Введение
Глава 1. Современное состояние проектирования предварительно напряженных и регулируемых с помощью преднапряжения строительных конструкций 10
1.1. Возможности и идеи предварительного напряжения строительных конструкций 10
1.2. Обзор предварительно напряженных конструкций 11
1.3. Выводы по главе 1 23
ГЛАВА 2. РЕГУЛИРОВАНИЕ напряженно-деформированного состояния СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ 24
2.1. Регулирование НДС конструкций как этап создания управляемых конструкций 26
2.2. Методология решения задач регулирования НДС конструкций 26
2.2.1. Получение результатов регулирования 28
2.2.2. Особенности, возникающие при постановки задачи регулирования НДС 29
2.3. Мероприятия, предшествующие выбору способа регулирования НДС конструкции 29
2.4. Способы регулирования НДС конструкции 30
2.5. Выводы по главе 2 33
ГЛАВА 3. Регулирование напряженно-деформированного состояния конструкций путем предварительного напряжения их элементов 34
3.1. Способы и средства создания предварительного напряжения в конструкциях из различных материалов 35
3.2. Особенности предварительного напряжения и регулирования строительных конструкций 43
3.3. Примеры регулирования напряженно-деформированного состояния конструкций различными способами предварительного напряжения 46
3.3.1. Регулирование НДС фрагмента рамы 47
3.3.2. Регулирование НДС балочной конструкции с подкосами и затяжкой 48
3.3.3. Регулирование НДС плитно-структурной конструкции 50
3.3.4. Регулирование НДС вантового пролетного строения 51
3.4. Примеры регулирования напряженно-деформированного состояния конструкций преднапряжением их элементов, используя алгоритм, разработанный коллективом кафедры СКиУС ИСИ СФУ 52
3.4.1. Регулирование НДС статически-неопределимой шпренгельной балки 52
3.4.2. Регулирование НДС статически-неопределимой ребристой шпренгельной плиты 56
3.5. Применение алгоритма регулирования напряженно-деформированного состояния конструкций преднапряжением их элементов к балочной конструкции с подкосами и затяжкой 59
3.6. Применение алгоритма регулирования напряженно-деформированного состояния конструкций преднапряжением их элементов к фрагменту многоэтажной рамы 62
3.6.2. Регулирование напряженно-деформированного состояния фрагмента рамы в нижней полке пролетной части ригеля 65
3.7. Выводы по главе 3 67
ГЛАВА 4. АНАЛИЗ И РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО- ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ строительных конструкций на примере вантовых мостов 68
4.1 . Конструкции исследуемых вантовых мостов 71
4.1.1. Балка жесткости 72
4.1.2. Пилоны 73
4.1.3. Ванты и их расположение относительно пилона и балки жесткости . 74
4.2. Моделирование исследуемых конструкций в ПК SCAD 76
4.2.1. Конечно-элементная модель вантовых мостов 76
4.3. Анализ и регулирование напряженно-деформированного состояния балок жесткости 78
4.3.1. Регулирование НДС Московского моста 78
4.3.1.1. Расчетная схема вантового моста 78
4.3.1.2. Регулирование НДС 78
4.3.2. Регулирование НДС Виноградовского моста 81
4.3.2.1. Расчетная схема вантового 82
4.3.2.2. Регулирование НДС при загружении № 1 82
4.3.2.3. Регулирование НДС при загружении № 2 84
4.3.2.4. Регулирование НДС при загружении № 3 87
4.3.2.5. Регулирование НДС при загружении № 4 88
4.3.2.6. Регулирование НДС при загружении № 5 90
4.3.3. Регулирование НДС Рыбальского моста 91
4.3.3.1. Расчетная схема вантового моста 92
4.3.3.4. Регулирование НДС при загружении № 2.2 96
4.3.3. Регулирование НДС моста Сен-Назер 98
4.3.3.1. Расчетная схема вантового моста 99
4.3.3.2. Регулирование НДС при загружении № 1 99
4.4. Выводы по главе 4 101
ГЛАВА 5. АНАЛИЗ И РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО- ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ подвесных покрытий 102
5.1. Анализ и регулирование консольно-вантового покрытия 102
5.1.1. Исходные данные 102
5.1.2. Модель консольно-вантового покрытия в ПК SCAD 102
5.1.3. Нагрузки 103
5.1.4. Регулирование НДС при загружении № 1 104
5.1.5. Регулирование НДС при загружении № 2 106
5.2. Анализ и регулирование вантового покрытия 108
5.2.1. Исходные данные 108
5.2.2. Нагрузки 108
5.2.3. Регулирование НДС вантового покрытия 109
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 112
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 113
Актуальность работы. По мере своего развития строительные конструкции улучшались, модернизировались, изобретались новые способы их возведения. Одним из этапов такого развития, которое бы отвечало современным потребностям и требованиям технического прогресса, является регулирование напряженно-деформированного состояния строительных конструкций.
