Совершенствование методов расчета обделок тоннелей из стальных гофрированных элементов

Развитие городов и увеличение протяженности автомобильных и железных дорог требует применения все более совершенных и рациональных транспортных пересечений, обеспечивающих одновременно простоту производства работ, гармоничность архитектурных решений, долговечность и прочность самого сооружения. К ним в частности относятся сооружения из металлических гофрированных элементов (СМГЭ), которые могут применяться в транспортном строительстве, как в качестве коллекторов, мостов, водопропускных труб, так и в качестве тоннелей различного назначения.

К настоящему времени накоплен обширный опыт использования большепролетных конструкций из гофрированных элементов. Широкое распространение гофрированные конструкции получили в США, Канаде, Японии, Франции, Италии, Скандинавских странах. Сейчас в нашей стране активно развивается строительство большепролетных сооружений, тогда как 30 лет назад строительство гибких гофрированных конструкций было достаточно редко, даже применительно к водопропускным трубам.

За последние 10 лет наметилась тенденция к распространению СМГЭ отечественного производства, построены многочисленные большепролетные сооружения: в 2000;2001 гг. сооружен автодорожный тоннель на линии Лед-мозеро — Кочкома в Карелии под габарит Г-8 длиной 35 м, малые мосты в Вологодской и Московской области по схеме «арка-труба» пролетами 8 и 5 м, высотой 4 и 2,4 м соответственно, в 2002 г. — мост через р. Оккервиль пролетом 14 м под железной дорогой, путепровод под железной дорогой на линии Санкт-Петербург — Луга, автодорожный и железнодорожный двухпролетный тоннель длиной 10 м на 4 км Октябрьской ж.д., в 2002;2004 г. г. — два автодорожных путепровода и трехрполетный мост через р. Чибри на автодороге Южно-Сахалинск — Оха — Москальво на о. Сахалин, в 2003 г. построен автодорожный тоннель над путями железнодорожной линии на дороге Санкт-Петербург-Псков, с 2004 по 2008 г. г. построены мосты и водопропускные сооружения диаметром от 3 до 8 м на линии Чум-Лабытнанги Северной ж.д., на обходе г. Семикаракорска, в Белгородской области, Мартыновском районе, на трассе М4 Дон, в 2009 г. — путепроводы тоннельного типа в г. Сочи в Красной Поляне, в г. Курске, Краснодарском крае и др. [56,67].

В ближайшие годы в Российской Федерации планируется реализация государственной программы развития транспортной системы страны, в рамках которой будут реконструированы и построены автомобильные и железные дороги, мосты и тоннели, при возведении которых будут востребованы СМГЭ [77].

Реализация проектов строительства СМГЭ в России вызывает необходимость совершенствования нормативной базы, включая расчетные положения, т.к. ранее разработанные методики расчета относятся к СМГЭ малых пролетов до 3−5 м, что требует адаптации или пересмотру их применительно к большепролетным конструкциям этого класса.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ определяется увеличением масштабов строительства тоннельных развязок для движения в разных уровнях, где успешно могут быть применены 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, например, построенные в Санкт-Петербурге конструкции получили недопустимые деформации, как на стадии сооружения, так и непосредственно после ввода в эксплуатацию [93]. Полученные дефекты свидетельствуют 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.

Цель диссертации — установить закономерности в формировании напряженно-деформированного состояния (НДС) системы, состоящей из гибкой гофрированной конструкции и окружающего грунта. засыпки на различных этапах строительства и эксплуатации с учетом конструктивных особенностей и технологии возведения. Для этого должны быть определены: рациональное очертание обделки, влияние основных параметров на НДС системы «обделка — грунтовый* массив» с последующей разработкой методики расчета на основе выполненных исследований.

В соответствии с поставленной целью определены задачи исследований:

— анализ существующих методов расчета СМГЭ на статические нагрузки;

— разработка конечно-элементных моделей системы «обделка — грунтовый массив»;

— исследование НДС системы «обделка — грунтовый массив» при воздействии статических нагрузок с учетом технологической последовательности возведения СМГЭ;

— анализ данных экспериментальных исследований;

— учет результатов экспериментальных исследований для корректировки теоретических исследований;

— разработка методики расчета СМГЭ на статические нагрузки;

— разработка рекомендаций по проектированию и возведению СМГЭ. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Методы исследований предусматривают комплексный подход, включающий научный анализ, обоснование и обобщение материалов по вопросам применения СМГЭ.

