Диссертация на тему "Математическое моделирование напряженно-деформированного и предельного состояний сложных конструкций с учетом их взаимодействия с грунтовым массивами в мостостроении", скачать бесплатно автореферат по специальности 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

ВВЕДЕНИЕ

0.1. Объекты исследовании

В процессе рассмотрения вариантов прохождения трассы автомобильных дорог и проектирования мостовых переходов проектировщики сталкиваются с задачами выбора наиболее экономичного решения при пересечении поймы и русел рек. Сложившаяся практика проектирования и расчета искусственных сооружений основана на соблюдении требований строительных норм и правил СНиП, которые в настоящий момент не всегда учитывают новых возможностей по строительным материалам и новым технологиям, возможности проведения комплексных расчетов конструкций с учетом их взаимодействия и взаимного влияния друг на друга в строительных конструкциях, системах, поведения иод нагрузкой, более достоверного определения их НДС с помощью новых возможностей ЭВМ.
Внеклассные мостовые переходы сооружаются на реках, часто имеющих глубину воды до м и более, высокие скорости течения вызывающие большие общие и местные размывы. Несущие слои грунтов располагаются на глубине до м от дна реки, при этом высота опор от уровня воды достигает м и более.
Затраты на устройство массивных опор на глубоководных реках в сложных гидрогеологических условиях занимают до процентов от общих затрат труда и времени сооружения мостов, до процентов общей стоимости мостовых переходов.
Как правило, решение задач по проектированию опор, пролетных строений и других конструктивных элементов мостов основано на простейших схемах, эмпирических формулах с большими коэффициентами за
паса, которые требуют значительных финансовых, материальных и трудовых затрат при сооружении мостовых переходов.
Создание нового конструкторскотехнологического комплекса по сооружению легкой, гибкой опоры мостов с фундаментами глубокого заложения, с минимальными материальными, трудовыми и финансовыми затратами потребовало необходимости комплексного расчета опоры, в том числе с учетом несущей способности металлической оболочки буронабивных свай.
Многоводные реки Европейской части Российской Федерации, протекающие в южном направлении, имеют крутой правый берег, часто склонный к оползню. Решение задач по стабилизации оползневых участков берега в районе прохождения трасс решаются разгрузкой склона, а также их укреплением путем забуривания, армирования и бетонирования свай или другими методами.
Решения по укреплению берегов, склонных к оползню, принимаются на основании геологических данных, а также данных, полученных за наблюдением режимных скважин.
Методики расчетов на оползневых участках, как правило, сводятся к определению кривых линий скольжения и определению коэффициентов запаса устойчивости грунтовых масс.
При принятии решения по крутым, потенциально склонным к оползню грунтовым массивам, очень важно знать распределение напряжений в грунте при разгрузке и укреплении склонов
при каких условиях возникает предельное напряженное состояние, в результате которого происходит разрушение скелета грунта и переукладка частиц
прогноз поведения грунтовых массивов под влиянием внешних и внутренних воздействий, изменений условия равновесия в силу различных природных и техногенных причин.
С целью достоверной оценки несущей способности опоры, определения ее трехмерного напряженнодеформированного состояния с учетом дискретного расположения в бетоне арматуры, работы стальной трубы стоек опоры и взаимодействия с прилегающим к опоре грунтом, потребовалась разработка в трехмерной постановке метода и программного обеспечения, проведения анализа напряженнодеформированного и предельного состояний системы опорагрунт.
Особый класс задач, требующих разработки методик задачи по определению остаточной несущей способности пролетного строения железобетонного моста, состоящего из отдельных блоков, расчет и схема усиления пролетных строений таких мостов. Во второй половине XX века в СССР было построено более мостов с большими пролетами такого типа, при этом все они потребовали ремонта, а некоторые из них обрушились на стадии строительства или эксплуатации.
Основным недостатком составных пролетных строений мостов является расстройство поперечных стыков между блоками и проникновение влаги в стыки между блоками.
Неравномерность потери предварительного напряжения арматурными пучками в пролетных строениях, интенсивная коррозия арматуры при раскрытии стыков, требует особого подхода к вопросам определения остаточной несущей способности всех балок в каждом пролете. Недостоверные результаты могут привести к невозможности полного восстановления несущей способности пролетного строения за счет низких усилий в напрягаемой арматуре или разрушения бетона блоков в случае больших усилий. Сочетание эксперимента и разработанных методик расчета позволяет успешно справиться с этой задачей.
0.2. Обзор исследований по применению метода конечных элементов для решения трехмерных задач теории упругости и пластичности
Основные теоретические положения теории упругости и пластичности, описание применяемых методов решения, а также решение целого ряда частных задач приведены во многих трудах отечественных и зарубежных исследователей, в частности, в монографиях 6,,,5,6, 0,2,9, 5,0,5,7,3,8.
В связи с бурным развитием вычислительной техники в решении задач механики деформируемого твердого тела, особенно для расчета конструкций и сооружений сложной структуры и их элементов сложной геометрии, широкое развитие получили численные методы. Среди них особое место занимает метод конечных элементов МКЭ, благодаря своей универсальности в программной реализации и возможности создания полностью автоматизированного цикла расчета. Он основан на замене исследуемого объекта совокупностью конечного числа дискретных элементов, связанных между собою в узлах. Непосредственный переход к расчетной схеме из соображений механики дает возможность естественно сформулировать граничные условия, произвольно располагать узлы сетки, сгущая ее в местах ожидаемого большого градиента искомых величин, применять метод для исследования областей, состоящих из фрагментов различной физической природы и т.д. Важно отметить естественность механической природы МКЭ.
Ход развития метода отражен в работах зарубежных исследователей Дж. Аргириса, Э. Вилсона, М. Айронса, Р.У. Клафа, Зенкевича, Дж.Т. Одена и других. Значительный вклад в теорию метода конечных элементов содержится в отечественных работах В.А. Постнова, И .Я. Хархурима, Сахарова, I Розина, И.Ф. Образцова и других.
Литература

Алгоритм разработан в результате анализа задачи пассивного давления грунта с использованием идеальной упругопластической модели КулонаМора. Во всех случаях преобразование сетки признается успешным в областях с высоким градиентом деформаций. В работе 4 представлена трехмерная численная модель, деформации которой описываются согласно нелинейной теории упругости. Математическая формулировка связанных задач представлена четырьмя уравнениями на основании принципа сохранения массы и энергии, а также уравнением равновесия. Для описания движения жидкости и воздуха в пористой среде используется закон Дарси А. В модели используются трехмерные изопараметрические двадцати узловые элементы. Метод позволяет моделировать естественно нелинейные параметры грунта. Власюк А. П., Мартинюк П. М. исследовали численное решение двумерной задачи фильтрационной консолидации глинистых грунтов. Решение получено методом конечных элементов. В работе 2 основным недостатком приемов, рассматривающих условия предельного равновесия на некоторых кинематически возможных поверхностях скольжения обычно круглоцилиндрических, является упрощенная картина напряженного состояния. Обычно предполагается, что в грунте действуют только вертикальные напряжения, пропорциональные глубине рассматриваемого участка поверхности скольжения от дневной поверхности. Кроме того, для определения наиболее опасного сочетания сдвигающих и удерживающих сил необходимо проведение множества Расчета по многим возможным поверхностям скольжения оползневые тела при этом подразбиваются на достаточно крупные блоки, что вносит в результаты расчетов дополнительные погрешности. Достаточно эффективным является сочетание методов конечных элементов и предельного равновесия. В работе Бережного Д. В., Голованова А. И., Паймушина В. Н., Сидорова И. Н. разрабатывается конечноэлементная методика расчета водонасыщенной пористой среды, взаимодействующей с деформируемыми конструкциями. Пшеничкиным А. П. 4 рассматривается деформирование во времени двухфазного грунта, который включает в себя два процесса, протекающих одновременно. Это процесс формоизменения и объемного изменения во времени скелета грунта, происходящий в результате деформирования вязких связей между частицами грунта. Принимается, что сначала происходит выдавливание из пор воды первичная консолидация, а затем деформирование во времени идет за счет ползучести скелета грунта в торичная консолидация. По методу эквивалентного слоя грунта Цытовича по теории фильтрационной консолидации, получено решение задачи уплотнения 1рунтов водонасыщенного основания. В работе Бойко И. П., Сахарова В. А. приведены результаты решения двумерных и трехмерных линейных и нелинейных задач взаимодействия фундаментов соседних зданий с применением численных методов на базе системы V. Используется теория пластического течения, неассоциированный закон деформирования грунтов основания и модифицированный критерий МизесаГубераБоткина, учитывается конструктивная нелинейность системы основаниефундаментконструкции. Дано сравнение результатов решения задач моделей с коэффициентом жесткости основания и модели нелинейнодеформируемого слоистого грунтового массива. В работе 3 получено точное решение пространственной задачи теории фильтрационной консолидации при осевой симметрии, которое отличается от известных приближенных решений учетом в расчетных формулах коэффициента Пуассона грунтового скелета. Это позволяет более достоверно прогнозировать развитие во времени деформаций и напряжений водонасыщенных оснований. Достоверность основных научных результатов обеспечивается применением строгих математических методов для построения основных соотношений, сравнением полученных результатов решения некоторых тестовых задач с результатами их решения другими авторами и приближенных постановках на основе более простых моделей, анализом сходимости решений рассмотренных задач, полученных на разных конечноэлементных сетках. Личный вклад автора. Все основные научные результаты, изложенные в диссертации принадлежат автору.

Название работы	Автор	Дата защиты
Методы математического моделирования сингулярно закрепленной консоли	Обласова, Ирина Николаевна	2007
Математическое моделирование процесса государственной поддержки инвестиций	Чернятьева, Рита Раисовна	2004
Стохастическое моделирование флуктуационной стадии высокотемпературного блистеринга	Бондарева, Анна Леонидовна	2002

Электронная библиотека диссертаций

0.1. Объекты исследовании

Рекомендуемые диссертации данного раздела