Гашение продольных сейсмических колебаний опор балочных мостов с сейсмоизолирующими опорными частями
На правах рукописи
ШЕРМУХАМЕДОВ УЛУГБЕК ЗАБИХУЛЛАЕВИЧ
ГАШЕНИЕ ПРОДОЛЬНЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ ОПОР БАЛОЧНЫХ МОСТОВ С СЕЙСМОИЗОЛИРУЮЩИМИ ОПОРНЫМИ ЧАСТЯМИ
Специальность: 05.23.11 «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2010
Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения» на кафедре «Мосты».
| Научный руководитель | кандидат технических наук, доцент КУЗНЕЦОВА Инна Олеговна |
| Официальные оппоненты: | доктор технических наук, старший научный сотрудник Фридкин Владимир Мордухович |
| кандидат технических наук, доцент Кондратов Валерий Владимирович | |
| Ведущая организация: | ОАО «Трансмост» г. Санкт-Петербург. |
Защита состоится «21» января 2011 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 303.018.01 при открытом акционерном обществе «Научно-исследовательский институт транспортного строительства» (ОАО ЦНИИС) по адресу: 129329 г. Москва, ул. Кольская, 1, конференц-зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО ЦНИИС.
Отзывы на автореферат диссертации в двух экземплярах с подписью, заверенные печатью, просим направлять по указанному адресу учёному секретарю диссертационного совета.
Автореферат разослан « » декабря 2010 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета
кандидат технических наук, доцент Петрова Ж.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. При значительных успехах в области расчета и проектирования различных сооружений в сейсмических районах теория сейсмостойкости мостов заметно отстает от общей теории сейсмостойкости зданий и иных сооружений, поскольку повреждения мостов занимают небольшую долю от общего объема повреждений в пострадавших районах, что определяет основное внимание при строительстве в сейсмических районах обеспечению сейсмостойкости жилых и промышленных зданий. Существующие рекомендации по назначению расчетных схем мостов при расчетах на сейсмические воздействия не учитывают принципов многоуровневого проектирования, сложившихся в последние 10 лет, и новых конструкций антисейсмического усиления мостов, основанных на принципах сейсмоизоляции и сейсмогашения. При широком использовании различного рода сейсмозащитных устройств практически отсутствуют исследования по обоснованию и оптимизации параметров сейсмоизоляции мостов, хотя работа сейсмоизолированных мостов при землетрясениях существенно отличается от работы сейсмоизолированных зданий.
Целью диссертационной работы является обоснование эффективности гашения динамических колебаний опор мостов с сейсмоизолирующими опорными частями и подбор параметров сейсмоизолирующих опорных частей мостов.
Для этого потребовалось:
- проанализировать эффект гашения сейсмических колебаний опор балочных мостов с сейсмоизолирующими опорными частями;
- оценить влияние ошибок настройки двухмассовой системы на эффективность динамических гасителей различных масс;
- решение задачи для двухмассовой системы с жестким закреплением концевой части (на устое);
- разработать методику оптимизации параметров жесткости (настроек) сейсмозащитных опорных частей мостов при работе в режиме динамического гашения колебаний;
- выполнить подбор сейсмозащитных опорных частей и дать практические рекомендации по оптимизации параметров сейсмозащитных опорных частей мостов сейсмических районах.
Для решения поставленных задач проведен анализ разработок отечественных и зарубежных фирм, специализирующихся в области сейсмостойкого строительства мостов, выполнена оценка влияния параметров опорных частей на сейсмические колебания системы «пролетное строение – опоры» и даны практические рекомендации по оптимизации параметров сейсмозащитных опорных частей мостов.
Ожидаемым результатом диссертации является решение указанного
комплекса задач и разработка практических рекомендаций по заданию параметров жесткости (настроек) сейсмозащитных опорных частей мостов при работе в режиме динамического гашения колебаний.
Методика исследований включала построение математических моделей рассматриваемых систем, их численный анализ; сопоставление получаемых значений оптимальных параметров с неоптимальными настройками. Для решения поставленных задач использовались методы строительной механики, динамики сооружений.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- проанализированы способы сейсмозащиты мостов и показана перспективность применения динамического гашения колебаний опор с использованием пролетного строения в качестве гасящей массы. Выявлены вопросы, решение которых необходимо для применения динамических гасителей колебаний (ДГК) в сейсмостойком мостостроении;
- впервые выполнена количественная оценка влияния ошибок в настройке гасителя для больших гасящих масс, когда масса гасителя (пролетного строения) в 3 и более раза превышает массу сооружения (опоры). Показано, что в этом случае ДГК не чувствителен к параметрам настройки, особенно по демпфированию. Полученные оценки позволяют существенно упростить задачу проектирования сейсмозащитных устройств мостов;
- предложена новая схема динамического гашения колебаний мостовых опор, в которой пролетное строение, используемое в качестве ДГК, имеет дополнительное крепление на жестком устое. Показано, что такое решение упрощает задачу обеспечения условий жесткости и прочности упругих связей пролетного строения с опорой;
- предложено новое решение динамического гашения колебаний опор мостов, при котором гасящая масса (пролетное строение) располагается между двух защищаемых объектов (опор) и гасит их колебания;
- разработаны практические рекомендации по подбору параметров сейсмозащитных опорных частей мостов.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:
- получены практические рекомендации по подбору параметров жесткости и демпфирования сейсмозащитных опорных частей при различных соотношениях гасящей массы к массе сооружения;
- разработаны методы подбора оптимальных параметров сейсмозащитных опорных частей для повышения сейсмостойкости моста;
- разработаны практические предложения по использованию пролетного строения для гашения колебаний соседних опор.
