся на неподвижные опорные части, также велики, что должно быть учтено при проектировании опор.

В пролетных строениях с неразрезными балками при числе пролетов более двух целесообразно, чтобы величины изгибающих моментов в средней части крайних и средних пролетов были примерно одинаковыми. В этом случае, назначив размеры поперечного сечения и армирование балки в этих пролетах также одинаковыми, можно получить простую конструкцию с полным использованием прочности бетона и арматуры. Этому удовлетворяет отношение длины крайнего пролета к среднему, равное ?0,8 при трехпролетной схеме и ?0,7 при большем числе пролетов. Местные условия могут потребовать и другого соотношения между длиной крайних и средних пролетов.

Неразрезные балки - статически неопределимые системы. Степень их статической неопределимости равна числу опор минус два. Как и во всякой статически неопределимой системе, при неравномерных осадках опорных точек в неразрезных балках возникают дополнительные изгибающие моменты. Поэтому неразрезные пролетные строения не рекомендуется применять, если возможны существенные осадки оснований опор. Опоры должны быть заложены в малосжимаемых грунтах или на жестких свайных основаниях.

Многопролетная неразрезная система может быть преобразована в статически определимую консольную систему, если включить шарниры в отдельных поперечных сечениях. Такая система нечувствительна к осадкам опор.

Введение шарниров дает четкое распределение знаков изгибающих моментов в том пролете, где они введены: в сечениях консолей действуют только отрицательные моменты, и требуется постановка рабочей арматуры только в верхней зоне; в подвесных балках имеются лишь положительные моменты и арматуру надо ставить только внизу. Это дает определенные конструктивные и технологические преимущества, позволяя, например, применять в качестве подвесных балок типовые пролетные строения с простыми балками.

С другой стороны, в консольных пролетных строениях возникают переломы профиля проезда под временной нагрузкой, а иногда и вследствие длительных деформаций. Это серьезный недостаток, особенно при высоких скоростях движения транспорта. Кроме того, увеличивается количество деформационных швов, что также нежелательно.

Иногда применяют однопролетные консольные мосты под автомобильную дорогу (рис. 1.11, а), конструкция которых экономична, так как не требует сооружения устоев. Кроме того, консоли разгружают основной пролет. При длине консоли а = 0,3-0,4l можно добиться равенства нулю изгибающего момента в середине пролета от постоянной нагрузки.

При сопряжении моста с насыпью без устоя необходимо исключить значительные осадки насыпи и обеспечить постепенное возрастание жесткости основания проезжей части у въезда на мост. Для этого применяют железобетонные плиты, заложенные в насыпь и шарнирно прикрепленные к концу пролетного строения. Однако и в этом случае в период начала эксплуатации моста часто наблюдаются заметные осадки насыпи, препятствующие движению транспорта с высокими скоростями.

Однопролетные консольные системы нередко применяют в случаях, когда вследствие стесненных условий подмостового габарита или из архитектурных соображений необходимо уменьшение строительной высоты пролетного строения в середине пролета. Такие требования часто предъявляют к городским мостам.

В городском консольном мосту, как показано на рисунке 1.11, б сокращение строительной высоты пролетного строения в середине пролета достигнуто устройством шарнира, обеспечивающего равенство нулю изгибающего момента в этом сечении. Система моста - трехпролетная, статически неопределимая, крайние пролеты значительно меньше средних. Консольные балки предохраняют от опрокидывания противовесами, вынесенными на консоли за крайние опоры, которые оформлены в виде двух шарнирных стоек.

Рисунок 1.11 - Схемы консольных мостов

Если объединить опоры с пролетным строением так, чтобы изгибающие моменты, возникающие в сечениях опор, облегчали работу на изгиб пролетного строения, получим рамную систему. Рамные системы ,как показано на рисунке 1.12, часто использовали до широкого распространения сборных железобетонных конструкций мостов. Несущая конструкция их состоит из горизонтального ригеля и жестко связанных с ним железобетонных стоек.



Рисунок 1.12 - Схемы монолитных рамных мостов

Основным недостатком таких рамных мостов является трудность индустриализации их строительства. Чтобы собрать рамный мост из элементов, изготовленных на заводе, необходимо расчленить его конструкцию на монтажные блоки стыками, расположенными в сечениях со значительными изгибающими моментами. Соединение и омоноличивание стыков следует производить на месте.