Регулируемую конструкцию можно контролировать в процессе ее эксплуатации благодаря вводу в нее изменяющихся параметров, тогда как в традиционном строительстве изменять напряженное состояние конструкций возможно только в процессе их проектирования и монтажа.
Разработкой металлических конструкций, в которых может применяться преднапряжение занимались такие ученые как А. В. Гадолин, Н. В. Калакуцкий, Г.Маньель, Е. И. Беленя, В. В. Бирюлев, С. Н. Клепиков, В.М. Вахуркин, А.А. Воеводин, Ю. В. Гайдаров, П. Ференчик, М. Тохачек и др.
Также преднапряжение широко применятся и в железобетонных конструкциях. Разработкой таких конструкций занимались следующие ученые: Н.П. Абовский, Г.Маньель, В. Н. Байков, Э. Е. Силгалов, В. В. Михайлов, А. А. Гвоздев и другие.
В деревянных конструкциях, в отличие от металлических и железобетонных, преднапряжение не нашло такого широкого применения, однако исследования в этой области проводят И. С. Инжутов, П. А. Дмитриев, В. Н. Головач, В. И. Жаданов, Е. В.Тисевич, В. А. Грачев, Б. В. Накашидзе, С. Б. Турковский и другие ученые.
Отельным видом конструкций, в которых может применяться предварительное напряжение, являются комбинированные конструкции из жестких и гибких материалов. Такие конструкции создавали и исследовали влияние в них преднапряжения В. В. Егоров, Р.В. Алдушкин, В. Н. Алехин, М. Б. Москалев и другие. В таких конструкциях результат преднапряжения наиболее сильно заметен из-за наличия гибких элементов, преднапряжение которых позволяет перераспределить усилия во всей конструкции.
Предварительное напряжение, как способ регулирования напряженного состояния строительных конструкций, получил известность не так давно. Используя преднапряжение конструкций можно снизить их массу, стоимость, возникающие деформации, а также увеличить их жесткость и устойчивость. Также, преднапряжение может быть использовано при усилении конструкций.
Большое количество методов создания предварительного напряжения позволяет использовать его в самых различных видах строительных конструк¬ций, например вантовых мостах, которые в настоящее время нашли довольно широкое применение в строительстве благодаря своей архитектурной выразительности, наличию большого подмостового пространства и перекрытию довольно больших пролетов. С течением времени нагрузка на мосты увеличивается, соответственно возникает потребность в изменении и управлении их напряженно-деформированным состоянием для дальнейшей эксплуатации.
Одними из первых ученых, занимавшиеся разработкой строительных конструкций, в которых может регулироваться и управляться их напряженно- деформируемое состояние были академик Наум Петрович Абовский и профессор Лев Васильевич Енджиевский, а также их ученики. По разработкам Наума Петровича Абовского Анатолий Петрович Деруга и Николай Иванович Марчук, на базе кафедры "Строительные конструкции и управляемые системы"разработали алгоритм регулирования напряженно-деформированного состояния строительных конструкций. Использование данного алгоритма вместе с расчетными комплексами позволяет быстро и с высокой точностью определить необходимые параметры регулирования для улучшения НДС конструкций.
Регулированием усилий преднапряжением элементов можно достичь качественно новых характеристик:
Снизить материалоёмкость за счёт рационального изменения напряжённого и деформированного состояния;
Обеспечить стабильность эксплуатационных характеристик и повысить надёжность конструкций за счёт расширения их адаптивных свойств;
Полнее использовать ресурсы конструкций, повысить их эффективность в различных областях техники, особенно там, где традиционные способы конструирования становятся малоэффективными или технически нереализуемыми;
Предотвращать аварийные ситуации (разрушение конструкций).
Поэтому тему данной работы следует признать актуальной.
Цель диссертационной работы заключается в анализе и регулировании напряженно-деформированного состояния строительных конструкций путем предварительного напряжения их элементов при статических нагрузках.
Задачи исследования:
• Выполнить оценку современного состояния способов регулирования НДС конструкций, в частности, метода предварительного напряжения отдельных элементов;
• Замоделировать плоские и пространственные модели вантовых конструкций в программном комплексе SCAD;
• Выполнить статический расчет вантовых конструкций с помощью программного комплекса SCAD;
• Выполнить численные исследования по регулированию напряжённо- деформированного состояния вантовых конструкций используя алгоритмы регулирования конструкций преднапряжением элементов;
•Проанализировать результаты численных исследований и дать оценку эффективности алгоритма регулирования и выбранных регуляторов.