Достоверность основных положений диссертационной работы подтверждается тем, что они согласуются с имеющимися результатами
экспериментальных исследований и опытом прошлых землетрясений, а также их соответствием результатам, полученным другими авторами по отдельным вопросам, рассмотренным в диссертации.
На защиту выносятся:
- результаты исследований ДГК опор при (малой, соизмеримой и большой массе ДГК);
- методика подбора оптимальных параметров сейсмозащитных опорных частей;
- конкретная техническая реализация предлагаемых систем сейсмозащиты мостов;
- технические решения по сейсмозащите автодорожных и железнодорожных мостов.
Внедрение результатов и реализация работы.
Рекомендации по подбору сейсмоизолирующих сейсмозащитных опорных частей использованы:
- при разработке технических решений проектирования моста через
р. Хирота на олимпийских объектах г. Сочи (ОАО «Трансмост»);
- при проектировании моста на лыжной трассе на олимпийских объектах г. Сочи для обеспечения сейсмостойкости (ОАО «Трансмост»);
- при выпуске типовых технических решений сейсмозащиты автодорожных мостов в Узбекистане (OOO «Techno art service»).
Апробация работы. По результатам исследований сделано более 10 докладов на конференциях, в том числе:
- межвузовские научно-технические конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Шаг в будущее» Неделя науки, март-апрель Санкт-Петербург, ПГУПС, 2008-2010 гг.;
- 61-62я Международные научно-технические конференции молодых ученых «Актуальные проблемы современного строительства», Санкт-Петербург, СПбГАСУ 2008-2009 гг.;
- республиканская научно-техническая конференция «Проблемы внедрения инновационных идей, проектов и технологий в производство», Узбекистан, Джизак, 15-16 мая 2009-2010 гг.;
- материалы международной научно-технической конференции «Современные проблемы механики», Узбекистан, Ташкент, 23-24 сентябрь, 2009 г.;
- научно-техническая конференция «Новые технологии в мостостроении», 22 апреля, ПГУПС, Санкт-Петербург, 2010 г.;
- конференция «VI Савиновские чтения» ПГУПС, ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, г. Санкт-Петербург, 29 июня – 3 июля 2010 г.
Результаты исследований использовались при разработке отчетов по гранту ПГУПС для выполнения научных исследований студенческими и научными коллективами в 2008 году и по гранту ОАО РЖД в 2009 году.
Результаты работы неоднократно обсуждались на семинарах и заседаниях кафедры «Мосты» в ПГУПС 2008-2010 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, из них 2 – в журналах, включенных в перечень научных изданий, рекомендуемых ВАК РФ, 2 – в журналах рекомендуемых ВАК Республики Узбекистан.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Общий объем работы, включая 89 рисунков и графиков и 11 таблиц, составляет 190 страниц машинописного текста. Библиографический список включает 120 наименований, в том числе 19 иностранных.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснованы тема и задачи исследования, актуальность рассматриваемой проблемы, формулируются цель и задачи исследования, дается краткая характеристика работы.
В первой главе проведен анализ состояния проблемы сейсмозащиты мостов, на основе чего сформулированы задачи исследования. Дан краткий обзор отечественных и зарубежных работ по исследуемому вопросу, рассмотрены повреждения мостов при сильных землетрясениях, проанализированы методы расчета мостов на сейсмические воздействия, а также приведены современные технические решения опорных частей для сейсмозащиты мостов.
В развитии современной теории сейсмостойкости определяющий вклад внесли А.Д. Абакаров, А.Т. Аубакиров, Я.М. Айзенберг, А.А. Амосов, Т.А. Белаш, В.А. Быховский, И.И. Гольденблат, Т.Ж. Жунусов, В.А. Ильичев, К.Н. Карцивадзе, Б.Г. Коренев, Э.В. Костерин, И.Л. Корчинский, Н.А. Красин, Е.Н. Курбацкий, А.И. Мартемьянов, С.В. Медведев, Ш.Г. Напетваридзе, Н.А. Николаенко, С.В. Поляков, В.Т. Рассказовский, Т.Р. Рашидов, Л.М. Резников, О.А. Савинов, А.П. Синицын, Ю.М. Сильницкий, В.И. Смирнов, А.М. Уздин, Э.Е. Хачиян, Г.С. Шестоперов и многие другие, в том числе такие зарубежные ученые, как М. Био, Д. Келли, Кубо, Т. Нишики, Омори, В. Робинсон, Р. Скиннер. Благодаря их исследованиям были разработаны основы современной теории сейсмостойкого строительства.