Монолитные рамы, как показано на рисунке 1.12, применяли только при малосжимаемых основаниях опор, так как при осадках или горизонтальных смещениях опор в сечениях ригеля и стоек возникают дополнительные изгибающие моменты. Кроме того, при большой длине рамы в ней могут возникать значительные изгибающие моменты от воздействия температуры. Можно уменьшить влияние смещений опор, а также температуры и усадки бетона, включив в конструкцию рамы шарниры и деформационные швы.

Развитие конструкций и методов сооружения мостов из предварительно напряженного железобетона позволило строить балочные неразрезные, консольные. А также рамные мосты значительных пролетов, например мост консольной системы пролетом 148 м, сооруженный в СССР в 1962 г. (см. рис. 1.12), построенные в 1965 г. мост через р. Рейн у Бендорфа (208 м) и в 1972 г. мост Урадо в Японии (229 м).

Эффективными методами сооружения мостов больших пролетов из преднапряженного железобетона являются способ навесного бетонирования, предложенный в ФРГ и широко применяемый за рубежом, и способ навесной сборки, разработанный в СССР (так называемый «русский способ»). Оба эти метода не требуют подмостей в пролете: сооружаемые балки или ригели рам постепенно наращивают от опор в пролет в виде консолей, как показано на рисунке 1.13, а. Ригели или балки сооружают в обе стороны от промежуточных опор уравновешенно, чтобы в опоре не возникали значительные изгибающие моменты, как показано на рисунке 1.13, б.

Рисунок 1.13 - Сооружение неразрезных пролетных строений навесным способом

При навесном бетонировании наращивание консолей ведут бетонированием очередной секции на подмостях, подвешиваемых к готовой части балки или ригеля. После затвердевания бетона и натяжения арматуры, закрепляемой на забетонированном участке, подмости перемещают вперед. При навесной сборке блоки балки или ригеля, размеры которых определяются грузоподъемностью применяемых кранов, заготовляют на заводе или полигоне и поочередно подвешивают к ранее собранной части консоли, закрепляя их натяжением арматуры.

Сооружаемая внавес часть моста работает в период постройки на отрицательные изгибающие моменты, требующие расположения рабочей арматуры у верхнего волокна ,как показано на рисунке 1.14, а. Рационально использовать эту арматуру и для работы на постоянную и временную нагрузки при эксплуатации моста. При возникновении в период эксплуатации положительных изгибающих моментов необходима дополнительная арматура в нижней зоне, однако количество такой арматуры должно быть минимальным, так как размещение и закрепление ее связаны с конструктивными трудностями. В связи с этим стали применятьрамно-консольные и рамно-подвесные мосты.

Рисунок 1.14 - Схемы рамно-консольных и рамно-подвесных мостов

Основой таких мостов служат Т-образные рамы, ригели которых сооружают навесным способом. В рамно-консольной системе ,как показано на рисунке 1.14, б, Т-образные рамы соединяют в середине пролетов шарнирами, допускающими относительные продольные перемещения концов ригелей соседних рам. В рамно-подвесной системе, как показано на рисунке 1.14, в, на концы ригелей смежных рам опирают подвесные балки, имеющие одну неподвижную и одну продольно-подвижную опорные части. При этом для установки подвесных балок на ригели обычно требуются краны большей грузоподъемности, чем для навесной сборки ригелей.

С другой стороны, рамно-подвесные мосты лучше вписываются в очертание требуемого подмостового сухоходного габарита. Кроме того, в рамно-консольных мостах у шарниров возникают положительные изгибающие моменты от временной нагрузки в соседнем пролете, что может привести к необходимости постановки нижней рабочей арматуры. В рамно-подвесных мостах ригели работают только на отрицательные, а подвесные балки только на положительные моменты. Переломы профиля в шарнирах рамно-подвесных систем менее резкие, чем рамно-консольных.

При назначении основных размеров схемы рамно-консольных и рамно-подвесных мостов необходимо иметь в виду, что опоры работают на изгиб при несимметричном расположении временной нагрузки и требуют довольно мощного армирования. В опорах не должны возникать дополнительные моменты от постоянной нагрузки, поэтому нагрузки, действующие на консоли ригеля от собственного веса и от веса подвесных балок, следует уравновешивать. Пролеты подвесных балок часто зависят от возможности установки балок кранами, т. е. не превышают 42 м.

