Динамический анализ НДС в грунтозасыпных мостах с железобетонными сводчатыми пролетными строениями при землетрясении

ДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ НДС В ГРУНТОЗАСЫПНЫХ

МОСТАХ С ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫМИ СВОДЧАТЫМИ ПРОЛЕТНЫМИ СТРОЕНИЯМИ ПРИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИИ

A DYNAMIC ANALYSIS OF THE SSS IN THE FILLED UP WITH SOIL BRIDGES CONTAINING FERROCONCRETE ARCHED BRIDGE SPANS IN A TIME OF AN EARTHQUAKE

Излагаются конструктивные особенности, методика и результаты исследования напряженно - деформированного состояния грунтозасыпного мостового сооружения с цилиндрическим сводом постоянной толщины из монолитного железобетона на основе плоской конечно-элементной модели на совместное действие постоянных, временных и сейсмических нагрузок.

Presented are design specialties, the procedure and the results of investigating the stress- strained state of a filled up with soil bridge construction with a cylindrical arch of a constant thickness from a monolithic reinforced concrete on the basis of a flat finite-element model to the seismic actions.

Повышение надежности и долговечности мостов - одна из основных задач эксплуатации дорожной сети, так как мосты являются наиболее ответственными и сложными элементами дорог. Фактически именно мосты определяют пропускную способность автомобильных автодорог. Один из путей решения проблемы морального и физического старения малых и средних мостов заключается в замене традиционных балочных мостов на грунтозасыпные мостовые сооружения (ГМС) со сводчатыми пролётными строениями из железобетона [5] (рис. 1).

В.С.Сафронов, В.В. Зазвонов V.S. Safronov, V.V. Zazvonov

ГОУ ВПО ВГАСУ

Рис. 1. Общий вид однопролетного арочного грунтозасыпного моста

7/)П11 ВЕСТНИК

_Z/2°ll_мгсу

Разработанные технологии по замене балочных мостов грунтозасыпными сооружениями, которые хорошо проявили себя в средней полосе России, не нашли применения в сейсмоопасных районах из-за опасности возможных последствий. Нет надежных теоретических и экспериментальных исследований поведения арочных грунтоза-сыпных мостов при сейсмических воздействиях. В настоящей статье выполняются исследования НДС несущих элементов однопролётного ГМС при совместном действии постоянных, временных и сейсмических нагрузок.

По сравнению с широко распространенными на автодорогах РФ балочными железобетонными мостами эти сооружения имеют ряд следующих преимуществ: не нарушают целостность земляного полотна и дорожной одежды, применяются в любых сочетаниях плана и профиля автомобильной дороги, достаточно экономичны при строительстве и эксплуатации, имеют резерв грузоподъемности за счет совместной работы песчаной засыпки и свода. Экономическая эффективность их применения подтверждается имеющимися опытом проектирования и строительства грунтозасыпных сооружений. При использовании ГМС отмечается снижение финансовых затрат при их содержании, значительно сокращается срок их окупаемости.

Для изучения особенностей поведения железобетонного свода при сейсмических воздействиях принято широко распространенное на дорогах ГМС со следующими параметрами: наружный радиус - 6,15 м, цилиндрический свод из бетона класса В30 толщиной 0,3 м. Глубина заложения свода от поверхности проезжей части до «ключа» сооружения -0,55 м. Модуль упругости и коэффициент Пуассона песчаной засыпки -Е=40МПа, v=0,3.

При проведении расчетов на действие постоянных и временных нагрузок принималась подробно описанная нами в [3] плоская расчетная схема ГМС и вычислительный конечно-элементный комплекс Plaxis [4], позволяющий моделировать нелинейное поведение грунтовой засыпки над железобетонным сводом при загружении в соответствии с моделью Мора - Кулона. Для получения полных напряжений и деформаций в характерных сечениях железобетонного свода и грунтовой засыпки использован поэтапный расчет с пошаговым приложением действующих нагрузок.

Расчетная модель для сейсмического расчета мостового сооружения принимается применительно к разработанной на кафедре строительной механики ВГАСУ конечно-элементной программе PLAST, реализующей описанный в статье [2] алгоритм расчета совместных колебаний сплошной однородной упругой среды и плоской стержневой системы при кратковременных воздействиях.

В программе PLAST упругая среда представляется в виде прямоугольной расчётной области с заданием граничных условий в виде свободного края, упругого или жесткого закрепления или демпфирующих связей, которые гасят отраженные волны. Дискретизация расчётной области автоматически осуществляется программой в виде регулярной сетки прямоугольных конечных элементов (КЭ) по заданному размеру элемента. Сводчатое пролетное строение и фундаментные конструкции в плоской КЭ-ой расчетной схеме представляется стержневой системой (рис. 2).

