Проект реконструкции автодорожного перехода был разработан на основании технического задания ФГУП «Канал имени Москвы». Согласно техническому заданию, было необходимо создать условия безостановочного движения транспорта по автодорожному переходу в двух направлениях с обеспечением безопасной и беспрепятственной работы сотрудников Иваньковской ГЭС.
Мостовой переход через сооружения Иваньковской ГЭС был построен в 1937 году. По ряду своих свойств он не отвечает современным нормативным требованиям:
Водосборы машинного зала перекрыты балочными разрезными одноконсольными пролетными строениями расчетной длины 13,65 м (пролеты 9−10). Длина консолей — 2,125 м. Полная длина пролетов — 16,25 м.
Пролетные строения выполнены из монолитного железобетона. Материалы пролетных строений по проектным данным — бетон марки 110 и арматура Ст3.
Мост был запроектирован под две полосы движения и имел ширину проезжей части 6 м. По краям проезжей части устроены тротуары повышенного типа. Верховой тротуар имеет ширину 0,85 м, низовой — 1,15 м.
Сооружение было рассчитано на нормативную нагрузку от подвижного состава Н10 и нормативную нагрузку от пешеходов на тротуарах интенсивностью 400 кгс/м2
Пролетное строение длиной 21 м (пролеты 1−8) в поперечном сечении состоит из четырех главных балок высотой 2,25 м в середине пролета и 2,35 м над опорой. Расстояние между главными балками в осях составляет 2 м. Толщина ребер балок — 0,6 м. Главные балки объединены между собой железобетонной плитой проезжей части толщиной 0,15 м и поперечными балками (диафрагмами).
Пролетное строение длиной 13,65 м (пролеты 9−10) в поперечном сечении состоит из трех главных балок высотой 1,5 м. Расстояние между главными балками в осях составляет 2,5 м. Толщина ребер балок — 0,6 м. Главные балки объединены между собой железобетонной плитой проезжей части толщиной 0,15 м и поперечными балками (диафрагмами).
При реконструкции моста производится уширение габарита проезжей части до 7,5 м и устройство тротуара с низовой стороны шириной 1,5 м, при этом ось моста после реконструкции смещается относительно оси моста до реконструкции на 0,5 м к низовой стороне.
Уширение моста в пределах пролетов 1−8 происходит за счет устройства монолитной железобетонной накладной плиты в границах проезжей части, которая включается в совместную работу с главными балками, а также за счет устройства металлической тротуарной консоли.
Железобетонная накладная плита после реконструкции имеет максимальную толщину по оси моста 0,28 м и уклоны поверхности в поперечном направлении 2.0%.
Балки пролетов 9−10 при усилении накладной плитой не обладают несущей способностью, достаточной для современных нагрузок. В проекте предусмотрена замена балок. Конструкции новых пролетных строений запроектированы сталежелезобетонными.
Далее в качестве примера приводится последовательность расчета пролетных строений водосливной части плотины мостового перехода.
По заданию на проект реконструкции сооружение должно воспринимать временные вертикальные нагрузки от транспортных средств класса А14 и Н14 в соответствии с ГОСТР 52748−2007.
Отметка верха ездового полотна моста 127 м.
Расчеты конструкций моста выполняются в соответствии со следующими нормативными документами:
В результате натурного обследования мостового перехода плотины Иваньковской ГЭС были обнаружены дефекты, снижающие его несущую способность на 5% (экспертная оценка). Было установлено, что грузоподъемность мостового перехода определяется грузоподъемностью его пролетных строений. Критическим компонентом напряженно-деформированного состояния пролетных строений являются изгибающие моменты в сечениях главных балок в середине пролета.
Оценка несущей способности производится с использованием зависимости: M < Mult, где:
Расчетные изгибающие моменты в сечениях главных балок в середине пролета от эксплуатационных нагрузок M определяются с учетом поэтапности работы пролетного строения на стадиях возведения (реконструкции) и эксплуатации по причине того, что на этих стадиях сечения конструкций обладают различными жесткостными характеристиками, то есть конструктивная схема является внутренне статически неопределимой.
На стадии возведения (реконструкции) пролетного строения учитываются постоянные нагрузки:
На стадии эксплуатации учитываются постоянные нагрузки:
Также на стадии эксплуатации учитываются и временные длительно действующие вертикальные нагрузки:
Рассматриваются следующие схемы нагружений временными нагрузками:
Расположение временных нагрузок по схемам нагружений осуществляется для каждой балки в отдельности в соответствии с построенными для их сечений поверхностями влияния изгибающих моментов и условиями ГОСТ Р 52748−2007 таким образом, чтобы получить экстремальные значения изгибающих моментов.
На стадии эксплуатации жесткость накладной плиты включается в состав жесткостей конструкций пролетного строения.