Навесным способом строят и мосты с неразрезными или консольными балками. В этом случае балки сооружают как консоли, используя в качестве анкерных береговые пролеты, построенные на подмостях, как показано на рисунке 1.13, а. Многопролетные конструкции можно сооружать уравновешенно в обе стороны от промежуточных опор. Для этого балку объединяют с опорой, как показано на рисунке 1.13, б, образуя на время постройки Т-образную раму, или рядом с постоянной опорой сооружают временные. По окончании постройки пролетное строение объединяют в неразрезную или консольную балку и освобождают от связи с опорой, оставляя лишь шарнирное опирание. В таких пролетных строениях необходима дополнительная нижняя арматура в средней части пролета.

Рамно-консольный мост можно превратить в рамно-неразрезной, соединив концы ригелей Т-образных рам после сооружения не шарнирами, а жестко. В полученной системе требуется нижняя арматура. Степень статической неопределимости, а, следовательно, и чувствительность к перемещениям опор, воздействию температуры и усадки бетона при этом возрастают. Однако уменьшаются деформации от действия временной нагрузки, что особенно важно для мостов под железную дорогу.

Разновидностью рамно-неразрезных мостов является рамная система с наклонными стойками, получившая название «бегущая лань» ,как показано на рисунке 1.15. Эта система имеет хороший внешний вид и особенно рациональна при переходах через ущелья с крутыми откосами, где наклон стоек позволяет существенно уменьшить их длину.

Рисунке 1.15 - Рамная система типа «бегущая лань»

В шарнирах консольных, рамно-консольных и рамно-подвесных мостов при проходе сравнительно тяжелой железнодорожной нагрузки наблюдаются переломы профиля пути ,как показано на рисунке 1.16. Это увеличивает динамическое воздействие нагрузки на мост и препятствует плавному проходу подвижного состава, что особенно неблагоприятно при высоких скоростях движения. Поэтому системы, имеющие шарниры в балках или ригелях рам, для мостов под железнодорожную нагрузку применяют редко. Угол перелома упругой линии от нормативной временной вертикальной нагрузки должен быть проверен расчетом. Он не должен превосходить допускаемой величины 0,006 радиана.



Рисунок 1.16 - Деформация рамно-подвесного моста при загружении одной консоли ригеля

Кроме навесных способов сооружения пролетных строений мостов средних и больших пролетов в ряде случаев оказывается целесообразной продольная надвижка неразрезных пролетных строений ,как показано на рисунке 1.17. На берегу устраивают жесткий стапель (1), на котором сооружают первую секцию (3) пролетного строения с применением крана (2). Готовую часть пролетного строения с помощью домкратов или лебедок выдвигают в пролет и изготовляют следующую секцию, соединяя ее с первой. Этот процесс повторяют до окончания сооружения пролетного строения.

Рисунок 1.17 - Продольная надвижка неразрезного пролетного строения

Во время передвижки необходимо обеспечивать устойчивость пролетного строения против опрокидывания, а изгибающие моменты в сечениях не должны быть слишком велики. Для этого, как правило, используют аванбек (5) -легкую металлическую консоль, прикрепляемую к концу надвигаемого пролетного строения. Аванбек достигает следующей опоры при сравнительно небольших изгибающих моментах в конструкции. Если аванбека недостаточно, можно применить временные опоры (6) для поддержки пролетного строения во время надвижки, однако использование их нежелательно. Лучше увеличить длину аванбека, применяя для его изготовления высокопрочную сталь, алюминиевый сплав, или поддерживая аванбек с помощью тросового шпренгеля так, чтобы при надвижке пролетное строение опиралось только на постоянные опоры (4).

Сборку на берегу осуществлять удобнее, чем в пролете (как при навесном монтаже). Серьезный недостаток продольной надвижки, особенно при увеличении пролетов, - значительные изгибающие моменты в сечениях балки, возникающие во время передвижки и в ряде случаев превышающие моменты от постоянной и временной нагрузки при эксплуатации, а часто и не совпадающие с ними по знаку. Это приводит к необходимости постановки дополнительной монтажной арматуры, которую можно снять по окончании надвижки, но полностью использовать которую обычно не удается.

Части балки или рамы моста можно изготовлять на берегу в виде крупных блоков, выкатывать эти блоки по специально построенным пирсам в реку, поднимать плавучими опорами и доставлять на плаву в проектное положение. Этот способ требует больших затрат на вспомогательные сооружения (пирсы, подъемники, плавучие опоры) и оказывается приемлемым лишь при изготовлении и перевозке большого числа блоков.