В настоящее время в Республике Узбекистан, значительная часть территории которой является сейсмоопасной зоной, строятся новые автомобильные и железные дороги, и в том числе мосты. После провозглашения независимости в Узбекистане разработаны нормы КМК II-7-96, основанные на российских нормах СНиП II-7-81 по сейсмостойкому строительству, однако в этих нормах отсутствует раздел по сейсмостойкости транспортных сооружений, в том числе и мостов. Поэтому в Узбекистане при проектировании мостов до настоящего времени используют нормы России, как наиболее обоснованные в СНГ.
Мировой опыт показывает, что, несмотря на большое количество исследований в области сейсмостойкости мостов, в разных странах многие проблемные вопросы до настоящего времени не решены. И свидетельство тому – многочисленные повреждения мостов во время сильных землетрясений.
Анализ различных данных о сейсмических повреждениях дорожных транспортных сооружений позволяет выделить три группы повреждений балочных мостов, самого массового вида мостовых сооружений:
- сдвиг пролетных строений или падение с опор при относительно небольших повреждениях последних;
- разрушение или сильное повреждение опор, влекущее за собой полное или частичное обрушение моста;
- осадки и сдвиги опор мостов, которые являются наиболее характерными повреждениями.
Это подтверждается спецификой повреждений балочных мостов при сильных землетрясениях: разрушением торцов, узлов соединения самого сооружения с опорой или опорной частью, а также падением верхней части конструкций с опор. Такие повреждения весьма характерны для пролетных строений мостов и путепроводов (рис.1, 2).
 |  |
| Рис. 1. Падение пролетных строений автодорожного моста во время землетрясения в Кобе (Япония, 1996 г.) | Рис. 2. Обрушение пролетных строений во время землетрясения (Тайвань, 1999 г.) |
Материалы обзора основаны на работах ведущих отечественных и зарубежных институтов и организаций в области сейсмостойкого строительства, а также фирм «Skiller Up» (Новая Зеландия), Fip-Industriale (Италия), Alga (Италия), Maurer Sohne (Германия), Стройкомплекс (Санкт-Петербург) и др.
Существующие в нормативных документах методы расчета и антисейсмического усиления мостов не полностью обеспечивают их сейсмостойкость, долговечность и надежность.
ДГК получили в настоящее время достаточно широкое распространение для защиты конструкций от сейсмических воздействий. В частности, вопросы применения ДГК развиты в работах Б.Г. Коренева, В.С. Полякова, Л.М. Резникова, А.М. Уздина и др. специалистов. Для повышения сейсмостойкости мостов в настоящее время весьма эффективным способом является использование пролетного строения в качестве динамических гасителей колебаний опор. Следует отметить, что, когда удается обеспечить условия гибкости и прочности упругой связи, использование ДГК оказывается наиболее эффективной системой сейсмозащиты и позволяет снизить сейсмическую нагрузку на сооружение в несколько раз.
Для гашения колебаний опор мостов в качестве ДГК могут использоваться пролетные строения. Этот вопрос рассматривался в работах И.О. Кузнецовой, А.А. Никитина, А.М. Уздина и других специалистов. Вопрос использования пролетных строений мостов в качестве ДГК рассмотрен в последующих главах диссертационной работы.
Вторая глава диссертации посвящена влиянию точности настройки на эффективность использования в мостах динамических гасителей различной массы. Для этого автором проанализированы теория существующих известных решений ДГК трех видов:
- гаситель малой массы – масса составляет менее 10 % от массы защищаемого сооружения (=Мгас/Mсоор=0.1);
- гаситель большой или соизмеримой массы, когда масса ДГК равна массе сооружения (=Мгас/Mсоор=1);
- гаситель очень большой (закритической) массы, когда масса гасителя превосходит критическую массу, т.е. >кр2, и традиционного эффекта гашения не наблюдается.
Все три случая имеют практическое значение. Как показано в работах О.А. Савинова, Б.Г. Коренева, Л.М. Резникова и А.А. Никитина, существенным недостатком гасителей малой массы является необходимость высокой точности их настройки. Небольшие отклонения в настройке гасителя или в его демпфировании сводят на нет его эффективность.
В начале 80-х годов А.М. Уздиным и А.А. Никитиным предложено использовать гасители большой массы. В мостах эта идея находит применение, когда в качестве гасящей массы выступает пролетное строение. Несмотря на высокую эффективность, гасители большой массы тоже имеют свои сложности в реализации.
Во-первых, существует критическая масса гасителя: если масса гасителя превышает массу сооружения более чем в 2 раза, эффект гашения исчезает. Динамический гаситель превращается в демпфер Ланчестера. При этом жесткость упругой связи становится бесконечно малой, а демпфирование значительным. Во-вторых, эффект гашения часто оказывается недостаточным, а перемещения пролетного строения относительно опор становятся чрезмерными, приводящими к падению
пролетного строения с опор.
Выполненные исследования показывают, что второй тип гасителя, т.е. при 1, предпочтительнее при сейсмозащите мостовых опор, когда в качестве гасящей массы используют пролетное строение. Такие гасители реализуемы в практике сейсмостойкого строительства для повышения сейсмостойкости мостов. На основе вышеупомянутых анализов автором в первой части настоящей главы выполнены исследования уравнений для двухмассовой системы, приведенной на рис. 3 с оптимальной настройкой жесткостей податливых соединений ДГК.