Поскольку геометрическая схема пролетного строения на обеих стадиях не изменяется, а жесткость накладной плиты, включенная в состав жесткостей конструкций пролетного строения, на стадии эксплуатации распределяется по всей схеме равномерно, то результаты поэтапного расчета отразятся на перераспределении напряжений по сечениям элементов и на деформациях конструкции, но не повлияют на перераспределение внутренних усилий между элементами.
Напряжения в сечениях элементов между той частью, которую представляет накладная плита, и частью усиливаемого сечения распределяются крайне неравномерно, поэтому проверку по прочности и по трещиностойкости этих конструкций необходимо производить раздельно.
Определение части изгибающего момента, которая приходится непосредственно на балку, производится по наибольшим растягивающим напряжениям, возникающим в сечении с учетом жесткости накладной плиты на стадии эксплуатации, по следующей формуле:
где:
Предельный изгибающий момент, воспринимаемый сечением главной балки в середине пролета Mult, определяется по геометрическим характеристикам сечения без учета площади накладной плиты в соответствии со схемой армирования, принятой в проекте, то есть с учетом расположения, количества и диаметров стержней арматуры. В качестве материалов строительных конструкций принимаются:
Предельный изгибающий момент вычисляется в соответствии с п. 3.62 и п. 3.63 СНиП 2.05.03−84* «Мосты и трубы» как для тавровых сечений с плитой в сжатой зоне при ξ =x/h0 < ty в зависимости от положения границы сжатой зоны по следующим формулам:
Расчетные схемы пролетных строений представляют собой линейно-упругие пространственные модели несущих конструкций для вычисления в них деформаций и внутренних усилий от заданных нагрузок по методу конечных элементов.
Конструкция плиты проезжей части представлена четырехугольными четырехузловыми конечными элементами пологих оболочек, работающих без учета деформаций сдвига по теории Кирхгофа.
Конструкции главных и поперечных балок представлены двухузловыми пространственными стержневыми конечными элементами, работающими без учета деформаций сдвига по модели Бернулли.
Для передачи усилий между элементами оболочек плиты проезжей части и стержневыми элементами поддерживающих их балок с учетом эксцентриситета, равного расстоянию по высоте между продольной осью балки и срединной плоскостью плиты, в начале и в конце каждого стержневого элемента балки вводятся вертикальные элементы повышенной жесткости (модуль упругости увеличивается на три порядка относительно модулей упругости других элементов), соединяющие эти узлы с соответствующими узлами элементов оболочек и имеющие соответствующие длины. Этот прием моделирует работу абсолютно жестких тел с ведущими узлами, расположенными на оси балки, и ведомыми узлами, находящимися на срединной плоскости плиты проезжей части.
Сетка конечных элементов построена в плане на осях главных и поперечных балок и наружного контура пролетного строения на уровне срединной плоскости плиты проезжей части. Характерная разбивка сетки конечных элементов плиты проезжей части — 0,25 м по оси X и 0,1 м по оси X за исключением полосовых зон над балками, где выделяется ширина балок, и полосовых зон над вутами плиты, где выделяется ширина вутов, для присвоения конечным элементам плиты в этих зонах соответствующих жесткостных характеристик. Разбивка сетки конечных элементов балок соответствует разбивке сетки конечных элементов плиты.
Жесткостные характеристики конечных элементов определяются в зависимости от физико-механических характеристик материалов строительных конструкций и геометрических характеристик их поперечных сечений. Для линейноупругой модели несущих конструкций, материал которых считается изотропным, основными физико-механическими характеристиками являются модуль упругости и коэффициент Пуассона.
В качестве материала строительных конструкций пролетных строений используются:
Геометрические характеристики поперечных сечений главных балок, поперечных балок, плиты проезжей части и накладной плиты в составе сечений последних (площади, моменты инерции и др.) вычисляются по заданным параметрам, отвечающим их типам.
Параметрами прямоугольных сечений стержневых элементов балок являются высота и ширина, параметром элементов оболочек плиты проезжей части — толщина.
Значения параметров поперечных сечений соответствуют значениям, описанным выше, в конструктивных схемах пролетных строений.
Нагрузки, действующие на рассчитываемые конструкции, задаются в виде узловых сил, а также местных трапециевидных и распределенных сил с расчетными значениями. По характеру и типу воздействия нагрузки объединяются в соответствующие загружения.