В зарубежной и отечественной практике применяют метод монтажа неразрезных пролетных строений на перемещающихся из пролета в пролет металлических инвентарных подмостях, опирающихся на постоянные опоры. На подмости подают блоки, изготовленные на заводе. После окончания монтажа в одном пролете подмости перемещают в следующий пролет. Несмотря на значительный расход металла на инвентарные подмости этот способ монтажа целесообразно применять для многопролетных мостов при величине пролетов до 40-50 м.

За рубежом, в частности во Франции, построен ряд мостов рамной системы со стойками рам в виде сквозных шпренгельных треугольников. Пролеты таких рам достигают 80 м. Вертикальный элемент стойки имеет небольшую высоту (1/7-1/17l) и соединяется с пролетным строением шарнирно, как показано на рисунке 1.18, а. Наклонный элемент стойки работает на растяжение, поэтому выполняется предварительно напряженным.

Рисунок 1.18 - Разновидности рамных систем

В рамно-подвесных мостах с V- или Х-образными опорами можно добиться экономически целесообразного деления ригеля на пролеты, почти исключить из работы на изгиб наклонные элементы опор и сделать опоры сборными. Такие системы применены в ряде мостов за рубежом при пролетах до 85 м., как показано на рисунке 1.18, б.

Неразрезные и консольные балки или ригели рам при значительных пролетах можно усиливать на опорных участках, где действуют максимальные отрицательные изгибающие моменты, постановкой подкосов или подпруг, как показано на рисунке 1.19. Этот конструктивный прием аналогичен резкому увеличению высоты поперечного сечения у опор. Длину неусиленных участков балок в середине пролета получают небольшой. Расстояния между точками, в которых балка поддерживается подкосами или стойками подпруг, также невелики. Поэтому высоту главных балок можно назначить постоянной по длине и весьма малой по отношению к пролету (1/50-1/80l).

В главных балках таких систем, кроме изгибающих моментов, возникают продольные силы от горизонтальных составляющих усилий в подкосах или распора подпруг.

Веерно-подкосная система имеет наклонные подкосы, работающие на сжатие, как показано на рисунке 1.19, а.

Рисунок 1.19 - Усиление балок подкосами и подпругами

Эти подкосы целесообразно выполнять из железобетонных труб, изготовляемых методом центрифугирования на заводах.

Усиление неразрезной балки подпругами, как показано на рисунке 1.19, б, может дать достаточно экономичную конструкцию. Большим достоинством такой системы является хороший внешний вид. Однако эта система не приспособлена к навесному монтажу.

Следует отметить, что пролетные строения с неразрезными балками и рамные системы из предварительно напряженного железобетона до настоящего времени не нашли применения в отечественных мостах под железную дорогу. Отчасти это объясняется большей ответственностью железнодорожных мостов.

Однако представляется, что неразрезные и рамно-неразрезные системы, имеющие значительные преимущества перед простыми балками, могли бы быть успешно применены в железнодорожных мостах, опираясь на опыт проектирования строительства и эксплуатации мостов под автомобильную дорогу.

Конструктивные формы пролетных строений.

После установления схемы моста и назначения его основных размеров проектировщик выбирает тип поперечного сечения пролетных строений, а в случае применения сборных конструкций определяет систему членения сооружения на монтажные элементы.

В неразрезных и консольных балках и ригелях рам в сечениях у промежуточных опор возникают отрицательные изгибающие моменты, причем по абсолютной величине они, как правило, больше положительных моментов в середине пролетов. Отрицательные моменты вызывают появление сжатой зоны в нижней части сечения.

При работе сечения на положительный момент в сжатой зоне находится плита проезжей части значительной ширины, воспринимающая сжимающее усилие. При действии отрицательного момента в сжатую зону попадает нижняя часть сечения, которую целесообразно развивать, чтобы конструкция была экономичной.

Развитие нижнего пояса приводит к сечению коробчатой формы, получившему широкое распространение в пролетных строениях средних и больших пролетов. Нижняя плита коробчатого сечения служит сжатой зоной на участках балки, где действуют отрицательные изгибающие моменты, и позволяет удобно разместить преднапряженную арматуру в один-два ряда на участках с положительными моментами. Большим достоинством замкнутого коробчатого сечения является его жесткость при работе на кручение. По сравнению с незамкнутым сечением тех же размеров жесткость может быть больше в десятки раз. Это существенно улучшает работу пролетного строения при действии эксцентричной нагрузки.

