Расчета и проектирования больших мостов в сейсмоопасных районах

На правах рукописи

ВАН ХАЙБИНЬ

ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ БОЛЬШИХ МОСТОВ

В СЕЙСМООПАСНЫХ РАЙОНАХ

Специальность 05.23.11 – Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

МОСКВА

2010

Работа выполнена на кафедре «Мосты» ГОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Уздин Александр Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Курбацкий Евгений Николаевич

кандидат технических наук

Фрезе Максим Владимирович

Ведущая организация: ФГУП «Научно-исследовательский институт мостов и дефектоскопии» г.Санкт-Петербург.

Защита состоится «21» января 2011 г. в 12-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 303.018.01 в 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.

Отзыв на автореферат диссертации в двух экземплярах с подписью, заверенные печатью, просим направлять по указанному адресу учёному секретарю диссертационного совета.

Автореферат разослан «21» декабря 2010 года.

Учёный секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук Петрова Ж.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В настоящее время в связи с освоением новых территорий строится и проектируется значительное количество больших мостов в сейсмически опасных районах. К их числу можно отнести мост через пролив Невельского с Дальневосточного побережья России на остров Сахалин, мост через Бухту Золотой Рог во Владивостоке, мост через пролив Восточный Босфор на остров Русский на Дальнем Востоке, мост через р. Амур в Еврейском АО из России в Китай, мост Жунь Ян в Китае и др.

Проектирование и строительство таких мостов требует учета ряда специфических особенностей их строительства и эксплуатации. В частности, необходим учет их высокой ответственности и стоимости, неоднородности сейсмогеологических условий по длине моста, использование мощных фундаментов глубокого заложения. Указанный комплекс вопросов практически не освещен в нормативной и научной литературе, не только в России и Китае, но и в других развитых странах – Японии, США и пр.

Сказанное определяет актуальность темы диссертации.

Целью диссертации является выявление основных особенностей обеспечения сейсмостойкости больших мостов и разработка основных требований к их проектированию и расчету.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

• проанализированы существующие методы оценки сейсмостойкости мостов и выявлены основные особенности, подлежащие учету при расчете и проектировании больших мостов;
• оценено влияние ответственности моста и сейсмической опасности территории на уровень расчетных сейсмических нагрузок;
• разработаны модели грунтового основания для мостов с фундаментами глубокого заложения;
• разработаны рекомендации по построению расчетных схем для оценки сейсмостойкости больших мостов;
• разработана методика подбора параметров устройств опирания пролетных строений на опоры для обеспечения режимов сейсмоизоляции и сейсмогашения колебаний опор;
• предложен метод проектирования сейсмозащитных устройств мостов, обеспечивающий заданные параметры предельных состояний конструкции и позволяющий предусматривать необходимые сценарии накопления повреждений в сооружении.

Методика исследований включала:

1. Сбор и обобщение фактического материала по вопросам расчета и проектирования больших мостов в сейсмически опасных районах, а также анализ опыта прошлых землетрясений применительно к большим мостам;

2. Построение математических моделей рассматриваемых конструкций и их анализ;

3. Анализ технической реализации систем сейсмозащиты больших мостов и разработку методов и программных средств для расчета таких систем.

Научную новизну работы составляют:

1. обобщение работ по заданию сейсмического воздействия с учетом ситуационной сейсмичности и их применение к расчету больших мостов, позволившее впервые оценить уровень сейсмических нагрузок на большие мосты при проектном (ПЗ) и максимальном расчетном (МРЗ) землетрясениях;
2. новая расчетная модель грунтового основания для оценки сейсмостойкости мостов с фундаментами глубокого заложения и программа для оценки параметров предложенной модели;
3. уточнение методики и оригинальное программное обеспечение для подбора параметров систем сейсмоизоляции и сейсмогашения опор больших мостов;
4. новые требования к системам сейсмозащиты железнодорожных мостов, обеспечивающие нормальную эксплуатацию моста и снижение расчетных сейсмических нагрузок;
5. новые предложения по многоуровневому проектированию мостов с сейсмоизоляцией и фрикционно-подвижными болтовыми соединениями и новые технические решения системы опирания пролетных строений на опоры, разработанные в соответствии с этими предложениями.

Достоверность работы подтверждается соответствием ее выводов опыту прошлых землетрясений и данным других исследователей, имеющихся по отдельным вопросам, рассмотренным в диссертации.

