Автоматизированное проектирование неразрезных металлических пролетных строений автодорожных мостов с ортотропной плитой проезжей части

На правах рукописи 

Нгуен Мань Тхыонг

автоматизиРОВАННОЕ проектированиЕ неразрезных металлических пролетных строений АВТОДОРОЖНЫХ МОСТОВ

с ортотропной плитой проезжей части

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

Автореферат

Диссертация на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 2011

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» на кафедре мостов и транспортных тоннелей.

Научный руководитель : доктор технических наук,
профессор

.

Официальные оппоненты : доктор технических наук,
профессор

,

Кандидат технических наук,
профессор

Ведущая организация: ОАО “ Гипротрансмост”.

Защита диссертации состоится 20 октября 2011 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.126.02 ВАК при Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете по адресу:

г. Москва, Ленинградский проспект, 64, ауд. 42

Телефон для справок – (4

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета. Копию отзыва просим прислать по Е-mail : *****@***ru

Автореферат разослан << 16 >> сентября 2011 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук, профессор

общая характеристика работы

Актуальность работы. В настоящее время в автодорожных мостах Вьетнама находят широкое применение металлических неразрезных пролетных строений с ортотропной плитой проезжей части.

При проектировании этих конструкций инженеры обращаются к персональным компьютерам (ПК) лишь для выполнения их расчета и чертежных работ. Собственно проектирование - определение рациональных значений всех размеров сооружения - выполняют практически вручную методом последовательных приближений.

При проектировании моста инженеру приходится решать задачу, которая не имеет строгой математической формулировки, а состоит из ряда разнородных требований. К ним относятся: эффективность и экономичность сооружения, его надежность, долговечность, технологичность, эстетические требования и, наконец, разного рода ограничения. Чтобы выполнить все многоплановые и противоречивые требования и при этом получить рациональное решение, необходима разработка методики и программы автоматизированного проектирования этих пролетных строений.

Цель работы: разработка методики автоматизированного проектирования неразрезных металлических пролетных строений автодорожных мостов с ортотропной плитой проезжей части для решения задач их оптимизации по критерию минимальной погонной массы, повышения производительности труда проектировщиков, качества проектной документации и сокращения срока проектирования.

Задачи работы:

1. Разработать обобщенную конструктивную схему неразрезных металлических пролетных строений автодорожных мостов с ортотропной плитой проезжей части применительно к программе их автоматизированного проектирования, учитывающую основные их особенности и конструктивные требования действующих норм проектирования (СНиП 2.05.03-84*).

2. Разработать алгоритм программы автоматизированного проектирования и оптимизации независимых параметров неразрезных металлических пролетных строений с ортотропной плитой проезжей части по критерию минимальной погонной массы с учетом основных конструктивных и расчетных требований СНиП 2.05.03-84*.

3. Разработать и тестировать программу автоматизированного проектирования и оптимизации неразрезных металлических пролетных строений с ортотропной плитой проезжей части, которая может быть использована в практике вариантного проектирования.

4. С помощью разработанной программы автоматизированного проектирования выполнить исследование влияния основных параметров неразрезных металлических пролетных строений с ортотропной плитой проезжей части и используемых в них материалов на их погонную массу.

5. Разработать рекомендации по использованию созданной программы автоматизированного проектирования при решении задач проектирования неразрезных металлических пролетных строений с ортотропной плитой проезжей части на этапе их вариантного проектирования.

Объект исследования: неразрезные металлические пролетные строения с ортотропной плитой проезжей части автодорожных мостов.

Методика исследования: в основном, теоретическая с использованием обычного математического аппарата с выполнением численных экспериментальных исследований на ПК для выработки рекомендаций по оптимальным параметрам неразрезных металлических пролетных строений с ортотропной плитой проезжей части и рекомендаций по использованию программы для решения практических задач проектирования.

Научная новизна и значимость работы:

-разработан алгоритм автоматизированного проектирования неразрезных металлических пролетных строений с ортотропной плитой проезжей части с оптимизацией проектного решения по минимуму погонной массы пролетного строения,

- получены оптимальные по погонной массе параметры неразрезных металлических пролетных строений с ортотропной плитой проезжей части и установлены закономерности изменения целевой функции от значения независимых параметров.

- впервые на основе теории весовой поверхности профессора показана необходимость выбора рационального уровня расчетных сопротивлений материалов в пролетных строениях, размеры которых определяются условиями их жесткости,

- впервые разработаны рекомендации по назначению оптимальной доли расчетных сопротивлений материала продольных ребер ортотропной плиты, которые необходимо выделять на восприятие ими местного действия временной нагрузки.

Достоверность и обоснованность полученных результатов исследования определяется корректностью поставленных задач, обоснованностью всех принятых этапов расчета и конструирования, использованием апробированных методов расчета и конструирования, а также подтверждена сравнением полученных результатов с известными данными реального проектирования аналогичных пролетных строений.

Практическая значимость работы :

Разработанная программа позволяет определять оптимальные параметры неразрезных металлических пролетных строений автодорожных мостов с ортотропной плитой проезжей части по критерию их минимальной погонной массы.

Эффективность работы определяется возможностью резкого повышения производительности труда проектировщиков за счет использования современной вычислительной техники в режиме тесного общения специалиста и ПК.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1.  Алгоритм программы автоматизированного проектирования неразрезных металлических пролетных строений автодорожных мостов с ортотропной плитой проезжей части по критерию минимальной погонной массы с учетом основных конструктивных и расчетных требований СНиП 2.05.03-84*.

2.  Результаты исследования влияния основных параметров неразрезных металлических пролетных строений с ортотропной плитой проезжей части и используемых в них материалов на значение целевой функции.

3.  Рекомендации по рациональным конструктивным решениям и параметрам неразрезных металлических пролетных строений автодорожных мостов с ортотропной плитой проезжей части на этапе их вариантного проектирования.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы опубликованы в 4 статьях, доложены и одобрены на ежегодной научно-технической конференции г. Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета и на международной научно-практической конференции « Инженерные системы» -2011 Москва Апрель 2011

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 155 страницах машинописного текста и включает в себя введение, пять глав, заключение, 83 рисунков, 9 таблиц, список литературы из 58 наименований.

Основное содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, научная новизна и приведены основные её результаты, выносимые на защиту.

В первой главе на основе анализа состояния развития неразрезных металлических пролетных строений с ортотропной плитой проезжей части во Вьетнаме и автоматизированного проектирования мостовых конструкций в России сформулированы цели и основные задачи диссертационной работы. При обзоре литературы по автоматизированному проектированию мостовых конструкций отмечено, что наиболее существенные результаты вначале были получены , , и в ВИА им .

Диссертация является продолжением научных работ, выполняемых на кафедре мостов и транспортных тоннелей МАДИ( диссертации Лиянагама. Джанака, Вадуге Метананда, Джха Виджай Кумар, Ле Тху Хыонг, , Аует Луис, Фан Пинь, Ализаде Шахрам, Нгуен Нам Ха, Нгуен Тхак Куанг, Ле Ван Мань, Чан Тхай Минь) направленных на разработку программ автоматизированного проектирования мостовых конструкций с применением ПК, основанных на реализации инженерного метода последовательных приближений к искомому решению.

В этой же главе кратко изложен метод направленного поиска оптимальных высот пролетных строений и оптимального уровня расчетных сопротивлений материалов в них, предложенный профессором на основе его теории весовой поверхности изгибаемых конструкций.

Во второй главе Приведена разработанная автором обобщенная конструктивная форма неразрезных металлических пролетных строений с ортотропной плитой проезжей части, система исходных данных к программе, перечень выходных данных о результатах проектировании, математическая формулировка задачи автоматизированного проектирования неразрезных металлических пролетных строений с ортотропной плитой проезжей части и блок-схема для разработки соответствующей программы.

В качестве обобщенной схемы конструкции принято неразрезное металлическое пролетное строение (рис.1), имеющее n(³ 2) пролетов с длинами Li и общей длиной L0. Длина пролетов задается в исходных данных и определяется заранее, исходя из гидрогеологических условий местности и подмостового габарита.

Рис. 1: Схема неразрезного металлического пролетного строения моста произвольной схемы – n пролетов.

Рис.2 Обобщенная конструктивная форма поперечного сечения пролетного строения с произвольным количеством балок

Рис. 3.Обобщенная конструктивная форма поперечного сечения пролетного строения коробчатого очертания

Предусмотрены два типа поперечных сечений: ортотропная плита проезжей части объединена с произвольным количеством(2-4) главных балок, объединенных системой поперечных связей(рис.2), ортотропная плита объединена с одной балкой коробчатого сечения(рис.3).

В третьей главе изложена принятая автором последовательность расчета и конструирования исследуемых пролетных строений применительно к программе их автоматизированного проектирования с учетом основных требований СНиП 2.05.03-84*.

В третьей главе также приведены особенности реализации алгоритма программы по обоснованию принимаемых размеров элементов пролетных строений, удовлетворяющих условиям прочности, жесткости, местной устойчивости стенок, общей устойчивости ортотропной плиты проезжей части, выносливости, а также аэродинамической устойчивости.

В четвертой главе до начала использования программы была произведена проверка правильности работы всех её блоков. Это позволило сделать вывод о хорошей сходимости результатов расчета и о том, что программа обеспечивает формирование рациональных сечений всех элементов пролетного строения при удовлетворении условий их прочности, жесткости и устойчивости .

В пятой главе приведены результаты исследования с помощью разработанной программы и рекомендации по её использованию для определения рациональных параметров конструктивных решений неразрезных металлических пролетных строений с ортотропной плитой проезжей части в диапазоне пролетов от 42 до 147 м.

Исследовано влияние на погонную массу пролетных строений наиболее важных их независимых параметров: высоты балки, количества балок в поперечном сечении пролетного строения, доли расчетного сопротивления материала продольных ребер, выделяемой на восприятие местного действия нагрузки. Эти исследования были выполнены для диапазона пролетов от 42 до 147 м и разных уровней временной нагрузки.

При этом установлено:

1.При величине пролетов от 42 до 63м минимуму погонной массы пролетных строений соответствует оптимальное значение высоты, при которой полностью используется расчетное сопротивление стали 15 ХСНД в нижних поясах балок пролетных строений при избыточном удовлетворении условий жесткости(т. е.оптимальный вариант конструктивного решения находится в первой зоне области существования возможных решений).

В качестве примера в автореферате на рис.4 приведены полученные зависимости погонной массы пролетного строения от высоты главных балок пролетом 42м. Минимальной массе этого пролетного строения соответствует конструктивное его решение с тремя главными балками при их высоте 1,4 м. Относительный прогиб этого варианта конструктивного решения составляет только 0.0013, что значительно меньше допускаемого значения 0.0025. Из этого следует, что этот вариант соответствует первой зоне области существования возможных решений и является оптимальным для рассмотренной конструктивной формы пролетного строения.

Рис.4. Зависимость массы 1п. м пролетного строения от высоты главных балок пролетом 42м. для конструктивной формы с тремя балками в поперечном сечении.

2. При величине пролетов от 84 до 147 выявлены ситуации, при которых конструктивные решения с минимумом массы при полном использовании расчетных сопротивлений не удовлетворяет условию жесткости. В качестве оптимальных высот в этих ситуациях принимаются минимальные из высот, которые удовлетворяют условию жесткости, т. е оптимальный вариант конструктивного решения находится во второй зоне области существования возможных решений.

В качестве примера в автореферате на рис.5 приведена полученная зависимость погонной массы пролетного строения пролетом 84м. с двумя балками в поперечном сечении от высоты главных балок, на этом же рисунке приведены данные об относительных прогибах этих решений.

Рис.5.Зависимость массы 1п. м пролетного строения от высоты главных балок пролетом 84м для конструктивной формы с двумя балками в поперечном сечении.

Во всех этих конструктивных решениях используются полностью расчетные сопротивления материала 15 ХСНД. Следовательно, зависимость массы рассмотренных конструктивных решений от высоты при одинаковых уровнях расчетных сопротивлений представляет собой по терминологии теории весовой поверхности профессора изотензу Минимальной массе этих конструктивных решений соответствует решение с высотой балок 2.4 м. Но ему соответствует относительный прогиб 0.0265, превышающий допустимое его значение,0.0025.,т. е. Это неравенство в соответствии с теорией весовой поверхности профессора соответствует второй зоне области существования возможных решений, в которой оптимальное решение находится на пересечении изотензы с изофлексой, т. е при конструктивном решении с высотой 2.47 м, которая имеет относительный прогиб равный допускаемому. Это конструктивное решение не является оптимальным по условию прочности. Но оно должно быть принято как решение соответствующее минимально возможной высоте, удовлетворяющей условию жесткости пролетного строения.

3. Выявлено, что при пролетах 147м и более в их конструктивных решениях не представляется возможным эффективно использовать расчетные сопротивления сталей 15 ХСНД и 10 ХСНД, для обеспечения условий их жесткости требуется применять неприемлемые по техническим и экономическим соображениям высоты. Эти конструктивные решения находятся в третьей зоне возможных решений, в них целесообразно снижение расчетных сопротивлений( т. е. применять менее прочные стали) до оптимальных, определяемых по методике профессора

В качестве примера в автореферате на рис.6 приведена полученная зависимость погонной массы пролетного строения пролетом 147 м. от их высоты (изотенза) с данными об относительных прогибах (при полном использовании расчетных сопротивлений 15ХСНД). Минимальной погонной его массе соответствует высота 3 м, с относительным прогибом 0.0043, что больше допустимого 0.0025. Условию жесткости на изотензе удовлетворяет лишь конструктивное решение с высотой 4.4 м. с погонной массой 4.75т, м. При этой высоте будет полностью использована прочность 15 ХСНД. Но такая большая высота пролетного строения нерациональна по соображениям обеспечения аэродинамической устойчивости.

Рис.6. Зависимость массы 1п. м пролетного строения от высоты главных балок пролетом 147м. для конструктивной формы с двумя балками в поперечном сечении.(изотенза)

На рис.7 приведена изофлекса с целью поиска рационального конструктивного решения в третьей зоне области их существований. Минимальной их массе 4.87 т/м соответствует решение с высотой 3.8 м с относительным прогибом.0025. Оптимальный уровень расчетных сопротивлений для этого варианта составляет 214МПа

Рис.7. К оптимизации высоты неразрезного трехпролетного строения с пролетами 147м и определению оптимального уровня расчетных сопротивлений для него(изофлекса).

4.Выявлено, что оптимальное значение доли расчетного сопротивления, выделяемой на восприятие местного действия нагрузки продольными ребрами, определяется условиями их выносливости, зависит от количества балок в поперечном сечении и находится в диапазоне от 0.3 до 0.6 для конструктивной формы с отдельными балками в поперечном сечении, а для коробчатых пролетных строений находится в диапазоне от 0.5 до 0.6.

Оптимальное значение доли расчетного сопротивления, выделяемой на восприятии местного действия нагрузки, зависит и от уровня расчетного сопротивления примененных сталей. С увеличением уровня расчетного сопротивления оптимальное значение их доли, выделяемой на восприятие местного действия нагрузки, уменьшается.

В качестве примера в автореферате на рис.8 приведены полученные зависимости массы пролетных строений пролетом 84 м при различном количестве балок в поперечном сечении и при различных значениях доли расчетного сопротивления стали 15ХСНД, выделяемой на восприятии местного действия нагрузки . Минимальной массы этого пролетного строения соответствует значение доли расчетного сопротивления 0.35 и с 3-мя балками в поперечном сечении. Анализ полученных данных позволил сделать вывод, что оптимальное значение доли расчетного сопротивления, выделяемой на восприятии местного действия нагрузки зависит от количества балок в поперечном сечении.

Рис.8. Зависимости массы пролетных строений пролетом 84 м при различных количеств балок в поперечном сечением

Рис.9. Зависимости массы пролетных строений при и разных уровнях расчетного сопротивления с пролетом длиной 84 м

На рис.9 приведены полученные зависимости массы пролетных строений пролетом 84 м и при различных значениях доли расчетного сопротивления, выделяемой на восприятие местного действия нагрузки и разных уровнях расчетного сопротивления. Минимальной массы этого пролетного строения соответствует значение доли расчетного сопротивления 0.3 и с применением сталей марок 10ХСНД.

Анализ полученных данных позволил сделать вывод, что оптимальное значение доли расчетного сопротивления, выделяемой на восприятие местного действия нагрузки зависит от уровня расчетного сопротивления примененных сталей. С увеличением уровня расчетного сопротивления оптимальное значение их доли, выделяемой на восприятие местного действия нагрузки, уменьшается.

5.Получены зависимости массы пролетных строений от класса временной нагрузки. Для пролетов в диапазоне от 42 до 147 м с возрастанием класса нагрузки от АК-8 до АК-14 погонная масса пролетного строения увеличилась значительно (6-27%).

Таблица 1.

Зависимость погонной массы пролетных строений от класса используемой временной нагрузки

6.Вычислена критическая скорость ветра для пролетов в диапазоне 63-147м.

Таблица 2.

Критическая скорость ветра для пролетов в диапазоне 63-147м.

Численные их значения находятся в приемлемом диапазоне по условиям эксплуатации мостов во Вьетнаме

Заключение

В выполненной работе поставлена и решена задача разработки методики и программы автоматизированного проектирования неразрезных металлических пролетных строений с ортотропной плитой проезжей части и использования её для исследования влияния независимых параметров пролетных строений на выходные их характеристики. При этом:

I.Разработана обобщенная конструктивная схема неразрезных металлических пролетных строений с ортотропной плитой проезжей части применительно к программе их автоматизированного проектирования, учитывающая основные их особенности и конструктивные требования действующих норм проектирования (СНиП 2.05.03-84*)

II.Разработан алгоритм программы автоматизированного проектирования и оптимизации независимых параметров неразрезных металлических пролетных строений с ортотропной плитой проезжей части по критерию минимальной погонной массы с учетом основных конструктивных и расчетных требований СНиП 2.05.03-84*.

III.Разработана программа автоматизированного проектирования и оптимизации неразрезных металлических пролетных строений с ортотропной плитой проезжей части, которая может быть использована в практике вариантного проектирования.

IV.Разработанная программа проектирования автоматизированного проектирования и оптимизации неразрезных металлических пролетных строений с ортотропной плитой проезжей части по исходным данным задачи проектирования обеспечивает проектирование рациональной их компоновки, включающей установление высоты, количества и размеров поперечных сечений балок в поперечном сечении пролетного строения, по минимуму погонной массы материалов пролетных строений с удовлетворением условий их прочности, жесткости, устойчивости и выносливости.

V.Разработанная в диссертации программа использована как инструмент для разработки рекомендаций по назначению оптимальных значений независимых параметров по критерию минимальной погонной массы материалов пролетных строений и для исследования влияния независимых параметров на экономические характеристики пролетных строений.

При этом установлено:

1.При величине пролетов от 42 до 63м минимуму погонной массы пролетных строений соответствует оптимальное значение высоты, при которой полностью используется расчетное сопротивление стали 15 ХСНД в нижних поясах балок пролетных строений при избыточном удовлетворении условий жесткости(т. е.оптимальный вариант конструктивного решения находится в первой зоне области существования возможных решений).

2. При величине пролетов от 84 до 147 выявлены ситуации, при которых конструктивные решения с минимумом массы при полном использовании расчетных сопротивлений не удовлетворяет условию жесткости. В качестве оптимальных высот в этих ситуациях принимаются минимальные из высот, которые удовлетворяют условию жесткости, т. е оптимальный вариант конструктивного решения находится во второй зоне области существования возможных решений.

3. Выявлено, что при пролетах 147м и более в их конструктивных решениях не представляется возможным эффективно использовать расчетные сопротивления сталей 15 ХСНД и 10 ХСНД, для обеспечения условий их жесткости требуется применять неприемлемые по техническим и экономическим соображениям высоты. Эти конструктивные решения находятся в третьей зоне возможных решений, в их главных балках целесообразно снижение расчетных сопротивлений( т. е. применять менее прочные стали) до оптимальных, определяемых по методике профессора

4. Получены зависимости массы пролетных строений от доли расчетного сопротивления, выделяемой на восприятие местного действия временных и постоянной нагрузок.

При этом :

-Оптимальное значение доли расчетного сопротивления, выделяемой на восприятие местного действия нагрузки, зависит от оптимального количества балок в поперечном сечении и находится в диапазоне от 0.3 до 0.6 для конструктивной формы с отдельными балками в поперечном сечении.

-Оптимальное значение доли расчетного сопротивления, выделяемой на восприятие местного действия нагрузки находится в диапазоне от 0.5 до 0.6 для конструктивной формы с коробчатым поперечном сечениям.

-С увеличением уровня расчетного сопротивления оптимальное значение их доли, выделяемой на восприятие местного действия нагрузки, уменьшается.

5. Получены зависимости массы пролетных строений от класса временной нагрузки.

При этом установлено:

-Для пролетов в диапазоне от 42 до 147 м с возрастанием класса нагрузки от АК-8 до АК-14 масса 1 кв. м ортотропной плиты увеличилась не значительно ( 5%- 7%), а погонная масса пролетного строения увеличилась значительно (16-27%)

6. Полученные численные значения критических скоростей ветра для пролетов в диапазоне 63-147м находятся в приемлемом диапазоне по условиям эксплуатации мостов во Вьетнаме.

Основные положения диссертации опубликованы в работах :

1.  Нгуен Мань Тхыонг. Оптимизация параметров неразрезных металлических пролетных строений автодорожных мостов с ортотропной плитой проезжей части / Тхыонг Нгуен Мань // Вестник МАДИ. – 2011. - № 3(26). – С. 87-90.

2.  Нгуен Мань Тхыонг. Основы программы автоматизированного проектирования неразрезных металлических пролетных строений автодорожных мостов с ортотропной плитой проезжей части (МАДИ (ГТУ), г. Москва, Социалистическая Республика Вьетнам) . «ИНЖЕНЕРНЫЕ СИСТЕМЫ – 2011».Тезисы докладов. Москва. 5 – 8 апреля 2011 г. М.: РУДН, 2011. – С. 84-85.

3.  Нгуен Мань Тхыонг. Обобщенная конструктивная форма неразрезных металлических пролетных строений автодорожных мостов с ортотропной плитой проезжей части и блок-схема программы автоматизации их проектирования / Тхыонг Нгуен Мань // Исследования мостовых и тоннельных сооружений. Сб. науч. тр. МАДИ (ГТУс. 62-66.

4.  Оптимизация параметров коробчатых металлических пролетных строений / Тхыонг Нгуен Мань // Журнал «Наука и техника в дорожной отрасли».- 2011.- No. 3.- с