Недостаток коробчатого сечения - несколько большая сложность изготовления. Этот недостаток успешно преодолевается применением современных способов изготовления элементов пролетных строений.

Выбор типа поперечного сечения зависит от принятого способа сооружения моста. Так, для сравнительно небольших пролетов, когда в качестве основных элементов неразрезных балок используют блоки пролетных строений с простыми балками, изготовляемые в стандартной опалубке, применяют характерные для простых балок поперечные сечения - тавровые или двутавровые. Тавровые сечения применены в проектах неразрезных балок, собираемых на передвижных подмостях.

Для неразрезных, консольных и рамных пролетных строений, сооружаемых способом навесного монтажа или навесного бетонирования, характерны коробчатые сечения. Такие сечения используют и в неразрезных пролетных строениях, сооружаемых способом продольной надвижки.

Форма коробчатых сечений разнообразна. Для пролетных строений под автомобильную дорогу с проезжей частью шириной до 15-20 м. можно использовать однокоробчатое поперечное сечение с развитыми консолями, как показано на рисунке 1.20, а. Стенки такого сечения часто делают наклонными, что позволяет существенно уменьшить ширину и объем опор. При большей ширине моста, а также при необходимости уменьшения ширины монтажных элементов по условиям изготовления, перевозки и монтажа блоков пролетных строений применяют сечение из двух или нескольких коробок. При этом, как правило, соединяют монтажным продольным швом края консолей верхней плиты соседних коробок ,как показано на рисунке 1.20, б. Если условия изготовления и транспортировки блоков позволяют применить коробку значительной ширины. Можно предусмотреть дополнительную стенку, как показано на рисунке 1.20, в, уменьшающую пролет плиты проезжей части. При этом становится более равномерным распределение по ширине плиты нормальных напряжений, возникающих при изгибе пролетного строения.



Рисунок 1.20 - Формы коробчатых сечений

Поперечное сечение может состоять из отдельных прямоугольных коробок, соединенных шпоночными швами, в которых располагают предварительно напряженную арматуру ,как показано на рисунке 1.20.

В неразрезных, консольных и рамных системах отрицательные моменты достигают значительной величины, в особенности при сооружении пролетного строения навесным способом от опор к серединам пролетов. Положительные изгибающие моменты от собственного веса конструкций в этих системах не возникают. К опорам увеличиваются и действующие в сечениях поперечные силы. В большинстве случаев целесообразны специальные меры для повышения сопротивления приопорных сечений отрицательным изгибающим моментам и поперечным силам.

Несущую способность опорных сечений по сравнению с сечениями в пролете можно повысить увеличением толщины ребер, что одновременно уменьшает главные растягивающие напряжения и несколько увеличивает площадь сжатой зоны. Если основное сечение имеет тавровую или двутавровую формы, то у опор располагают нижнюю плиту, которая может быть уширением нижнего пояса, или замыкают сечение, превращая его в коробчатое. Если сечение в пролете коробчатое, у опор увеличивают толщину нижней плиты и стенок коробки.

Перечисленные приемы могут быть использованы при постоянной высоте сечения балки на всей длине, например при изготовлении неразрезных пролетных строений на насыпи подходов с последующей продольной надвижкой, когда балку опирают на перекаточные опоры нижним поясом. Постоянная высота сечения оказывается целесообразной, так как упрощается технология изготовления (использование одной наружной опалубки для всех частей пролетного строения), а иногда и по архитектурным соображениям.

Мною был выбран балочный вид конструкции, так как для пешеходных мостов с небольшой длинной пролета он является наиболее выгодным в экономическом плане, и самым легко возводимым по сравнению с другими видами мостов.

Важно заметить, что данный проект не ограничивается только расчетами на прочность моста, так же упор сделан на дизайн строения и уместность возведения его в данном месте, дабы не нарушать архитектурный облик местности.

Я уверен в том, мой мост привнесет некую «изюминку» в облик города и станет одной из гордостей города.

2. Анализ существующих средств решения проблемы

В настоящее время существует множество программ, дающих возможность не только спроектировать какую-либо конструкцию, но и рассчитать ее на прочность и смоделировать дизайн. Рассмотрим эти программные обеспечения.

2.1 AdvanceConcrete

AdvanceConcrete - профессиональное моделирование железобетонных конструкций и автоматизированное создание рабочих чертежей.