На защиту выносятся следующие положения

• рекомендуемые уровни расчетной сейсмической нагрузки для проектирования больших мостов и коэффициенты сочетаний сейсмической и железнодорожной нагрузок;
• модель грунтового основания опоры с фундаментом глубокого заложения;
• методика подбора параметров и технические решения систем сейсмоизоляции и сейсмогашения больших мостов;
• практическая методика расчета больших мостов на сейсмические воздействия с учетом их специфических особенностей.

Практическая ценность работы заключается в том, что все исследования автора доведены до практических предложений и программных средств, которые уже нашли применение в транспортном строительстве.

Результаты исследования реализованы

• при разработке Стандарта предприятия по расчету и проектированию мостов в сейсмически опасных районах. ОАО «Трансмост»,2009 г
• при проектировании автодорожных мостов на автодороге «Адлер – Роза Хутор» в зоне строительства олимпийских объектов г. Сочи;
• при проектировании железнодорожных мостов на железнодорожной линии «Адлер – Аэропорт Сочи» в зоне строительства олимпийских объектов в районе г. Сочи;
• при проектировании железнодорожного моста через р.Амур в Еврейской автономной области из Российской Федерации в КНР.

Личный вклад. Автором была поставлена задача исследования, которое выполнялось в составе целевой комплексной программы «Сейсмозащита мостов» СМ КНР. Лично автором были выполнены расчеты сейсмической нагрузки на большие мосты, разработана методика и программные средства для расчета параметров моделей основания опор мостов, разработана методика и программное обеспечение по подбору параметров демпфирования и жесткости сейсмозащитных опорных частей.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на:

• международной конференции, посвященной 60-летию Ашхабадского землетрясения в г. Ашхабаде в 2008 г.;
• научной конференции и молодых ученых ПГУПС, 2007 г.;
• Международной конференции в Грузии (First International Conference on Seismic safety problems of Caucasus Region Population, Cities and Settlements, Kiriak Zavriev Institute of Structural Mechanics and Earthquake Engineering, Tbilisi, Georgia, September 8–11, 2008 г.);
• научно-технических семинарах кафедр «Мосты» и «Теоретическая механика» ПГУПС.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и списка литературы, включающего 152 источников. Общий объем диссертации 198 страниц, в том числе 90 рисунков, 25 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и практическая значимость темы диссертации, сформулирована цель проводимых исследований, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе дан анализ состояний исследуемого вопроса. Прежде всего, рассмотрен опыт развития теории и практики сейсмостойкого транспортного строительства.

Общий анализ повреждений мостов при землетрясениях был дан в монографиях А.А.Гельфера, Г.Н.Карцивадзе, Г.С.Шестоперова, Дж.Барра.

Уточнению расчетных схем мостов с учетом сил трения в подвижных опорных частях посвящены работы Г.Н. Карцивадзе, Ю.В. Словинского, В.И.Ярохно, А.М. Уздина, И.О.Кузнецовой. Натурные исследования колебаний мостов с определением частот колебаний и характеристик затухания начиная с 1965 года проводились в Советском Союзе Н.Г.Бондарем, И.И. Казеем, Ю.Г.Козьминым и Б.Ф. Лесохиным, Г.Н. Карцивадзе, В.В. Кондратовым, Б.Е. Паком, М.М. Сердюковым и В.П. Чуднецовым, в Японии - М. Микошиба, К. Кубо, Т. Нишики, и другими учеными.

Вопросам нормирования сейсмостойкого строительства мостов посвящены работы Г.Н. Карцивадзе, Курбацкого, А.М. Уздина, Г.С. Шестоперова, Ш. Окамото, О. Байрака, Д. Лее, А. Шапиро и др.

Важной особенностью сейсмостойкого мостостроения в последние годы является переход к системам специальной сейсмозащиты. В связи с тем, что такие методы повышения сейсмостойкости в нашей стране и за рубежом становятся основными, этот вопрос требует специальных исследований.

Важнейшим для обеспечения сейсмостойкости мостов является вопрос задания расчетного уровня сейсмической нагрузки и соответствующего ей предельного состояния. Серьезные разработки в этой области выполнены в последние годы в Европе, Японии и Китае. Успехи рассмотренных исследований позволили перейти к концепции многоуровневого расчета мостов и проектированию сценариев повреждений. При этом рассматривается несколько уровней сейсмической нагрузки и соответствующие этим уровням предельные состояния. В простейшем случае используется два уровня воздействия – проектное землетрясение (ПЗ) и максимальное расчетное землетрясение (МРЗ). На действие ПЗ делается силовой, а на действие МРЗ – кинематический расчет.