В теоретических исследованиях использовано математическое моделирование на основе метода конечных элементов (МКЭ). Разработаны численные плоские и пространственные конечно-элементные 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 [45,79,81,109,113,114,118].

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 «Атом-Динамик» и ООО «Гофра-2001"[88, 104]. НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ заключается в следующем:

— проанализированы данные теоретических и экспериментальных исследований СМГЭ;

— разработаны конечно-элементные модели системы- «обделкагрунтовый массив», в том числе впервые — объемные, с учетом технологии возведения конструкции;

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

— обобщены результаты экспериментальных отечественных и зарубежных исследований работы СМГЭ. Полученные 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»;

— характеристики НДС системы «обделка — грунтовый массив».

ДОСТОВЕРНОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ОБОСНОВАНА:

— 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, сопоставленных 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 автодорожного тоннеля^ на трассе Москва-Белгород, в научно-исследовательской работе НИЦ ТМ ОАО ЦНИИС, а также в учебном процессе кафедры «Мостов и транспортных тоннелей» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего^ профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» (Приложение I).

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты исследований и основные научные положения диссертационной работы доложены:

— на научно — методических и научноисследовательских конференциях МАДИ (ГТУ), 2003;2010 г. г.

ПУБЛИКАЦИИ. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 8 научных статьях:

1. Маковский, Л. В. Перспективы применения стальных гофрированных конструкций в тоннелестроении/ Л. В. Маковский, С. В. Чеботарев, Е. Н. Петрова // Труды международной научно-практической конференции «Тоннельное строительство России и стран СНГ в начале века: опыт и перспективы». -М.:ТА, 2002.-С. 314.

2. Маковский, Л. В. Проектирование и научное сопровождение строительства автотранспортных тоннелей/ Л. В. Маковский, С. В. Чеботарев, Е. Н. Петрова // Методы и средства повышения надежности материалов и сооружений на автомобильных дорогах: сб. науч. тр. — М.: МАДИ (ГТУ), 2000.-С.12.

3. Петрова, E.H. Результаты расчетов свода из металлических гофрированных оцинкованных элементов ЗАО «Геотерра"/Е.Н.Петрова, Е.Б. Степашко// Проблема замены мостовых сооружений трубами большого диаметра или короткими тоннелями. Материалы технико-экономического совета Упрдор Москва — Харьков. Орел, 2000. С. 12.

4. Петрова, E.H. Сооружения из металлических гофрированных элементов под насыпями автомобильных и железных дорог/ Е. Н. Петрова // Подземное пространство мира, № 1, 2001.

55. Петрова, E.H. К расчету металлических гофрированных конструкций/ Е. НПетрова // Методы и средства повышения надежности материалов и сооружений на автомобильных дорогах: сб. науч. тр. — М.: МАДИ (ГТУ), 2000. -С.30.

6. Петрова Е. Н: Применение программного комплекса NASTRAN для расчета гофрированных металлических конструкций.// Актуальные проблемы мостостроения и тоннелестроения: сб. науч. тр. — М.: МАДИ (ГТУ), 2001. -С.80.

7. Петрова, E.H. Исследования работы конструкций из гофрированного металла при строительстве искусственных сооружений/ Е. Н. Петрова // Исследования, мостовых и тоннельных конструкций: сб. науч. тр. — М.: МАДИ (ГТУ), 2006. — С.80.

8. Маковский, Л.В., Петрова E.H. Расчет большепролетных конструкций тоннелей из металлических гофрированных элементов/ JI.B. Маковский. Е. Н. Петрова //Наука и техника в дорожной отрасли,№ 2. — М.: МАДИ (ГТУ), 2011. С. 18.

ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и рекомендаций, списка литературы и четырех приложений. Полный объем работы составляет 136 страниц, включая 44 иллюстрации^ 10 таблиц.

Список литературы

включает 120 наименований, в том числе 20 иностранных.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

Развитие дорожной сети связано со строительством искусственных сооружений для пересечений дорог в разных уровнях. При строительстве транспортных и, пешеходных тоннелей могут быть успешно применены конструкции из металлических гофрированных элементов.

К настоящему времени' накоплен обширныйопыт использования большепролетных конструкций из гофрированных элементов в США, Канаде, Японии, Франции, Италии, Скандинавских странах: В последние голы в нашей стране активно развивается строительство большепролетных сооружений из гофрированных элементов. Построены многочисленные большепролетные сооружения: автодорожные и пешеходные тоннели, галереи, малые мосты, путепроводы и водопропускные трубы больших диаметров до 6−8 м.