AdvanceConcrete предназначен для инженеров и проектировщиков, и является специализированным приложением к AutoCAD для 3D моделирования железобетонных конструкций и автоматического создания чертежей общих видов, опалубочных чертежей и чертежей армирования.
AdvanceConcrete предоставляет совершенную технологию проектирования с мощными средствами для быстрого размещения элементов конструкций, автоматического создания видов и схем армирования, а также революционную среду управления чертежами.

Моделирование должно быть точным, эффективным и быстрым, т.к. модель является главным компонентом процесса создания всех опалубочных чертежей и чертежей армирования, ведомостей и т.д.

Для удобного моделирования AdvanceConcrete предоставляет обширную библиотеку объектов (балки, колонны, стены, перекрытия, лестницы, фундаменты и проемы) с ассоциативными свойствами. Стоит начертить конструкцию на виде в плане и AdvanceConcrete, используя заданную высоту, добавит третье измерение и автоматически создаст нужные разрезы и изометрические виды. Имеющиеся автоматические функции позволяют создавать фундаменты, вставлять крыши и лестницы, дублировать целиком этажи, копировать и вставлять элементы и т.д. Программа позволяет также находить коллизии в модели и корректировать проемы для их устранения.

AdvanceConcrete автоматически создает виды в плане, разрезы и сечения, виды фасадов и изометрические виды на основе заданной модели.

Также, предоставляет средства для автоматической маркировки и нанесения размеров для оптимизации процесса создания чертежей. Эти средства позволяют экономить время, т.к. при изменении модели производится автоматическое обновление всех чертежей, относящихся к данному проекту.

Рисунок 2.1 - Примеры работы AdvanceConcrete

железобетонный мостовой программный пролетный

AdvanceConcrete позволяет оценивать стоимость проектов с помощью ведомостей материалов, которые могут быть созданы на основе модели на любом этапе процесса проектирования.

В AdvanceConcrete реализованы два уникальных способа осуществления армирования:

а) Параметрическое армирование: Элементу конструкции присваивается «стиль армирования», в котором задается количество элементов арматуры, диаметры элементов и расстояния между ними. AdvanceConcrete затем создает чертежи армирования. Элементы армирования привязываются к опалубке и обновляются при внесении изменений в модель. Армирование колонн, стен, фундаментов, лестниц производится автоматически.

б) Вычерчивание арматуры: Обширная библиотека арматуры (прутки, прямоугольные и круглые хомуты и т.д.) позволяет армировать конструкции, начерченные на 2D планах. AdvanceConcrete позволяет точно задавать защитный слой бетона, диаметр арматуры, радиусы загибов. Кроме того, AdvanceConcrete производит раскладку сеток и оптимизацию их раскроя.

Средства трехмерной визуализации армирования позволяют контролировать раскладку арматуры и находить коллизии.

2.2 СПДС GraphiCS

СПДС GraphiCS - приложение, предназначенное для разработки проектно-технической документации в строгом соответствии с требованиями СПДС.

Элементы оформления, для удобства оформления проектной документации графическими обозначениями элементов ГОСТ соответствуют объектам СПДС, расположенным на панели. Инструменты на главной панели и ленте сгруппированы по назначению.Средства редактирования позволяют пользователю легко менять графическое отображение объекта в соответствии с требованиями ГОСТ. Все объекты СПДС используют специальный векторный шрифт, соответствующий единой системе конструкторской документации ГОСТ 2.304-81.

В сочетании с элементами оформления чертежа, утилиты оформления упрощают работу проектировщика.

Помимо упрощений черчения реализован прочностной расчет прямой балки постоянного сечения и вычисление геометрических характеристик замкнутого сечения.

СПДС GraphiCS обладает рядом сервисных функций, предоставляющих инструменты для управления поведением объектов:

- масштабирование;

- менеджер объектов;

- настройки СПДС

Специализированные возможности обеспечиваются уникальным набором инструментов, позволяющих создавать пользовательские объекты, управлять их поведением и передавать данные в табличные формы. Среди этих инструментов: группа объектов, мастер объектов, позволяющий создавать пользовательские объекты, универсальный маркер, редактор форм, связь данных чертежа с табличными формами.

