Проведено обоснование расчетной модели МКЭ совместно с моделью материала, позволяющей задавать нелинейные ветви, как для сжатия, так и для растяжения путем тестирования на основе известных теоретических (СНиП 52-01-2003) и экспериментальных решений.

Научная новизна работы:

впервые в РФ разработаны пространственные конечно-элементные модели, основанные на сочетании интерфейсных и твердотельных элементов, применении моделей, учитывающих нелинейные свойства материала и решении задачи физического контакта для расчета и исследования НДС железобетонных мостовых конструкций;

разработана численная методика, позволяющая получать объемную картину трещинообразования в мостовых железобетонных элементах на каждом шаге нагружения и показывать её развитие, а также определять причины возникновения образовавшихся трещин в этих конструкциях;

разработана методика определения НДС в мостовых железобетонных конструкциях, позволяющая учитывать совокупность таких особенностей, как нелинейность бетона, трещинообразование, сложное армирование, сцепление арматуры с бетоном и усадка.

Практическая ценность работы:

разработана методика расчета, которая позволяет определять НДС различных железобетонных элементов транспортных сооружений, в том числе массивных элементов не стрежневого типа с учетом процессов трещинообразования и других важных физических особенностей железобетона;

разработана программа, позволяющая значительно упростить и ускорить процесс подготовки КЭ сетки для расчёта по предлагаемой методике;

разработаны рекомендации по применению методики расчета к анализу трещиностойкости в мостовых железобетонных конструкциях.

Достоверность полученных результатов обоснована:

строгостью исходных предпосылок применяемых методов исследований;

сравнением результатов тестовых расчетов и известных экспериментальных данных;

сопоставлением с известными положениями строительной механики, теории упругости, механики разрушения и теории железобетона;

квалифицированным использованием известного лицензионного комплекса МКЭ - MSC.Marc.

Реализация результатов.

Результаты работы нашли применение:

при разработке вариантов усиления ригеля по заданию ООО «ППП»Абсида», находящегося в стадии эксплуатации в ОАО «РусГидро –Чебоксарская ГЭС»;

при выполнении НИР кафедры по ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России».

в учебном процессе кафедры строительной механики МАДИ.

Апробация работы.

Основные положения работы, результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались и обсуждались на конференциях: Форум MSC 2008 (одиннадцатой Российской конференции пользователей MSC), Форум MSC 2009 (двенадцатой Российской конференции пользователей MSC), на ежегодных научно-технических конференциях МАДИ, а также на кафедрах «строительной механики» и «мостов и транспортных тоннелей» МАДИ.

На защиту выносятся:

результаты анализа отечественных и зарубежных методов определения НДС железобетонных конструкций;

методика разработки моделей метода конечных элементов для расчета напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций мостовых сооружений, реализованная с использованием программного комплекса MSC.Marc;

результаты проверки достоверности разработанной методики;

результаты применения разработанной методики при определении причин возникновения дефектов в железобетонном ригеле, находящимся в стадии эксплуатации и определение его НДС с учетом имеющихся дефектов.

Публикации.

По результатам исследования опубликованы три печатные работы в профильных изданиях, в том числе одна в журнале, находящемся в списке ВАК РФ, в которых отражены все основные положения диссертационной работы.

Структура и объем работы.

Диссертация содержит 166 стр., 107 иллюстраций, 8 таблиц и включает введение, 4 главы, заключение, список литературы из 136 наименований и 2 приложения.

Диссертационная работа выполнена на кафедре строительной механики Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается выбранная тема диссертации, формулируются цель и задачи работы, ее научная новизна и практическая значимость.

В первой главе кратко перечислены основные физические особенности железобетона, которые вызывают набольшие сложности при создании математических моделей этой композитной конструкции. Далее содержится обзор существующих методик расчёта железобетонных конструкций с учетом дефектов. На основании проведённого обзора литературных источников все современные подходы к расчёту железобетонных конструкций можно условно разделить на две больших группы - это подходы использующие стрежневые модели железобетона, и подходы использующие объемные анизотропные модели железобетона.

К первой группе можно отнести модели связанные с работами В.И. Мурашева, Е.В. Крамера, Я.М. Немировского, В.М. Бондаренко, С.В. Бондаренко, И.Е. Прокоповича, В.Н. Байкова, Г.И. Бердичевского, В.А. Клевцова, Г. Портера, М.М. Холмянского, А.А. Гвоздева, С.М. Крылова, Ю.В. Зайцева, Е.М. Пересыпкина, Л.Г. Трапезникова, П.И. Васильева, А.С. Кулябина, А. Хиллерборга, З.П. Бажанта, K. Iohansen'а, R.H. Wood'а, J. Lenshow'а, A. Sosen'а, C.T. Morley'а и других исследователей.

К недостатками моделей стержневого типа можно отнести их следующие особенности: требуется введение идеализированной схемы трещинообразования; расстояние между трещинами определяется эмпирически; не учитывается местное действие нагрузки и объемное НДС; сложность переноса таких моделей на численные методики, если подразумевается использования инструментов механики разрушения, хотя уже есть некоторые решения, которые в ряде случаев уже доведены до практического использования, однако еще далеки от совершенства

Ко второй группе можно отнести модели разрабатываемые Г.А. Гениевым, Ч.Ю. Лином, А. Скорделисом, Г. Мангом, Н.И. Карпенко, Т.А. Баланом, С.Ф. Клованичем, Т.А. Мухамедиевым, В.А. Ерышевым, А.Н. Петровым, А.Л. Гуревичем Л.И. Яриным, В.С. Кукунаевым, М.И. Леви, В.П. Рословым, А.В. Мельниковым и др. Надо отметить, что Н.И. Карпенко внес большой в вклад в развитие моделей этой группы.

Объемные модели железобетона, в силу своей универсальности и общности, лучше других адаптированы для численной реализации на ЭВМ, в частности с помощью МКЭ, что является их основным преимуществом. Однако железобетон рассматривается как анизотропный материал, в то время, как он является сложной композитной конструкцией. Эта предпосылка приводит к некоторым недостаткам данных моделей в числе которых можно отметить следующие: не применяется механика разрушения для определения динамки и роста трещины, поскольку нет возможности моделировать поле НДС в вершине трещины (такое понятие вообще отсутствует); сцепление арматуры с бетоном учитывается при помощи идеализированных эпюр контактных напряжений и деформаций, основанных на эмпирических зависимостях; напряжения и деформации арматуры в трещине и между трещинами определяются, исходя из параметров полученным эмпирическим путем. При определении раскрытия трещин также используются параметры, как поперечное и продольное армирование, вычисляемые эмпирически; картина трещинообразования получается осреднённой, что не позволяет качественно учесть перераспределение напряжений и деформаций при изменении расчётной схемы вызванного развитием трещин.

На основе проведённого обзора методов расчета железобетонных конструкций и сопоставления посылок и допущений в рассмотренных моделях железобетона было установлено, что в используемых подходах недостаточно полно раскрываются некоторые аспекты работы железобетона, учет которых в свою очередь и стало целью данной работы. Таким образом, целью данной работы является разработка численной методики расчёта железобетона, которая позволяет производить:

оценку НДС железобетона в области арматурного стержня с привлечением инструментов теории пластичности и решения задач физического контакта;