Однако реализация сформулированных принципов вызывает определенные трудности. Так, нет увязки величины расчетных ускорений ПЗ и МРЗ со сроком службы, ответственностью моста и сейсмическим режимом территории. До настоящего времени отсутствуют обоснованные рекомендации по назначению коэффициентов сочетаний сейсмической и других нагрузок. Нет рекомендаций по назначению расчетных схем мостов. Практически отсутствуют данные по подбору параметров сейсмоизолирующих опорных частей. Особенно важно решение этих задачи для больших мостов, разрушение которых ведет к тяжелейшим последствиям для пострадавшего от землетрясения региона. Решению поставленных вопросов посвящаются последующие разделы диссертации.

Во второй главе диссертации рассмотрены вопросы задания уровня расчетного воздействия и коэффициентов сочетаний сейсмической и подвижной нагрузок для больших мостов. Для решения задачи автором адаптирована и использована методика, разработанная профессором А.М.Уздиным, к.т.н. И.О.Кузнецовой и инженером О.А.Сахаровым, основанная на ограничении вероятности превышения сейсмической нагрузкой расчетного уровня. Упомянутая методика позволяет учесть сейсмичность площадки строительства, срок службы сооружения и вероятность сочетания сейсмической и других нагрузок. Особенностью выполненного исследования является высокая ответственность больших мостов и большая расчетная вероятность нахождения поезда на мосту во время землетрясения. В качестве примера на рис.1 приведены зависимости вероятности нахождения поезда на мосту от его длины для железных дорог России и Китая. Более высокая вероятность нахождения поезда на мосту для России связана с тем, что нормы РФ заимствованы из норм бывшего СССР, когда грузонапряженность дорог была исключительно высокой.

Рис. 1. Зависимость вероятности нахождения поезда на мосту от его длины; слева – для значений вагонопотока N=10000 (сплошная линия) и N=5000 (точечная линия); справа – для значений вагонопотока России и Китая

В главе приведены примеры расчета больших мостов в районе Большого Сочи и Красной Поляны, а также для моста через р. Амур в Еврейской автономной области, сооружаемого совместно Россией и КНР. Для совместного учета сейсмической и подвижной нагрузки в работе проведены оценочные значения коэффициентов сочетаний для больших мостов. При этом показано, что для мостов длиной более 3 км вероятность нахождения поезда на мосту во время землетрясения практически рана единице.

Сопоставительный анализ грузонапряженности российских и китайских железных дорог показал, что современный грузооборот китайских железных дорог соответствует грузонапряженности железных дорог бывшего СССР для линий второй категории. Это позволяет понизить коэффициенты сочетаний сейсмической и подвижной нагрузки для китайских железных дорог по сравнению с рекомендациями, используемыми в КНР. Следует также отметить, что грузонапряженность железных дорог РФ в настоящее время существенно (примерно в 2 раза) ниже нормативной, что также позволяет ставить вопрос о снижении расчетных коэффициентов сочетаний сейсмической и подвижной железнодорожной нагрузок.

В третьей главе диссертации рассматривается проблема учета динамического взаимодействия мостовых опор, фундамента и грунтовой толщи. Для больших мостов характерно наличие фундаментов глубокого заложения. При этом практически невозможно детальное моделирование грунтовой толщи, фундамента, опор, пролетных строений и подвижной нагрузки. В работе предложен подход разделения расчетных моделей моста и фундамента с грунтовой толщей. При этом отдельно задается детальная модель фундамента с прилегающим массивом грунта. Для этой модели определяются импульсные переходные или передаточные функции и по ним строятся упрощенные модели основания, показанные в рисунке 2.

Для модели с двумя степенями свободы в работе получены аналитические зависимости, позволяющие определить характеристики модели по динамическим характеристикам основания, определенным на основе конечноэлементного расчета. Для расчета параметров модели – жесткости и демпфирования пружин, моделирующих грунт, разработана программа на языке С++ для проведения инженерных расчетов. В главе выполнен пример расчета фундаментного блока для моста через бухту Золотой Рог во Владивостоке.

Рис. 2. Упрощенные модели основания слева с 7 степенями свободы, справа – с 2 степенями свободы, 1 – масса фундамента с присоединенной массой грунта; 2 – первая приведенная жесткость основания, моделируемая пружиной жесткостью КХ1 и затуханием 1Х; 3 – приведенная масса грунта mX; 4 – вторая приведенная жесткость основания, моделируемая пружиной жесткостью КХ2 и затуханием 2Х; 5 – первая приведенная жесткость основания в вертикальном направлении, моделируемая пружиной жесткостью КZ1 и затуханием 1Z; 6 – приведенная масса грунта mZ; 7 – вторая приведенная вертикальная жесткость основания, моделируемая пружиной жесткостью КZ1 и затуханием 1Z.