2.3 SCAD Office

SCAD Office является набором программ, с помощью которых выполняются прочностные расчеты и проектируются строительные конструкции разных видов и направлений. В этот набор входят несколько различных программных модулей:

Вычислительный комплекс Structure CAD (ВК SCAD) - это универсальная расчетная система анализа работы конструкций, направленная на решение задач проектирования зданий и сооружений сложной структуры.

Вспомогательные программы - их задача упрощать и ускорять работу в SCAD, а также обеспечивать формирование и расчет геометрических характеристик различного вида сечений стержневых элементов (Конструктор сечений, КОНСУЛ, ТОНУС, СЕЗАМ). Определение нагрузок и воздействий на проектируемое сооружение (ВЕСТ), вычисление коэффициентов постели при расчете конструкций на упругом основании (КРОСС), импорт данных из архитектурных систем и формирование укрупненных моделей (ФОРУМ).

Проектно-аналитические программы КРИСТАЛЛ, КАМИН, АРБАТ - экспертиза и расчет элементов стальных и железобетонных конструкций в соответствии с требованием нормативной документации.

Проектно-конструкторские программы КОМЕТА и МОНОЛИТ - разработка конструкторской документации на стадии детальной проработки проектного решения.

Модульная структура позволяет сформировать конфигурацию программы SCAD для каждого отдельного пользователя так, что она будет максимально соответствовать его потребностям по классу решаемых задач, средствам создания расчетных схем, анализу и документированию результатов расчета.

Вычислительный комплекс SCAD дает возможность определить напряженно-деформированное состояние конструкций от статистических и динамических воздействий, а также выполнить ряд функций проектирования элементов конструкций. Комплекс SCAD снабжен модулями анализа прочности и подбора сечений элементов стальных конструкций, а также арматуры в элементах железобетонных конструкций.

В основу разработки проектно-аналитических программ SCAD положен принцип ориентации на строгое и, по возможности, полное выполнение требований, представленных в нормах по проектированию конструкций.

Проектно-конструкторские программы служат для разработки конструкторской документации на стадии детальной проработки проектного решения.

Расчетный анализ любой конструкции в программе SCAD начинается с попытки установить, что именно в рассматриваемом случае является существенным, а чем можно пренебречь. Такого рода упрощение задачи производится всегда, поскольку выполнение расчета с учетом всех свойств реальной конструкции возможно лишь с определенной степенью приближения.

Реальная конструкция, освобожденная от всех несущественных особенностей и представленная в связи с этим в некоторой идеализированной форме, называется расчетной схемой. Некоторые методы схематизации получили широкое распространение и имеют общий характер, другие методы схематизации вполне конкретны и связываются с каждой рассматриваемой задачей. Однако во всех случаях выбор расчетной схемы является важнейшим элементом анализа, одной из наиболее характерных черт инженерного искусства и характеризует уровень профессионального мастерства расчетчика.

Следует иметь в виду, что на ранних стадиях создания расчетной схемы в программе SCAD следует принять решение о том, будет ли расчет выполняться как линейный или как нелинейный, следует ли учитывать силы инерции и выполнять динамический расчет или можно ограничиться статическим анализом.

Все эти особенности ожидаемого поведения конструкции сказываются на выборе расчетной схемы, например, при определении возможных степеней свободы или при схематизации нагрузок, действующих на систему.

2.3 APM CivilEngineering

APM CivilEngineering -- CAD/CAE система автоматизированного проектирования строительных объектов гражданского и промышленного назначения. Эта система в полном объеме учитывает требования государственных стандартов и строительных норм и правил, относящиеся как к оформлению конструкторской документации, так и к расчетным алгоритмам. Главное меню представлено на рисунке 2.2.

APM CivilEngineering обладает широкими функциональными возможностями для создания моделей конструкций, выполнения необходимых расчетов и визуализации полученных результатов. Использование этих возможностей позволит сократить сроки проектирования и снизить материалоемкость строительного объекта, а также уменьшить стоимость проектных работ и строительства в целом.

Рисунок 2.2 - Главное меню APM CivilEngineering

Далее рассмотрим модуль, входящий в данное программное обеспечение - APM Structure3D. APM Structure3D предназначен для комплексного анализа трехмерных конструкций произвольной формы. С его помощью можно методом конечных элементов выполнить прочностной расчет произвольно закрепленных моделей, включающих стержневые, тонкие пластинчатые и объемные твердотельные элементы конструкций (включая сборки), а также канаты и произвольные комбинации всех перечисленных выше элементов. Исходные упруго-деформационные характеристики элементов при этом могут быть линейными, а также геометрически и физически нелинейными. Пример работы представлен на рисунке 2.3.