Постоянные нагрузки:
Временные нагрузки на стадии эксплуатации:
Схема нагружений — вариант 3:
При расчете пролетных строений полной длины 26,75 м вычисляются 14 комбинаций загружений, которые состоят из двух групп по 7 комбинаций каждая:
Комбинации загружений 1 и 8 учитывают постоянные нагрузки, действующие на конструкции пролетных строений на стадии возведения (реконструкции):
Комбинации загружений 2−7 и 9−14 учитывают постоянные нагрузки, действующие на конструкции пролетных строений на стадии эксплуатации:
Комбинации загружений 2 и 9 учитывают временные нагрузки, действующие на конструкции пролетных строений на стадии эксплуатации по варианту 1 схемы нагружений и вызывающие экстремальные значения изгибающих моментов в поперечных сечениях, расположенных в середине пролетов главных балок 3 и 4:
Комбинации загружений 2 и 9 учитывают временные нагрузки, действующие на конструкции пролетных строений на стадии эксплуатации по варианту 1 схемы нагружений и вызывающие экстремальные значения изгибающих моментов в поперечных сечениях, расположенных в середине пролетов главных балок 3 и 4:
Комбинации загружений 3 и 10 учитывают временные нагрузки по варианту 2 схемы нагружений для главных балок 3 и 4:
Комбинации загружений 4 и 11 учитывают временные нагрузки по варианту 3 схемы нагружений для главных балок 3 и 4:
Комбинации загружений 5 и 12 учитывают временные нагрузки по варианту 1 схемы нагружений для главных балок 1 и 2:
Комбинации загружений 6 и 13 учитывают временные нагрузки по варианту 2 схемы нагружений для главных балок 1 и 2:
Комбинации загружений 7 и 14 учитывают временные нагрузки по варианту 3 схемы нагружений для главных балок 1 и 2:
Комбинации загружений 6 и 13 учитывают временные нагрузки по варианту 2 схемы нагружений для главных балок 1 и 2:
Комбинации загружений 7 и 14 учитывают временные нагрузки по варианту 3 схемы нагружений для главных балок 1 и 2:
Расчеты конструкций пролетных строений выполняются с использованием программного комплекса SCAD версии 7.31R5 в следующей последовательности:
Для получения изгибающих моментов M1 и М2 в конструктивном тавровом сечении главной балки и определения ширины полки используются следующие гипотезы: равнодействующая мембранных сил в конечных элементах оболочки плиты проезжей части Nfx уравновешивает нормальную силу Nx в стержневом конечном элементе балки и приложена в центре плиты, деформация конструктивного таврового сечения главной балки определяется на основе линейной эпюры напряжений в прямоугольном сечении стержневого конечного элемента, то есть применяется подход, основанный на гипотезе плоских сечений.
Тогда изгибающие моменты M1 (M2) и ширина Bf полки таврового сечения вычисляются по формулам:
Усилия и напряжения элементов при комбинации нагружений, т, м | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Номер эл. | Номер сечен. | Номер комб. | Усилия и напряжения | ||||
N | Му | Ml, МП | М11 max | М | |||
Б4 (14221) | 1 | 1 | 140,103 | 182,8 | 330,270 | ||
2 | 111,512 | 153,892 | 272,635 | 283,994 | 554,732 | ||
3 | 115,453 | 161,064 | 283,994 | ||||
4 | 99,6419 | 139,303 | 245,396 | ||||
8 | 127,493 | 166,348 | 300,545 | ||||
9 | 90,2827 | 124,609 | 220,746 | 230,175 | 482,469 | ||
10 | 93,5541 | 130,562 | 230,175 | ||||
11 | 92,7063 | 129,716 | 228,424 | ||||
БЗ (14387) | 1 | 1 | 134,501 | 181,486 | 323,054 | ||
2 | 97,049 | 135,399 | 238,733 | 238,733 | 511,743 | ||
3 | 94,836 | 133,768 | 234,738 | ||||
4 | 79,9274 | 112,07 | 197,171 | ||||
8 | 122,396 | 165,152 | 293,979 | ||||
9 | 78,6371 | 109,734 | 193,464 | 193,464 | 446,888 | ||
10 | 76,8003 | 108,381 | 190,148 | ||||
11 | 74,4925 | 104,36 | 183,675 | ||||
Б2 (14553) | 1 | 1 | 135,163 | 181,567 | 323,833 | ||
5 | 85,8725 | 114,862 | 206,325 | 211,782 | 491,220 | ||
6 | 87,6507 | 118,433 | 211,782 | ||||
7 | 74,3975 | 99,849 | 179,088 | ||||
8 | 122,998 | 165,226 | 294,687 | ||||
12 | 69,6066 | 93,1317 | 167,270 | 171,799 | 430,473 | ||
13 | 71,0825 | 96,0953 | 171,799 | ||||
14 | 69,8761 | 93,7749 | 168,198 | ||||
Б1 (14716) | 1 | 1 | 142,793 | 183,164 | 333,468 | ||
5 | 77,0238 | 93,6804 | 175,786 | 206,223 | 496,461 | ||
6 | 87,6883 | 112,796 | 206,223 | ||||
7 | 73,2159 | 94,3603 | 172,366 | ||||
8 | 129,942 | 166,679 | 303,456 | ||||
12 | 62,4237 | 75,9768 | 142,519 | 167,782 | 436,066 | ||
13 | 71,2752 | 91,8433 | 167,782 | ||||
14 | 69,1402 | 89,735 | 163,394 | ||||
M_ult= 651,51 |