Сейсмическое возмущение в программе PLAST принималось для левых граничных узлов грунтового массива с помощью акселерограммы типового землетрясения заданной интенсивности.

Рис. 2. Динамическая расчетная схема ГМС на свайном основании с поэлементной дискретизацией несущих элементов для расчёта на сейсмические воздействия

По результатам численных исследований сопоставлялись значения внутренних усилий для следующих сочетаний нагрузок:

№1 - собственный вес свода + собственный вес засыпки;

№2 - собственный вес свода + собственный вес засыпки + временная колесная нагрузка Н14 над средним сечением;

№3 - собственный вес свода + собственный вес засыпки + временная нагрузка колесная Н14 над % пролета;

№4 - собственный вес свода + собственный вес засыпки + временная колесная нагрузка Н 14 над пятой;

№5 - собственный вес свода + собственный вес засыпки + сейсмическая нагрузка интенсивностью 9 баллов, вызванная горизонтальными перемещениями грунта + временная автомобильная нагрузка интенсивностью 13,73кН/м;

№6 - собственный вес свода + собственный вес засыпки + сейсмическая нагрузка интенсивностью 9 баллов, вызванная вертикальными перемещениями грунта + временная автомобильная нагрузка интенсивностью 13,73кН/м.

При проведении численных расчетов изучалось распределение по длине свода нормальных усилий N и изгибающих моментов М для описанных выше сочетаний нагрузок. При этом в целях упрощения анализа не учитывались рекомендуемые действующими нормативными документами коэффициенты сочетания.

Изополя приведенных напряжений в окружающем несущий железобетонный свод грунтовом массиве, полученные для фиксированного момента Т=4,0с после начала кинематического воздействия, изображены на рис. 3. Сгущающимся красным цветом показаны уровни растягивающих, синим - сжимающих напряжений, что отражает волновой характер динамического процесса деформирования ГМС.

а) б)

Рис. 3. Изополя приведенных напряжений в грунтовом массиве при: а) горизонтальных и б) вертикальных сейсмических воздействиях для фиксированного момента T=4,0c.

Для иллюстрации выполняемых сейсмических расчетов на рис. 4 приведены графики изменения изгибающих моментов в пяти исследуемых сечениях свода, построенные по результатам численных расчетов по программе PLAST для типовой акселерограммы, соответствующей 9-балльному землетрясению. м, кНмI 27 21 15 90 30

усилия в «левой пяте»; усилия в % пролета; усилия в середине проле-

- усилия в % пролета;

- усилия в «правой пяте».

Рис. 4. Расчетные графики изменения изгибающих моментов в характерных сечениях свода при горизонтальных ускорениях грунта интенсивностью 9 баллов.

Сопоставление максимальных значений нормальных усилий N в сечении свода в пяте и изгибающих моментов в замковом сечении для шести сочетаний нагрузок приведены на рис.5.

о -100 -200 -300 -400 -500 -600

529.:

16.2

»

уи.

350

_300

250

-200

_150

100

- 50

_ 0

-50

-до

150

-700 - _

I

к н №1 и №2 И№3 и №4 и №5 "№6 „ Н1№1 Я №2 ИЖ) И №4 Я №5 1№6 а) * б)

Рис. 5. Сопоставления максимальных усилий для принятых сочетаний нагрузок: а) сжимающих усилий в «пяте»; б) изгибающих моментов в середине пролета.

В табл. 1 приведены полученные по результатам численных расчетов для всех рассматриваемых сочетаний максимальные значения усилий N Мв характерных сечениях свода

Выполненные численные исследования привели к следующим выводам: 1. При воздействии 9-балльной сейсмической волны с горизонтальными ускорениями зафиксированные в исследуемых сечениях изгибающие моменты составляют от 24 до 90% и сжимающие усилия - от 17 до 34% от максимальных внутренних усилий, возникающих при проезде автомобилей.

Таблица 1

Максимальные значения внутренних усилий в характерных сечениях свода

Сечение Максимальные усилия при сочетании нагрузок

№1 №2 №3

N кН М, кНм N кН М, кНм N кН М, кНм

Пята -288.32 83.33 -463.88 40.86 -460.93 149.30

1/4 пролета -193.62 -6.39 -412.10 54.76 -245.31 -50.73

Замок -152.04 11.23 -306.57 -97.73 -176.96 25.79

Сечение Максимальные усилия при сочетании нагрузок

№4 №5 №6

N кН М, кНм N кН М, кНм N кН М, кНм

Пята -529.27 53.45 -616.23 184.54 -583.43 217.46

1/4 пролета -410.59 15.52 -656.90 75.78 -451.20 106.30

Замок -276.64 13.19 -712.91 282.97 -363.81 57.62

2. При вертикальных колебаниях грунтового массива зафиксированы в исследуемых сечениях изгибающие моменты которые достигают 46% и сжимающие усилий - 11% от максимальных внутренних усилий, возникающих при проезде автомобилей.