Объект исследования: вантовые мосты и покрытия
Методика исследования: использование алгоритма регулирования, разработанного коллективом кафедры "Строительные конструкции и управляемые системы"инженерно-строительного института СФУ совместно с программным комплексом SCAD.
Научная новизна работы: результаты численных исследований по регулированию НДС моделей вантовых мостов и покрытий на действие статической нагрузки.
Практическая значимость. Выполненные автором исследования могут быть использованы при проектировании и реконструкции строительных конструкций.
Достоверность научных положений, результатов и выводов, содержащихся в работе, основывается на: корректном использовании уравнений механики деформированного твердого тела и основных положений теории и методов регулирования НДС конструкций; использовании апробированных математических методов и алгоритмов.
На защиту выносятся результаты численных исследований по регулированию напряжённо-деформированного состояния стержневых и пространственных моделей вантовых мостов и вантовых покрытий.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука: Проспект Свободный» СФУ (г. Красноярск, 2015-2016 г.г.).
Публикации. Отдельные результаты исследования опубликованы в трех статьях в сборниках материалов конференций.
Этапы исследования:
Первый этап исследования - теоретический. Проведен обзор современного состояния проектирования предварительно напряженных и регулируемых с помощью преднапряжения конструкций, определена тема, цель, задачи, объекты исследования.
Второй этап исследования - аналитический. Изучен алгоритм регулирования НДС конструкций, созданы и замоделированы в программном комплексе SCAD одномерные и трехмерные модели вантовых конструкций.
Третий этап исследования - исследовательский. Проведены численные исследования по регулированию напряженно-деформированного состояния одномерных и трехмерных моделей вантовых конструкций.
Четвертый этап работы - обобщающий. Результаты исследования обобщены, сделаны выводы, написано заключение, оформлен текст магистерской диссертации.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованных источников из 53 наименований и приложений.
Общий объем диссертации - 118 страниц, 99 рисунков, 7 таблиц.
1. Выполнены численные исследования по регулированию напряжённо-деформированного состояния шпренгельной фермы и шпренгельной плите с использованием программного комплекса SCAD и алгоритма регулирования конструкций преднапряжением элементов.
В результате выполненного регулирования шпренгельной фермы преднапряжением элементов шпренгеля моменты в опасных сечениях выровнены, при этом Ммах уменьшился на 81,07%.
В шпренгельной плите величины напряжений Nx уменьшились на на 76,59% по сравнению с вариантом без регулирования НДС.
2. Численные исследования по регулированию НДС балочной конструкции с подкосами и затяжкой и фрагмента многоэтажной рамы показали высокую сходимость с результатами экспериментальных исследований, проведенными авторами данных конструкций
3. Выполнены численные исследования по регулированию напряжённо-деформированного состояния вантовых мостов на автомобильную нагрузку. Как видно из результатов, НДС балок жесткости вантовых мостов улучшилось. При этом величина максимального момента в балке жесткости Московского моста (г.Киев) уменьшилась на 82,02%; Mmax в балке жесткости Виноградовского моста уменьшился от 45,1% до 85,79% при различных вариантах загружения; Mmax в балке жесткости Рыбальского моста уменьшился на 65,1%, 86,36% и 74,91% соответственно для трех загружений; Mmax в балке жесткости моста Сен-Назер уменьшился на 86,85% в крайнем пролете и на 76,15% в центральном пролете.
4. Выполнены численные исследования по регулированию напряжённо-деформированного состояния вантовых покрытий на снеговую нагрузку и нагрузку от собственного веса. При этом величина максимального момента на консолях галереи уменьшилась на 7, 93%, а величина Mmax в покрытии здания катка уменьшилась на 81,88%.
5. В целом, полученные результаты регулирования конструкций показали, что алгоритм регулирования НДС конструкций преднапряжением элементов является эффективным инструментом для решения задач регулирования различного типа конструкций.
6. Полученные результаты по регулированию НДС можно обобщить и развить на другие строительные конструкции (рамы, фермы, тонкостенные пространственные конструкции).
7. С помощью активного управления напряженно-деформированным состоянием строительных конструкций при статических нагрузках появляется возможность снизить материалоемкость конструкций, наиболее полно учесть особенности их поведения при действии различных нагрузок и воздействий, повысить адаптационные свойства, обеспечить стабильность и более высокую надежность параметров конструкции в процессе эксплуатации.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