Оценка эффективности ДГК любой массы должна проводиться путем сравнения с эталонными системами. При этом критерием эффективности является снижение максимальных перемещений опоры от сейсмических нагрузок.
При исследовании эффективности динамических гасителей сейсмических колебаний мостовых опор в качестве эталонных рассматриваются следующие системы ДГК:
- Система без гасителя, т.е. опора без ДГК (рис. 3, а).
- Система, в которой гаситель жестко присоединен к опоре (рис. 3, б).
- Система с динамическим гасителем в виде дополнительной массы, соединенной с опорой упругой связью (рис. 3, в).
| а) | б) | в) |
Рис. 3. Схема опор, связанных с пролетным строением
В предложенных схемах приведены параметры:
Сright – жесткость гасителя (промежуточной части); Сpier – жесткость опоры (концевой части); mright – масса гасителя (промежуточной части); mpier – масса опоры (концевой части); right – коэффициент затухания гасителя (промежуточной части); pier – коэффициент затухания опоры (концевой части).
С использованием приведенных обозначений выполнен расчет для исследуемой системы (рис. 3, в) по спектральной методике и найдены оптимальные параметры настроек по жесткости и демпфированию. Соотношения собственных частот основного тона колебаний гасителя и опоры (концевой части) обозначим в виде
(1)
При анализе реальных сооружений необходим учет параметров демпфирования для каждого элемента конструкции. В этом случае в матричной форме система уравнений колебаний с демпфированием принимает вид
(2)
где M = m1, m2,...mn - диагональная матрица инерции;
B - матрица вязкого демпфирования системы, составленная из коэффициентов демпфирования 
; R - матрица жесткости;
H={h1, h2,...hn}- вектор обобщенных координат;
- вектор обобщенных скоростей;
- вектор кинематических возмущений,
; 
- ускорение основания;
- вектор проекций воздействий на направления обобщенных координат.
Для оценки влияния неточности настройки на эффективность работы гасителя исследовались амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) колебаний пролетного строения и опоры.
АЧХ строились известными методами по формулам (3-5).
Амплитуда колебаний вычислялась по формуле
(3)
где ас и аs – искомые векторы амплитуд соответственно при косинусе и синусе,
(4) 
(5)
Оптимальными будем считать такие параметры, при которых смещения системы являются минимальными в заданном диапазоне частот колебаний.
Результаты подбора оптимальных параметров, т.е., настройки по жесткости и демпфированию для всех трех случаев (гасителей соответственно малой, соизмеримой и большой масс), получены с помощью программного комплекса Mathcad и Вuilder С++.
Процедура оптимизации проиллюстрирована на рис. 4, 5 и 6. На них приведены АЧХ рассматриваемых систем. По полученным графикам определялись пиковые значения минимальных смещений основной системы. Далее исследовалась скорость изменения смещений системы в зависимости от величины неточности в настройке гасителя.
 |
| Рис. 4. Зависимости АЧХ от частоты возмущения при заданных параметрах системы при =0.1, f1 опт=0,86, 1опт=0,45 |
 |
| Рис. 5. Зависимости АЧХ от частоты возмущения при заданных параметрах системы =1, f2 опт=0.29, 2опт=3.1 |
 |
| Рис. 6. Зависимости АЧХ от частоты возмущения при заданных параметрах системы =5, f3 опт=0.035, 3опт=10.4 |
Для оценки эффективности настройки гасителя введен коэффициент эффективности, алгебраически выражающийся как
, (6)
где U(f,г) – значение экстремума функции смещения системы с настройками f и в заданном диапазоне частот колебаний; Uopt – значения экстремума функции смещения системы с оптимальными настройками.
Здесь коэффициент эффективности Е (f, г), т.е. эффективность применения ДГК можно сравнить с двумя основными системами-эталонами – системы без гасителя, и системы с жестко присоединенным гасителем, при этом масса системы увеличена на величину массы гасителя (см. рис. 3). На графиках приведены зависимости Е (f, г), в которых в качестве базовой принята система с жестким присоединением гасителя к ней.
По (6) получена матрица Е (f, г) зависимости снижения смещений главной массы от настройки по жесткости и демпфированию при трех случаях =0.1, =1 и =5 (для гасителей соответственно малой, соизмеримой и большой массы). В качестве примера приведен гаситель при =1 зависимости Е (f, г) в изолиниях на рис. 7.
 |
| Рис. 7. Изолинии зависимости снижения смещений главной массы от настройки по жесткости и демпфированию при =1 (гаситель жестко присоединен к опоре) |
Исследования, рассмотренные в настоящей главе, дают основание для следующих выводов:
- для гасителей большой массы можно допустить существенные отклонения в настройке от оптимальных, причем зона высокой эффективности существенно возрастает с увеличением относительной массы гасителя;
- cистема ДГК более чувствительна к настройке по жесткости, чем к настройке по затуханию. Например, для случая =1 ошибки по жесткости допустимы в диапазоне 0.21 < f < 0.43, ошибки по затуханию в пределах 1.4 < г < 6.8;
- ошибки в настройке по затуханию в большей мере влияют на смещение гасящей массы, и в меньшей мере – на перемещение основной конструкции.
Во второй части главы рассматривается двухмассовая система с жестким закреплением концевой части (рис. 8).
В данной схеме (рис. 8) упругая связь пролетного строения с опорой должна одновременно обеспечиваться условиями жесткости и прочности, что часто не реализуемо. Пролетное строение одним концом опирается на жесткий устой, а вторым концом на сравнительно высокую опору, которую необходимо защитить от сейсмической нагрузки.
| Рис. 8. Расчетная схема двухмассовой системы с жестко закрепленной концевой частью | В предложенной схеме обозначено: Сг1 – жесткость гасителя (промежуточной части); Сг2 – жесткость устоя (концевой части); Сpier – жесткость опоры; m1 – масса гасителя (промежуточной части); mpier – масса опоры; г1 – коэффициент затухания гасителя (промежуточной части); г2 – коэффициент затухания устоя (концевой части); pier – коэффициент затухания опоры. | |
| Результаты подбора оптимальных параметров ДГК по настройке и демпфированию в случае двухмассовой системы с жестко закрепленной концевой частью при =1 приведены на рис. 9. |  | |
| Рис. 9. Зависимости АЧХ от частоты возмущения при заданных параметрах системы при =1 (Сг1=0.508, Сг2=1.7, fопт=0.47, г1 опт=5, г2 опт=0.1) | ||
На рис. 10 представлен вариант подбора оптимальных настроек при различных жесткостях Сг2. При этом видно, что фактическая сумма жесткостей Сг1 и Сг2 не является линейно зависимой, т.е. при закреплении пролета с одной стороны оптимальные жесткости Сг1 и Сг2 в сумме не равны оптимальной жесткости соединения в системе с одним гасителем, как это можно было бы предположить.
Рис. 10. График зависимости оптимальной жесткости Cг2 от жесткости Cг1 при =0.5, 
, 
Как видно из полученных результатов (рис. 10), суммарная жесткость двух пружин гасителя в данном случае значительно выше, чем оптимальная жесткость при использовании одной упругой связи Соpt<Сг1(opt)+Сг2. Это решение может быть достаточно эффективным, потому что с увеличением жесткости увеличивается прочность. Благодаря такому повышению жесткости, легче удовлетворить условиям прочности, тогда как при работе одной упругой связи это может быть затруднительно.
В третьей главе дана методика применения трехмассовой системы по подбору оптимальных параметров сейсмозащитных опорных частей. Система включает в себя устои и центральную часть, отличающиеся тем, что каждая из частей объединена в отдельную температурно-неразрезную систему, а центральная часть соединена с устоями податливым соединением (рис. 11).
Рис. 11. Расчетная схема трехмассовой системы
При этом центральная часть не имеет неподвижных опорных частей, а жесткость податливых соединений подобрана по ниже предлагаемой методике.
В предложенной схеме (рис. 11) обозначено: С1 – жесткость опоры левого устоя; С2 – жесткость опоры правого устоя; Сг1, Сг2 – соответственно жесткости гасителя колебаний; m1 – масса левого устоя; m2 – масса правого устоя; М – масса центральной части.
Решение для трехмассовой системы найдено в безразмерном виде, при этом матрица масс и матрица жесткости записываются следующим образом:
 (7) |  (8) |
Введем параметр 
, равный соотношению собственных частот основного тона колебаний гасителя:
(9)
С использованием параметра 
приведем систему (8) к виду
(10)
Представим расчетную схему в таком виде (рис. 12).
Рис. 12. Расчетная схема трехмассовой системы с настройками
Матрица гистерезисного демпфирования для рассматриваемой системы имеет следующий вид:
(11)
где 
и 
– соответственно настройка системы гасителя с коэффициентами неупругого сопротивления гасителя – 
и 
.
В результате исследования автором получены настройки сейсмозащитных опорных частей, имеющие следующий вид:
(12)
Предложенная в настоящей главе методика позволяет решить вопрос оптимальной настройки жесткости податливых соединений и более точно подбирать параметры сейсмозащитных опорных частей и оптимизировать эти параметры по жесткости и демпфированию для использования ДГК опор мостов. Это решение весьма важно для транспортных сооружений, в частности автодорожных и железнодорожных мостов не только в Узбекистане, но и в России.
В четвертой главе рассмотрена техническая реализация предлагаемых систем сейсмозащиты мостов и возможные конструкции упругодемпфирующих податливых соединений применительно к автодорожным и железнодорожным мостам.
В мостостроении, особенно в автодорожных мостах, широко применяются податливые опорные части. Как правило, для этой цели используются резинометаллические опорные части (РОЧ). Одним из возможных способов реализации сейсмозащиты в рассматриваемых сооружениях является использование податливых опорных частей, выполненных из синтетических элементов, в том числе резинометаллических опорных частей.
Податливые опорные части могут быть выполнены, например, в виде известных резинометаллических опорных частей (рис. 13) или в виде гибких металлических опорных столиков (рис. 14).
 |  |
| Рис. 13. Общий вид резиновой опорной части (РОЧ) | Рис. 14. Опорная часть пролетного строения в виде гибкого столика |
Широкое распространение получили опорные части ООО Стройкомплекс-5, которые представляют собой упругие опорные части, выполненные в виде гибкого металлического столика. В данной работе эти сейсмозащитные устройства используются для выбора технического решения сейсмозащиты моста.
На рис. 15 приводится пример типовой схемы установки сейсмозащитных устройств, опора с неподвижной опорной частью. В средней части опоры между главными балками установлен гибкий столик, включающий вертикально расположенные металлические стержни из высококачественных сталей, верхнего и нижнего листов. Соответствующие настройки систем упруго-демпфирующих связей позволяют использовать пролетное строение в качестве ДГК опоры.
Рис. 15. Типовая схема установки сейсмозащитных устройств:
опора с неподвижной опорной частью
Представленные конструкции дают возможность реализовать принцип динамического гашения колебаний с целью снижения сейсмических нагрузок на опоры мостов.
В пятой главе приводятся примеры расчета мостов на сейсмические воздействия, выполненные в соответствии с основными принципами многоуровневого проектирования.
В настоящее время в мировой практике сейсмостойкого строительства сложился многоуровневый подход к проектированию сейсмостойких конструкций. В соответствии с этим подходом сооружение рассчитывается на несколько уровней сейсмического воздействия при соответствующих предельных состояниях.
Такой подход принят, в частности, в Еврокоде-8, где рекомендуется рассматривать как минимум два уровня воздействия и два предельных состояния: нарушение нормальной эксплуатации (serviceability limit state или SLS) и обрушение конструкции (ultimate limit state или ULS).
В случае двухуровневого проектирования инженер работает с проектным землетрясением (ПЗ), имеющим повторяемость раз в 200-500 лет и максимальным расчетным землетрясением (МРЗ), имеющим повторяемость раз в 2000-5000 лет. При действии ПЗ сооружение не должно терять эксплуатационных свойств, а при МРЗ необходимо обеспечить сохранность жизни людей, а также дорогостоящих конструкций и оборудования.
Задача исследования заключалась в правильном подборе и расстановке сейсмозащитных опорных частей с целью обеспечения сейсмостойкости балочных мостов. Для этого было рассмотрено несколько вариантов подбора и расстановки сейсмозащитных опорных частей различных типов мостов.
В первом примере приводится анализ возможных методов антисейсмического усиления однопролетного железнодорожного моста через р. Хирота на железнодорожной линии «Адлер - аэропорт г. Сочи». На основе расчета сейсмического воздействия разрабатываются возможные технические решения и из нескольких решений выбирается более подходящий вариант сейсмозащиты моста. После выбора окончательного решения проведен уточняющий расчет конструкции по линейно-спектральной методике в соответствии с дополнениями.
На рис. 16 предлагается податливое крепление пролетного строения на обоих устоях. Такое решение позволяет без дополнительной настройки распределить сейсмическую нагрузку между двумя устоями, однако при этом система становится температурно-напряженной.
Рис. 16. Схема сейсмозащиты моста:
1 – упругая опорная часть
При упругом опирании по обоим торцам пролетного строения существует оптимальная жесткость опирания, при которой пролетное строение становится ДГК устоев. Как видно из рис. 17, оптимальный парциальный период колебаний пролетного строения на упругой опорной части составляет 0.45 с, а соответствующая этому периоду жесткость
Сbearing=
=59260 Н/м (13)
Рис. 17. Зависимость сейсмической нагрузки на устой от парциального периода колебаний гасителя
Если оптимизировать температуру замыкания пролетного строения, то температурные напряжения можно понизить примерно в 2 раза. Для восприятия таких напряжений необходимо специальное обустройство гибкой опорной части. В частности, целесообразно обеспечивать податливость системы двойной передачей продольной нагрузки опорным столиком и дополнительной системой пружин (рис. 18).
Рис. 18. Система распределения горизонтальной нагрузки для закрепления пролетного строения: 1 – гибкий столик; 2 – пружинный амортизатор
Поскольку стойки столика работают на изгиб, целесообразно минимизировать их жесткость, обеспечив передачу вертикальной нагрузки и соответствующую жесткости передачу горизонтальной нагрузки.
Выполненный анализ позволил рекомендовать вариант моста с одной подвижной и одной неподвижной опорными частями. Неподвижная опорная часть выполняется в виде дополнительного пружинного амортизатора и столика. Суммарная жесткость крепления по предварительному расчету составляет 14540 кН/м, при этом 31% передается на столик и 69% на амортизатор. При горизонтальной нагрузке около 300 кН на столик приходится 117 кН, а на пружины 183 кН. Следует обратить внимание, что параллельно с пружинами в систему опирания должны входить демпферы.
Во втором примере настоящей главы рассматривается трехпролетный мост по схеме 9+15+9 м, расположенный в поселке Эсто-Садок в Красной Поляне в районе г. Сочи. Мост проектируется под лыжную трассу над автодорогой.
Особенность моста состоит в том, что нагрузки от лыжников малы по сравнению с транспортными нагрузками, и мостовые опоры в обычных условиях оказываются достаточно изящными. Однако при 9-балльной сейсмичности усилия от инерционных сейсмических нагрузок более чем в 4 раза превосходят несущую способность опоры. Вследствие этого возникает необходимость проектирования моста с мощными монолитными промежуточными опорами и устоями.
Для облегчения опор оказывается целесообразным переход к системам специальной сейсмозащиты моста. Для контроля был выполнен полный расчет рамной системы с учетом объединяющих ее демпферов (по программе ОП-209) и системы с жесткой опорной частью (по программе расчета опор, разработанной под руководством А.М. Уздина в ОАО «Трансмост»). Расчет подтвердил возможность применения упрощенных схем, в которых масса опоры приводилась к ее верху. В табл. 1 приведены результаты предварительных расчетов опоры.
Таблица 1
Результаты расчета опор при трех типах опорных частей
| № п/п | Тип опирания пролетного строения на опору | Усилия при ПЗ | Перемещение верха опоры при МРЗ, м | ||
| N, кН | Q, кН | М, кНм | |||
| 1 | Одна неподвижная, одна скользящая опорные части | 426.7 | 148.9 | 923 | 0.225 |
| 2 | Одна податливая (резиновая), одна скользящая опорные части | 426.7 | 85.6 | 493.5 | 0.131 |
| 3 | Одна податливая шаровая, одна скользящая опорные части и демпфер | 426.7 | 23.3 | 135.0 | 0.064 |
| 4 | Две податливые опорные части при оптимизации их параметров | 426.7 | 2.7 | 16.9 | 0.007 |
Из табл. 1 видно, что оптимизация параметров упругих связей по жесткости и демпфированию позволяет значительно снизить нагрузки на опоры по сравнению с традиционной расстановкой опорных частей. Размещение опорных частей по предлагаемому решению показано на рис. 19.
Рис. 19. Схема размещения опорных частей
Выполненные расчеты дают основание для следующих выводов:
- при традиционных плоских и тангенциальных опорных частях принятое решение моста не является сейсмостойким, и возникает необходимость установки пролетных строений на сейсмозащитные опорные части;
- наиболее целесообразным представляется решение, в котором крайние пролетные строения устанавливаются на резинометаллические опорные части (РОЧ) стандартного типа, а центральное пролетное строение с одной стороны опирается на шаровые опорные части, а с другой – на скользящие. Кроме того, на устоях устанавливаются демпферы. Максимальный ход опорных частей для МРЗ при этом составляет около 25 см. При невозможности устройства сейсмозащиты рекомендуемого типа неизбежно возникнет необходимость существенного усиления крайних опор и передача сейсмической нагрузки на эти опоры.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ
- В настоящее время при значительных успехах в области расчета и проектирования для сейсмических районов теория сейсмостойкости мостов заметно отстает от общей теории сейсмостойкости. Основное внимание для обеспечения сейсмостойкости уделяется вопросам расчета и проектирования жилых и промышленных зданий. Существующие рекомендации по назначению расчетных схем мостов при расчетах на сейсмические воздействия не учитывают принципов многоуровневого проектирования и новых конструкций антисейсмического усиления мостов, основанных на принципах сейсмоизоляции и сейсмогашения. В то же время для обеспечения сейсмостойкости мостов от сейсмических воздействий необходимо использование специальной сейсмозащиты.
- Одним из наиболее эффективных методов сейсмозащиты мостов является применение ДГК опор. В диссертации рассматриваются наиболее опасные для опор продольные колебания сооружений, вызываемые сейсмическими воздействиями. При этом пролетные строения, используемые как ДГК, за счет соответствующей настройки колеблются в противофазе с устоями, снижая на них суммарную сейсмическую нагрузку.
- Впервые выполнена количественная оценка влияния ошибок в настройке гасителя для больших гасящих масс, когда масса гасителя (пролетного строения) в 3 и более раза превышает массу сооружения (опоры). Для гасителей большой массы можно допустить существенные отклонения в настройке от оптимальных, причем с увеличением относительной массы гасителя зона высокой эффективности существенно возрастает. Система ДГК более чувствительна к настройке по жесткости, чем к настройке по затуханию. Для случая 1 ошибки по жесткости допустимы в диапазоне 0,21< f <0,43, ошибки по затуханию в пределах 1,4< г <6,8. Ошибки в настройке по затуханию в большей мере влияют на смещение гасящей массы, и в меньшей мере на перемещение основной конструкции. Выполненные исследования показывают, что второй тип гасителя, т.е. при 1, предпочтительнее при сейсмозащите мостовых опор.
- Полученные оценки позволяют существенно упростить задачу проектирования сейсмозащитных устройств мостов, поскольку дают проектировщику широкую возможность в выборе размеров и жесткости проектируемых элементов сейсмозащитных устройств.
- Решение, в котором использована двухмассовая система с жестким закреплением концевой части (на устое), может быть эффективным, потому что с увеличением жесткости увеличивается прочность. Показано, что такое решение упрощает задачу обеспечения условий жесткости и прочности упругих связей пролетного строения с опорой, тогда как при работе одной упругой связи это может быть затруднительно.
- Предложенная новая методика по подбору оптимальных параметров сейсмозащитных опорных частей на колебания моста позволяет решить вопрос оптимальной настройки жесткости податливых связей и более точного подбора параметров сейсмозащитных опорных частей и оптимизировать эти параметры по жесткости и демпфированию для использования ДГК опор мостов для трехмассовой системы. Это решение весьма важно для транспортных сооружений, в частности, автодорожных и железнодорожных мостов как в Узбекистане, так и в России.
- В работе показано, что применение конструкций упругих связей пролетных строений с опорой в виде специальных опорных частей является в настоящее время весьма перспективным способом сейсмозащиты мостов. Соответствующие настройки систем упруго-демпфирующих соединений позволяют использовать пролетное строение в качестве ДГК опоры.
- Расчеты показали, что использование динамического гашения колебаний за счет настройки опорных частей по жесткости и демпфированию позволяет практически снять сейсмические нагрузки с опоры. Это означает, что при использовании рассмотренных предложений принятые генеральные параметры сооружения всегда могут быть обеспечены и по условию сейсмостойкости за счет соответствующего подбора опорных частей, так как это позволяет в несколько раз уменьшить сейсмическую нагрузку на опоры.
- Примеры расчета мостов по предлагаемой методике, выполненные автором и ОАО «Трансмост» при разработке технических решений антисейсмического усиления железнодорожных и автодорожных мостов показали, что предложения диссертации наиболее существенны при проектировании и расчете мостов на сейсмические воздействия силой 9 более баллов.
Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах:
Публикации, входящие в перечень, рекомендованный ВАК Минобразования РФ:
- Кузнецова И.О., Шермухамедов У.З., Жгутова Т.В., В. Хайбинь. Сейсмозащита моста на олимпийской лыжной трассе в красной Поляне // Журнал «Известия Петербургского университета путей сообщения». – Вып. 2, 2010. – С. 199-207.
- Кузнецова И.О., Уздин А.М., В. Хайбинь, Шермухамедов У.З. Использование упругого полупространства для моделирования оснований при оценке сейсмостойкости больших мостов // Журнал «Вестник гражданских инженеров». – Вып. 3, 2010. – С. 91-95.
Публикации, не входящие в перечень, рекомендованный ВАК Минобразования РФ:
- Кузнецова И.О., Шермухамедов У.З. Обзор специальных опорных частей для сейсмозащиты мостов // Межвузовская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Шаг в будущее» Неделя науки, март-апрель Санкт-Петербург, ПГУПС, Россия, 2008 г. – С. 65-71.
- Кузнецова И.О., Шермухамедов У.З. Методы защиты мостов от сейсмических воздействий // 61-я Международная научно-техническая конференция молодых ученых «Актуальные проблемы современного строительства» – СПб: СПбГАСУ. – Ч.III. 2008. – С. 38-43.
- Кузнецова И.О., Шермухамедов У.З. Проблемы сейсмостойкости мостов в республике Узбекистан // Сборник научных трудов Республиканской научно-технической конференции «Актуальные проблемы современной техники и технологий» – Джизак: ДжизПИ, Узбекистан. – 2008. – С. 108-114.
- Карлина Е.А., Кузнецова И.О., Уздин А. М., В.Хайбинь, Шермухамедов У.З. Сейсмоизоляция и сейсмогашение – основной метод обеспечения сейсмостойкости мостов // Журнал «Мир дорог». – 2008. – №35. – С. 42-44.
- Шермухамедов У.З., Иванов С.С. Подбор и расстановка опорных частей для обеспечения сейсмостойкости моста на лыжной трассе в г. Сочи // 62-я Международная научно-техническая конференция молодых ученых «Актуальные проблемы современного строительства», СПбГАСУ. – В 5 ч. Ч. III. – СПб., 2009. – С. 105-110.
- Кузнецова И.О., Уздин А. М., Шермухамедов У.З. Анализ развития методов расчета и проектирования мостов в сейсмических районах // Сборник научных трудов Республиканской научно-технической конференции «Проблемы внедрения инновационных идей, проектов и технологий в производство». – Джизак: ДжизПИ, 2009. – С. 54-60.
- Кузнецова И.О., Шермухамедов У.З. Основные принципы многоуровневого проектирования мостов // Вестник ТашИИТ. – 2009. – №2. – С. 22-27.
- Шермухамедов У.З. Анализ развития спектрального метода расчета сейсмической нагрузки // Материалы международной научно-технической конференции «Современные проблемы механики». – Ташкент: ИМиСС, Узбекистан. – 2009, 23-24 сентябрь. – С. 558-560.
- Кузнецова И.О., Уздин А. М., Шермухамедов У.З. Актуальные вопросы сейсмозащиты мостов // Журнал «Дороги». – 2009. – №41. – С. 38-41.
- Шермухамедов У.З. Проектирование сейсмостойких сооружений для условий Узбекистана // «Новые технологии в мостостроении» Сборник трудов, Санкт-Петербург, ПГУПС, 2010. – С. 95-99.
- Шермухамедов У.З. Анализ теории динамических гасителей колебаний искусственных сооружений // Сборник научных трудов Республиканской научно-технической конференции «Проблемы внедрения инновационных идей, проектов и технологий в производство». – Джизак: ДжизПИ, 2010. – С. 263-266.
Подписано к печати 13.12.2010 г. Печ.л. – 1,5
Печать – ризография. Бумага для множит. апп. Формат 6084 1/16
Тираж 100 экз. Заказ № ____
Тип. ПГУПС 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., д. 9.