3. Для снижения внутренних усилий в грунтозасыпных мостах проектируемых в сейсмически активных районах рекомендуется устраивать стягивающие опоры ГМС затяжки.

7/)п11 ВЕСТНИК _^/2ott_мгсу

Литература

1. СНиП 2.05.03-84*. Мосты и трубы / Минстрой России.- М.: ГП ЦПП, 1996. -214 с.

2. Петреия E.H. Расчёт колебаний балочного пролётного строения автодорожного моста при кратковременном импульсном воздействии / E.H. Петреня, A.A. Петранин // Современные методы статического и динамического расчета сооружений и конструкций : межвуз. сб. науч. тр. / ВИСИ. - Воронеж, 1993. - Вып. 2. - С.39-47.

3. Сафронов B.C., Зазвонов В.В. Влияние деформационных характеристик песчаной засыпки на напряженно-деформированное состояние грунтозасыпных мостов / Строительная механика и конструкции, 2010, №1. С 16-20.

4. Справочное руководство Plaxis. НИИ «Информатика». Санкт-Петербург, 2004г. -182с.

5. Боль A.A., Зазвонов В.В. Способ капитального ремонта моста и арочный грунтозасып-ной мост / Патент на изобретение № 013832. 30.08.2010. Бюл. № 4.

6. Гордеев В.Н., Лантук-Лященко А.Н. и др. Нагрузки и воздействия на здания и сооружения. - М.: Издательство ассоциаций строительных вузов, 2007. - 476 с.

7. Городецкий A.C., Зоворицкий В.И. и др. Метод конечных элементов в проектировании транспортных сооружений - М.: Транспорт, 1981. - 143 с.

8. Сафронов B.C., Горячев В.Н., Нгуен Х.К. Методика расчета риска возникновения предельных состояний в железобетонных пролетных строениях автодорожных мостов при землетрясении // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура. - 2008. - 3 (11). - С. 36-43.

The literature

1. Building Code 2.05.03-84*. Bridges and pipes/ Minstroy of Russia. - M.: GP OF TSCPP, 1996. - 214p.

2. Petrenya E.N. The calculation of the fluctuations of the girder bridge span of highway bridge under the short-term pulse influence/ E.N. Petrenya, A.A. Petranin // The contemporary methods of the static and the dynamic calculation of buildings and constructions: intercollegiate. coll. scientific. tr. /VCEI. - Voronezh, 1993. - Iss. 2. - p. 39-47.

3. Safronov V.S., Zazvonov V.V.. The influence of sand filling in deformation specifications on the stress-strained state of the filled in with soil bridges/Structural mechanics and structures, №1, 2010,- Voronezh, - p. 16-21

4. The reference management Of Plaxis. NIP "information theory". Saint Petersburg, 2004. - 182 p.

5. Bol A. A., Zazvonov V.V. The method of the innovation repair of a bridge and an arched filled in with soil bridge/Patent for the invention № 013832. 30.08.2010. Byl. № 4

6. Gordeev V.N., Lantuk-Lyashenko A.N. and others. Consequences caused by the pressure on buildings and constructions. - M.: Publishing house of association of contractual higher education schools, 2007.- 476p.

7. Gorodetsky A.S., Zovoritsky V.I. and others. The method of final elements in the design of transport constructions. - M.: Transport, 1981. - 143p.

8. Safronov V.S., Goryachev V. N., Nguen Kh.K. The technique for calculation of limiting state risk in reinforced concrete spans of highway bridges under earthquake // Nauchny Vestnik VGASU. Stroitelstvo i arkhitektura. - 2008. - 3 (11). - p. 36-43.

Ключевые слова: грунтозасыпной мост, железобетонный свод, песчаная засыпка, свайное основание, непологий свод, напряженно-деформированное состояние, сейсмическое воздействие

The keywords: filled in with soil bridge, ferroconcrete arch, sand filling, pile base, un-sloped arch, stress-strained state, the seismic action

E-mail: vss22@mail.ru, vladimirzazvonov@yandex.ru

Рецензент: A.A. Петранин, канд .техн. наук, ст. научн. сотр. НИЦ «Дормост» Воронежского государственного архитектурно-строительного университета