Анализ полученных результатов и последующая модификация позволяет выбрать наилучшие конструктивные решения, оптимальные по весу и стоимости.

Рисунок 2.3 - Рабочее окно APM Structure 3d

Рассмотрим функциональные возможности APM Structure 3d.

Линейные решения:

- расчет напряженно-деформированного состояния;

- расчет критических сил и форм потери устойчивости;

- тепловой расчет;

- расчет термоупругости.

- Нелинейные решения:

- расчет напряженно-деформированного состояния с учетом геометрической нелинейности;

- расчет критических сил и форм потери устойчивости;

- расчет напряженно-деформированного состояния с учетом физической нелинейности;

- расчет напряженно-деформированного состояния для случая контактного взаимодействия.

Динамический анализ:

- определение частот и форм собственных колебаний, в том числе с предварительным нагружением;

- расчет вынужденных колебаний - определение поведения системы при заданном законе изменения вынуждающей нагрузки от времени с анимацией колебательного процесса;

- расчет на вибрацию оснований.

- Результатами расчетов являются:

- распределение эквивалентных напряжений и их составляющих, а также главных напряжений;

- распределение линейных, угловых и суммарных перемещений;

- распределение деформаций по элементам конструкции;

- карты распределения и эпюры внутренних усилий;

- распределение усилий в контактной зоне;

- коэффициент запаса устойчивости и форма потери устойчивости;

- распределение коэффициентов запаса и числа циклов по критерию усталостной прочности;

- распределение коэффициентов запаса по критериям текучести и прочности;

- распределение температурных полей и термонапряжений;

- координаты центра тяжести, вес, объем, площадь поверхности, моменты инерции модели, а также моменты инерции, статические моменты и площади поперечных сечений;

- реакции в опорах, а также суммарные реакции, приведенные к центру тяжести модели конструкции.

Входные данные и результаты расчета можно вывести в тестовый файл формата RTF, пригодный для последующего редактирования.

При создании модели строительного объекта можно использовать следующие типы конечных элементов:

- cтержневые - произвольных поперечных сечений;

- гибкие элементы - канаты;

- пластинчатые - треугольные и четырехугольные;

- оболочечные;

- твердотельные - изопараметрические четырехузловые, шестиузловые и восьмиузловые;

- специальные элементы: упругие связи, упругие опоры, контактные элементы, сосредоточенные массы и моменты инерции.

- Нагрузки и воздействия:

- сосредоточенные силы и моменты (постоянные и переменные во времени);

- распределенные нагрузки по длине, площади и объему (постоянные и переменные во времени);

- нагрузки, заданные линейным и/или угловым перемещением (постоянные и переменные во времени);

- снеговые, ветровые и сейсмические (по СНиП), с учетом распределенных и сосредоточенных масс, линейных и вращательных степеней свободы;

- давление гидростатического типа;

- давление контактного типа;

- расчетные сочетания усилий (РСУ);

- центробежные (заданные линейным и/или угловым ускорением);

- гравитационные;

- температурные градиенты.

Для моделирования реального нагружения модели конструкции возможно использовать произвольные комбинации перечисленных выше нагрузок.

Дополнительные возможности:

- внецентренное соединение стержневых элементов модели конструкции;

- шарнирное соединение элементов конструкции;

- освобождение связей стержневого элемента в узле;

- задание совместных перемещений;

- импорт/экспорт сетки конечных элементов (BDF/DAT, SFM);

- введение локальной системы координат в узле;

- расчет кручения в стержневых элементах;

- интерактивное полуавтоматическое разбиение на конечные элементы;

- наличие операции генерации узлов металлоконструкций.

Как показано выше, у каждой программы есть свои достоинства и недостатки. Каждая из них дает широкий спектр возможностей, необходимых проектировщику и инженеру. Для своей работы, мною была выбрана программа APM CivilEngineering, так как ее интерфейс был для меня наиболее понятен и легок в освоении. Также, причиной моего выбора, послужила доступность данного продукта для студентов СКГМИ. Значения, полученные в ходе работы программы, являются достаточно точными, для построения реальных сооружений.

3. Автоматизированное проектирование объекта

Расчет нашей модели мы будем проводить в программе APM Structure 3d, как было сказано выше. В ходе расчетов следует получить следующие значения: