КОЛТАКОВ Пётр Владимирович

Разработка моделей метода конечных элементов для расчета напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций мостовых сооружений

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

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2010

Работа выполнена в Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ) на кафедре строительной механики.

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

Клейн Владимир Георгиевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шапошников Николай Николаевич

кандидат технических наук,

Шейнцвит Михаил Иосифович

Ведущая организация: НИЦ" Мосты" ОАО ЦНИИС

Защита диссертации состоится 23 сентября 2010 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.126.02 ВАК РФ при Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ) по адресу: 125319, г. Москва, Ленинградский проспект, 64, ауд. 42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенные печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета. Копию отзыва просим присылать по e-mail: uchsovet@madi.ru

Телефон для справок 8 (499) 155 - 93 - 24.

Автореферат разослан «18» августа 2010 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук,

профессор Борисюк Н.В.

ОбщАЯ характеристика работы

Актуальность работы.

Мосты относятся к конструкциям, которые эксплуатируются в сложных условиях, что оказывает значительное влияние на процессы развития и накопление повреждений. В процессе эксплуатации в мостовых железобетонных конструкциях образуются трещины и другие повреждения, которые в зависимости от своего характера и размеров могут оказывать существенное влияние на их прочность и долговечность. В случае возникновения значительных трещин в элементах мостовых конструкций, которые по длине и раскрытию превышают допустимые, необходимо оценить несущую способность элемента с повреждениями, прогнозировать их дальнейшее развитие и напряженно-деформированное состояние элемента после устранения повреждений и реконструкции.

В реальной конструкции могут одновременно присутствовать и развиваться трещины разных типов: силовые, температурно-влажностные и пр. Необходимо принимать во внимание проявление нелинейных свойств бетона, которые оказывают существенное влияние на развитие трещин и характер их распределения, а также то, что процесс трещинообразования носит многоуровневый характер.

Современная теория расчёта мостовых железобетонных конструкций должна позволять обоснованно использовать резервы несущей способности, связанные с ограниченным развитием пластических деформаций и других проявлений физической или геометрической нелинейности материалов в мостовых конструкциях. Одним из основных направлений теории расчета мостовых конструкций, в частности, железобетонных является разработка методов их расчета, адекватно учитывающих действительные условия работы конструкции, как при эксплуатационных нагрузках, так и в предельном состоянии.

В настоящее время метод конечных элементов (МКЭ) активно используется для расчета мостовых конструкций, однако, расчёт конструкций из железобетона всё ещё вызывает сложности, связанные с учетом его физических особенностей.

Проблемы, возникающие при расчете по МКЭ, связанны с тем, что бетон имеет разные прочностные свойства при сжатии и растяжении; в процессе эксплуатации в нем возникают трещины, вызывающие перераспределение усилий, помимо этого ключевую роль в работе железобетона играет арматура, которая при определённых усилиях может проскальзывать в теле бетона, что существенно влияет на процессы трещинообразования. Многие расчетные комплексы, включающие модели ортотропных материалов, не позволяют учитывать разные пределы прочности бетона при растяжении и сжатии.

В связи с этим, тема диссертации посвящена развитию и внедрению численных методов расчета мостовых железобетонных конструкций, учитывающих действительный нелинейный характер работы бетона и арматуры под нагрузкой, образование и развитие трещин и особенности работы железобетонных элементов с трещинами, является актуальной.

Цель и задачи диссертации.

Целью диссертационной работы является создание эффективной численной методики и программных средств для расчета напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций наиболее полно отражающей физическое поведение железобетона.

В соответствии с поставленной целью определены задачи исследований:

анализ существующих методов расчета и результатов испытаний железобетонных конструкций с учетом нелинейного деформирования бетона и трещинообразования;

разработка методики определения НДС пространственных железобетонных конструкций, основанной на методе конечных элементов, позволяющей учитывать силы сцепления бетона с арматурой, проскальзывание арматуры и концентрацию напряжений в арматуре в районе трещин, влияние прочностные свойства бетона на растяжение и сжатие с учетом нелинейного поведения бетона, а также моделировать процессы образования и развития трещин на каждом шаге нагружения;

сравнение предлагаемого способа расчета с экспериментальными данными и существующими способами расчета изгибаемых железобетонных конструкций с учетом образования трещин.

Методика исследований.

Для решения поставленных задач был использован комплексный подход, включающий в себя анализ существующих методов и расчетных комплексов метода конечных элементов (МКЭ), выбор оптимальных программных средств на базе MSC.Software, применение и разработка интерфейсных конечных элементов, входящих в состав элементной базы расчётного комплекса MSC.Marc. При этом подробно рассматриваются основные характеристики системы "бетон-арматура" и нелинейные особенности этих материалов. Для проверки получаемых результатов использовались данные натурных испытаний.