Применение ПК ЛИРА-САПР в расчетах мостовых конструкций

Современные версии программного комплекса ЛИРА-САПР предлагают широкие возможности расчета и конструирования мостовых сооружений различных систем. В списке решаемых задач можно отметить особенно интересные и актуальные:

  • загружение любых криволинейных пролетных строений подвижными нагрузками по СП35.13330.2011 (в плане, продольном профиле, и даже по спирали с пропуском нагрузки «сама над собой») в модуле «Транспортная нагрузка», входящем в базовую версию препроцессора САПФИР начиная с 2017 года. Также возможно очень легкое и интуитивно понятное создание любых пользовательских транспортных средств и правил их движения по заданным траекториям с внесением этих нагрузок в собственную библиотеку, с возможностью передачи этой библиотеки с одного компьютера на другой;
  • построение огибающих эпюр усилий от расчетных и нормативных нагрузок в процессоре РСН на основе анализа до 1000 столбцов сочетаний нагрузок в одной таблице РСН (при этом количество таблиц РСН в одной задаче не ограничивается), начиная с 2016 года;
  • создание собственных материалов (бетон, арматура) с прочностными и деформационными характеристиками согласно указаниям раздела 7 СП35.13330.2011, и последующий расчет армирования ненапрягаемых железобетонных конструкций мостов в нелинейной деформационной модели (НДМ) согласно СП 52-101, что соответствует указаниям пункта 7.61 СП35.13330.2011;
  • новая дополнительная система «Конструктор сечений универсальный», появившаяся в 2018 году, позволяет создавать многоматериальные сечения с нелинейными свойствами материалов и вести расчет обычных сечений ненапрягаемых мостовых ЖБК, сталежелезобетона, а также сечений, усиленных накладной плитой, внешним армированием или всем сразу. При этом отдельно выделяются усилия в существующей арматуре, определяется сжатая зона бетона, растянутый бетон выключается из работы, отдельно можно проанализировать напряжения в конструкциях усиления и т.п.

Ниже рассмотрим все эти возможности более подробно.

Загружение временной подвижной нагрузкой криволинейных в плане пролетных строений согласно СП35.13330.2011. Построение огибающих эпюр усилий.

На рис. 1.1 представлен фрагмент «перекрестка» 4-ветвевой городской эстакады из монолитного ненапрягаемого железобетона в препроцессоре САПФИР. Зеленым показаны оси ребер под плитой, красным – оси опор (импортированы из плана эстакады в формате .dwg, также как и геометрия плиты). К каждой ветви «перекрестка» примыкают эстакады из обычного сборного железобетона. Такая конструкция обусловлена чрезвычайно сложными и стесненными городскими условиями.

 

 

Рис.1.1. Фрагмент перекрестка 4-ветвевой городской эстакады из монолитного ненапрягаемого железобетона в препроцессоре САПФИР.png

Рис.1.1. Фрагмент «перекрестка» 4-ветвевой городской эстакады из монолитного ненапрягаемого железобетона в препроцессоре САПФИР

Рис.1.2. Общий вид пролетного строения с характерными разрезами созданный в препроцессоре САПФИР.png

Рис.1.2. Общий вид пролетного строения с характерными разрезами, созданный в препроцессоре САПФИР

 

Каждая позиция тележки на траектории генерирует несколько нагрузок, помещаемых в отдельное загружение (рис.1.3). Далее в расчете в каждой полосе все эти нагрузки автоматически объявляются взаимоисключающими – т.е. в соответствии с СП35.13330.2011 [1], в один момент времени в одной полосе движения может находиться только одна тележка АК (нормативная нагрузка от автотранспортных средств).

 

Рис.1.3. Визуализация в САПФИР всех возможных положений тележки АК в каждой полосе движения.png

Рис.1.3. Визуализация в САПФИР всех возможных положений тележки АК в каждой полосе движения

На более простом примере криволинейного пролетного строения (рис.1.4) рассмотрим основные принципы установки подвижной нагрузки с помощью новой функции САПФИР «Транспортная нагрузка», входящей в базовую комплектацию препроцессора.

Все параметры скрываются под одной кнопкой (панель Нагрузки на вкладке Создание). После её нажатия сразу открывается встроенная библиотека нагрузок, которую можно пополнять любыми транспортными средствами и передавать между рабочими местами.

 

Рис.1.4. Расчетная схема криволинейного пролетного строения в препроцессоре САПФИР.png

Рис.1.4. Расчетная схема криволинейного пролетного строения в препроцессоре САПФИР

 

Подвижную нагрузку можно выбрать из имеющихся в САПФИР или создать самостоятельно (объемная модель машины не обязательна, но удобна для визуализации). Главное для последующего расчета – расставить по колесам соответствующие нагрузки. Модель записывается в библиотеку, которая находится в системной папке САПФИР «Library». Передавая эту папку между компьютерами, можно делиться своей библиотекой (рис. 1.5).

Рис.1.5. Пример создания и внесения в библиотеку собственной нагрузки.png

Рис.1.5. Пример создания и внесения в библиотеку собственной нагрузки

 

Двойным щелчком по нагрузке в библиотеке она становится активной. При нажатии кнопки «Параметры» (в строке свойств инструмента Транспортная нагрузка) появляется окно, в котором устанавливается ширина колеи, шаг тележек вдоль линии движения либо фиксированное число тележек (с равномерным шагом) на этой линии, а также коэффициент полосности для 2-й и последующих полос.

После закрытия этого окна, при установке нагрузки на линию движения появляется запрос на активацию СП35.13330.2011 для сбора нагрузок и формирования РСН.

 

Рис.1.6. Редактирование параметров модели подвижной нагрузки в диалоговом окне Полоса движения.png

Рис.1.6. Редактирование параметров модели подвижной нагрузки в диалоговом окне «Полоса движения»

 

Рис.1.7. Аналитическое представление полос нагрузки АК.png

Рис.1.7. Аналитическое представление полос нагрузки АК

Рис.1.8. Формирование РСН с транспортными нагрузками в САПФИР.png

Рис.1.8. Формирование РСН с транспортными нагрузками в САПФИР

Рис.1.9. Прокатывание тележки вдоль линии движения.png
Рис.1.9. Прокатывание тележки вдоль линии движения 2.png
Рис.1.9. Прокатывание тележки вдоль линии движения 3.png

Рис.1.9. «Прокатывание» тележки вдоль линии движения: загружение Т1_1 – первая, «стартовая» позиция, Т1_2 – следующая, и т.д.

Шаг определяется пользователем перед установкой нагрузки, но может корректироваться в физической модели с последующим обновлением расчетной модели

Также для каждой полосы можно добавить горизонтальную нагрузку от центробежной силы, поперечных ударов и торможения (кнопки «Горизонтальная нагрузка» в строке свойств инструмента Транспортная нагрузка). Пожалуй, самой удобной функцией этого диалога является возможность задавать уровень расположения горизонтальной нагрузки – например, для АК центробежная сила и торможение располагаются в 1,5 м над проезжей частью (рис.1.10). В ПК ЛИРА-САПР это экспортируется в виде аналога нагрузки-штамп: «массив» горизонтальных сосредоточенных сил и «массив» моментов от вертикального переноса.

 

Рис.1.10. Задание горизонтальной нагрузки в препроцессоре САПФИР.png

Рис.1.10. Задание горизонтальной нагрузки в препроцессоре САПФИР

 

Существует возможность прокатывания нагрузки по спиральным пандусам (команда «Проекция» в строке свойств инструмента Транспортная нагрузка - обеспечивает проецирование осевой линии полосы движения транспортного средства на поверхность проезжей части, что позволяет эффективно прилагать нагрузки к пролётным строениям с существенным подъёмом и(или) косиной).

 

Рис.1.11. Задание транспортной нагрузки по спиральным пандусам в препроцессоре САПФИР.png
Рис.1.11.-Задание-транспортной-нагрузки-по-спиральным-пандусам-в-препроцессоре-САПФИР-1.png
 
Рис.1.11. Задание транспортной нагрузки по спиральным пандусам в препроцессоре САПФИР


 

Возвращаясь к 4-ветвевой городской эстакаде, рассмотренной в начале статьи (рис.1.1 – рис.1.3), результатом использования системы САПФИР «Транспортные нагрузки» явилось значительное снижение трудоемкости получения огибающих эпюр усилий при многочисленных вариациях положения тележек АК на проезжих частях каждой ветви (на основании анализа около 300 столбцов РСН, сформированных автоматически) (рис. 1.12).

Рис.1.12. Огибающие эпюры изгибающих моментов в ребрах монолитной плиты от неблагоприятных сочетаний положений нагрузки АК на пролетном строении со всеми постоянными нагрузками в ПК ЛИРА-САПР.png

Рис.1.12. Огибающие эпюры изгибающих моментов в ребрах монолитной плиты от неблагоприятных сочетаний положений нагрузки АК на пролетном строении со всеми постоянными нагрузками в ПК ЛИРА-САПР

 

При этом появившаяся в 2016 году в редакторе РСН возможность получения огибающих эпюр от всех столбцов РСН (минимальные и максимальные, расчетные и нормативные) является необходимой и долгожданной функцией для расчетов мостовых конструкций, т.к. ранее было необходимо рассмотреть отдельно все РСН, выбирая для каждого элемента и для каждого его сечения столбцы с экстремальными значениями при различных положениях подвижной нагрузки, а теперь это делается автоматически, установкой галочки «Определяющие РСН» (рис. 1.12).

 

Подбор армирования мостовых железобетонных конструкций в соответствии с требованиями СП35.13330.2011

 

В настоящее время в ПК ЛИРА-САПР отсутствует возможность выбора варианта конструирования ЖБК по СП35.13330.2011 [1]. Однако в данном СП присутствует запись, которая позволяет рассчитывать сечения пространственных моделей мостовых конструкций по СП52 [2] с использованием нелинейных деформационных моделей (НДМ):

7.61.

Указаниями СП52-101 и СП52-102 рекомендуется руководствоваться при расчетах:
железобетонных элементов на косое внецентренное сжатие и косой изгиб;

элементов, работающих на изгиб с кручением.
Во всех перечисленных расчетах следует для бетона и арматуры принимать расчетные сопротивления и предельные деформации, установленные в настоящих нормах.

Если перефразировать этот абзац, то можно сказать, что во всех случаях сложного напряженного состояния рекомендуется пользоваться нормами СП52. Очевидно, что в несимметрично нагруженной пространственной модели моста все элементы подвержены как раз косому внецентренному сжатию, косому изгибу или изгибу с кручением, что позволяет нам выбрать вариант конструирования по СП52 [2], но при этом необходимо ввести прочностные и деформационные характеристики бетона и арматуры по СП35 [1].

Такая возможность появилась начиная с 2016 года, когда характеристики материалов стали редактируемыми в любом варианте конструирования (раньше ввод собственных характеристик был возможен только для конструирования по СНиП 2.03.01 [2], и это не соответствовало требованиям п.7.61 СП35).

Рис.2.1. Диалоговое окно Материалы для расчета железобетонных конструкций в ПК ЛИРА-САПР.png

Рис.2.1. Диалоговое окно «Материалы для расчета железобетонных конструкций» в ПК ЛИРА-САПР

 

Пример расчета мостовой железобетонной конструкции из бетона В30 и арматуры А400 с использованием 2-линейных диаграмм состояния по СНиП 52 (СП52) (рис.2.1):

  • для бетона задаем согласно СП35 [1]:
    • модуль упругости по табл.7.11;
    • Rb, Rbt, Rb,ser, Rbt,ser по табл. 7.6;
    • предельные относительные деформации согласно п.7.32.
  • для арматуры задаем согласно СП35[1]:
    • Es согласно табл.7.19;
    • Rsn, Rs, Rsc согласно табл. 7.16 и п.7.38;
    • Rsw с учетом коэффициента ma6 согласно п. 7.40.

Стоит отметить, что нормативные сопротивления Rsn по СП35 [1] и СП63 [3] (СП52, СНиП52…) тождественны, отличаются только расчетные.

Далее можно производить расчет армирования мостовых конструкций стандартными инструментами ЛИРА-САПР.


Использование дополнительной системы «Конструктор сечений универсальный»

 

«Конструктор сечений универсальный» - новая система полезная для мостовиков, т.к. позволяет вести расчеты многоматериальных сечений, таких как сталежелезобетон или усиленный внешним армированием железобетон.

Рассмотрим ниже на двух примерах составных сечений. Первый пример - сечения каркасной балки длиной 16,76 м, высотой 100 см, усиленной накладной плитой толщиной 15 см и внешним армированием из швеллера 16П (рис.3.1)

Рис.3.1. Сечения каркасной балки в системе Конструктор сечений универсальный.png

Рис.3.1. Сечения каркасной балки в системе «Конструктор сечений универсальный»

 

Для балки задаем проектный бетон В22,5, арматуру AII. Для бетона плиты усиления (а можно учесть еще и армирование этой плиты арматурой AIII – и тогда сечение состояло бы из 5-и разных материалов) вводим характеристики бетона В30, для швеллера – сталь С245 (рис.3.2).

Рис.3.2. Характеристики бетона накладной плиты и внешней арматуры по СП35 - сталь.png
Рис.3.2. Характеристики бетона накладной плиты и внешней арматуры по СП35 - бетон.png

Рис.3.2. Характеристики бетона накладной плиты и внешней арматуры по СП35:

а) сталь С245; б) бетон накладной плиты В30

 

Таким образом, возможно провести расчет нелинейной деформационной модели сечения из 4-х материалов как на заданную нагрузку, а также выполнить наглядный расчет предельного усилия.

Например, на рис.3.1 проведен расчет на изгибающий момент 100 т*м и определены напряжения в бетоне балки и накладной плиты; высота растянутой зоны бетона, выключенной из работы; усилия и напряжения в каждом арматурном стержне и во внешнем армировании. На рис. 3.3. показаны нормальные напряжения в заданном сечении балки при изгибающем моменте 240,63 т*м. Сечение еще не разрушено целиком, но в нижних стержнях напряжение равно Rs, а внешнее армирование в виде швеллера порвано. На следующем шаге, при значении момента 245,31 т*м сечение уже разрушено целиком (рис. 3.4).

 

 

Рис. 3.3. Нормальные напряжения тм2 в заданном сечении балки при изгибающем моменте 24063 тм.png

Рис. 3.3. Нормальные напряжения, т/м^2 в заданном сечении балки при изгибающем моменте 240,63 т*м

Рис. 3.4. Нормальные напряжения, тм2 в заданном сечении балки при изгибающем моменте 245,31 тм.png

Рис. 3.4. Нормальные напряжения, т/м^2 в заданном сечении балки при изгибающем моменте 245,31 т*м

Таким образом, можно с любым шагом отслеживать процесс разрушения сечения. При этом не обязательно заполнять таблицу усилий вручную – с помощью кнопок внизу «Тиражирование строк» и «Интерполяция между первой и последней строками» можно в несколько кликов разделить интервал между первым и последним значениями на десятки и сотни шагов (рис. 3.4).

Новый «Конструктор сечений» очень удобен для расчета сталежелезобетона (рис.3.5-3.6).

 

Рис.3.5. Расчет сечения при положительном изгибающем моменте в системе Конструктор сечений универсальный.png

Рис.3.5. Расчет сечения при положительном изгибающем моменте в системе «Конструктор сечений универсальный»

 

Рис.3.6. Расчет сечения при отрицательном моменте достаточном для выключения ЖБ плиты из работы.png

Рис.3.6. Расчет сечения при отрицательном моменте, достаточном для выключения ЖБ плиты из работы

При сравнении жесткостных характеристик на рис.3.5 и рис.3.6 видно, что в них учитывается только не выключенный на данной стадии материал, т.е. мы получаем правильные приведенные характеристики сечений.

Таким образом, современные версии ПК ЛИРА-САПР представляют разнообразные, широкие и достаточно удобные возможности для исследования НДС мостовых конструкций.


Список литературы

  1. СП 35.13330.2011 «Мосты и трубы. Актуализированная редакция СНиП 2.05.03-84*»
  2. СП 52-101-2003 Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры
  3. СНиП 2.03.01-84* «Бетонные и железобетонные конструкции»
  4. СП 63.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003»


Заметили ошибку? Выделите ее и нажмите Ctrl+Enter, чтобы сообщить нам.

  • 894
Поделиться публикацией:

Алексей Козлов

Директор в ООО "ПРАКТИС-центр", доцент кафедры проектирования автомобильных дорог и мостов ВГТУ.

Другие публикации этого автора

ПРАКТИС-ЦЕНТР

Проектирование, расчет, анализ конструкций транспортных искусственных сооружений. Авторизованный учебный центр в г. Воронеже. Обучение, в рамках курса "Расчет мостовых конструкций с использованием ПК ЛИРА-САПР" Официальный сайт: practice.center

Другие публикации этого автора


Комментарии