Максимальные диаметры замкнутых сооружений сейчас не превышают 15 м, а незамкнутые конструкции могут иметь пролеты до 24 м и высоту стрелы подъема до 12 м. Строительство СМГЭ осуществляется-открытым способом. I.

Применение СМГЭ снижает сметную стоимость. строительства в 1,5−2 раза, масса привозных материалов уменьшается в 30−40 раз, транспортные расходы снижаются в 8−10 раз, трудоемкость возведения уменьшается в 2−4 раза. Таким образом, экономический эффект составляет до 30−40% по сравнению с традиционными железобетонными конструкциями.

В нашей стране при проектировании и строительстве сооружений из гофрированных элементов единственным нормативным документом является ОДМ 218.2.001−2009. Документ распространяется на водопропускные сооружения различных размеров, но основные нормативные зависимости получены для труб диаметром до 3 м и рассматривают вопросы общей устойчивости на стадии эксплуатации. В качестве прочностного критерия требуется расчет критической нагрузки, которую способна выдержать конструкция в. момент предельного статического равновесия. Таким образом, в нормативных доку.

106. •, ментах для расчета бопьшепролетных гофрированных конструкций отсутствуют данные о методах оценки напряженно-деформированногосостояния, как настадии 1 строительства, «так и на стадии^ эксплуатации., В связи» с этим, для1- обоснованного, проектирования и строительствабольшепролетных, гофрированных конструкций требуется, проведение-, теоретическихи, экспериментальных исследований: напряженно-деформированного— состояниям бинарной-системы «обделка — - грунтовый массив».. ¦ '.

В рамках диссертационной работы проведены теоретические исследования с учетом анализа: экспериментальных данныхв натурныхусловиях: Основные научные и? практические результатыработы. заключаются в следующем. ' .•''.-••¦.'. '/ '.

1. Разработаны математические плоские: и пространственные модели системы, «обделка-грунтовый? массив», отражающие основные: этапьк производства работ, характерные для сооружений из металлических гофрированных элементов, возводимыхоткрытымспособом: Результатыисследований СМГЭ на конечно-элементных моделях выявили-хорошее, совпадение, с данными натурных экспериментов «при г плоской и объемной расчетных, схемах.

2. Для установления реальной картины НДС и оценки устойчивости СМГЭ необходимо учитывать форму и размеры конструкций, а также технологию строительстварассчитывая сооружение на характерных этапах производства работ.

3. На основании результатов теоретическихисследований? установлено, что* при моделировании грунта засыпки по линейной и нелинейной? теории получены различные значения напряжений в расчетных сечениях, таким • образом, необходимо производить расчет с учетом обоих направлений моделирования. Характер деформаций конструкции практически не зависит от модели грунта^ но численные значения отличаются: при расчете с учетом нелинейной модели грунта в сторону уменьшения максимальных деформаций до 50%. :

4. Как показали исследования, деформативность системы «обделка-грунтовый массив» определяется, в, основном, жесткостью грунта, т. е. соответствующим модулем деформации. Способность гибкой обделкииз* гофрированных элементов сопротивляться нагрузкам. может быть исчерпана^ не только вследствие её чрезмерных деформаций, но и-из-за потери устойчивости при действии ¦продольных сил.

5. По результатам теоретических исследований* получены характерные зависимости для ускоренного определения НДС СМГЭ полицентрического очертания для соответствующих размеров конструкции и модуля деформации грунта.

6- Для оценки устойчивости гофрированной обделки необходимо построение пространственной математической модели. Оценка устойчивости СМГЭ полицентрического очертания показала, что потеря устойчивости происходит раньше, чем достижение критической силы, рассчитанной по ОДМ 218.2.001−2009:

7. Представленная методика расчета позволяет оценить работу СМГЭ при действии статических нагрузок для различных форм и размеров поперечного сечения, изменяющихся типоразмеров' гофра, технологии строительства и типа грунта, с последующей проверкой устойчивости.

8. Анализ проведенных натурных экспериментальных исследований бинарной системы на различных объектах в России и за рубежом позволил установить, что деформации СМГЭ носят длительный характер, поэтому необходимо проводить мониторинг таких сооружений с возможной корректировкой расчетных схем с учетом реальных диаграмм деформирования грунта засыпки.

9. Для дальнейших исследований может быть рекомендовано моделирование грунта по упрочняющейся модели для прогнозирования деформаций во времени, исследование контактного соединения гофрированных листов, расчеты устойчивости различных форм СМГЭ для получения необходимых зависимостей критической силы и введения их в нормативную базу.