Оптимизация параметров пролетных строений висячих мостов, усиленных и не усиленных наклонными вантами, при их проектировании с применением ПК тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.15, кандидат технических наук Ле Тху Хыонг

• Ле Тху Хыонг
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ле Тху Хыонг

СОДЕРЖАНИЕ Введение

Глава 1. Состояние проектирования висячих мостов, цель и задачи исследования

1.1. Краткие сведения из истории развития висячих мостов

1.2. Краткие сведения о строительстве висячих мостов во Вьетнаме

1.3. Выбор схемы висячих мостов для условий Вьетнама

1.4. Выбор метода статического расчета висячих мостов с учетом геометрической нелинейности

1.5. Анализ состояния использования ЭВМ и ПК для проектирования оптимальных мостовых конструкций. Цель и задачи исследования

Глава 2. Расчет пролетного строения висячего моста, усиленного нисходящими вантами по деформированной схеме с учетом принимаемых усилий предварительного натяжения вант

2.1. Конструктивная схема пролетного строения вантового моста и принятые расчетные предпосылки

2.2. Расчетная схема конструкции

2.3. Определение усилий в элементах пролетного строения в зависимости, от прогибов системы и смещения узлов крепления вант к пилонам

2.4. Получение разрешающей системы уравнений

2.5. Вычисление матрицы А

2.6. Вычисление опорных реакций балки жесткости

Глава 3. Разработка программы проектирования пролетного строения висячего моста, усиленного наклонными вантами, с применением ПК

2

3.1. Замысел программы

3.2. Исходные данные заказчика к программе машинного проектирования

3.3. Искомые параметры и размеры

3.4. Принятая последовательность проектирования пролетного строения

3.5. Учет заданной временной нагрузки и собственного веса пролетного строения при вычислении расчетных силовых факторов

3.6. Выбор и задание значений основных независимых параметров пролетного строения висячего моста при его автоматическом проектировании

3.7. Выбор начальных размеров элементов пролетного строения

3.8. Автоматическое формирование матриц, входящих в систему уравнений

3.9. Приведение заданных постоянной и временной нагрузок к узловой

3.10.Решение системы нелинейных уравнений

3.11 .Определение расчетных силовых факторов в элементах

пролетного строения

3.12.Определение окончательных размеров элементов пролетного строения

3.13.Проверка динамической и аэродинамической устойчивости пролетного строения

3.14.Выбор оптимального варианта конструктивного решения пролетного строения

Глава 4. Отладка, обкатка и освоение программы проектирования пролетного строения висячего моста, усиленного наклонными вантами

з

4.1. Вводные замечания

4.2. Проверка правильности работы программы расчета пролетного строения висячего моста с постоянным и переменным сечением балки жесткости по длине пролета

4.3. Проверка правильности работы программы расчета пролетного строения висячего моста усиленного нисходящими вантами

4.4. Проверка правильности получения огибающих эпюр силовых факторов и выбора их максимальных значений на участках балки жесткости

4.5. Проверка реальности выходных данных о запроектированном варианте пролетного строения висячего моста

4.6. Проверка реальности выходных данных о запроектированном варианте пролетного строения висячего моста, усиленного наклонными вантами

4.7. Проверка правильности выбора рекомендуемого варианта конструктивного решения пролетного строения

Глава 5. Исследования с помощью программы проектирования, рекомендации по ее использованию для получения рациональных конструктивных решений пролетных строений висячих мостов, усиленных и не усиленных нисходящими вантами

5.1. Вводные замечания

/

5.2. Исследование влияния изменения (отношения стрелы

провисания кабеля к пролету) на выходные характеристики пролетного строения висячего моста

5.3. Исследование влияния изменения количества узловых точек N на выходные характеристики пролетного строения висячего моста

5.4. Исследование влияния высоты балки жесткости на выходные характеристики пролетного строения висячего моста

5.5. Исследование влияния количества стенок балки жесткости на выходные характеристики пролетного строения висячего моста

5.6. Исследование влияния углов наклона оттяжек на выходные характеристики пролетного строения висячего моста

5.7. Исследование влияния количества наклонных вант и их сечения на выходные характеристики пролетного строения висячего моста

5.8. Исследование влияния величины пролета вантового моста на выходные характеристики его пролетного строения

5.9. Рекомендации по использованию разработанной программы для получения рационального конструктивного решения пролетного строения висячего моста усиленного и не усиленного наклонными вантами

5.10.Выводы по главе 5

Заключение

Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимизация параметров пролетных строений висячих мостов, усиленных и не усиленных наклонными вантами, при их проектировании с применением ПК»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В настоящее время в мировом мостостроении находят все более широкое применение металлические вантовые и висячие пролетные строения с ортотропной плитой проезжей части.

В мировом мостостроении настоящий период характеризуется относительным увеличением доли мостов, строящихся со стальными конструкциями пролетных строений. Так, в Великобритании и одной из главных стран на мировом мостостроительном рынке - количество строящихся мостов со стальными пролетными строениями длиной свыше 35-50 м составляет около 90% общего объема [25].

Увеличение доли металлических мостов связано с увеличением расхода дорогостоящей стали, что традиционно ставит задачу рационального её расходования. Одним из эффективных путей решения этой задачи всегда являлась оптимизация мостовых конструкций на стадии проектирования. В настоящее время проектирование оптимальных по расходу мостовых конструкций немыслимо без применения современной вычислительной техники. Тем не менее в проектных организациях вычислительная техника в настоящее время используется в основном для выполнения расчетных работ в ходе проектирования. Изменение размеров в нужном направлении и решение задач компоновки конструкции выполняется инженером-проектировщиком с учетом его инженерной интуиции и опыта. Между тем эта работа может быть с успехом поручена ПЭВМ, если в основу алгоритма действий ПЭВМ заложить логику действий опытного инженера-проектировщика. Это вполне возможно, ведь создана уже более сложная логическая программа

для шахматной игры, которая в матче с чемпионом мира Г. Каспаровым одержала победу в шести партиях.

Настоящая работа посвящена разработке методики проектирования с применением ПК пролетных строений висячих мостов, усиленных и не усиленных наклонными вантами. Цель работы. Разработка программы проектирования с применением ПК пролетных строений висячих мостов, усиленных и не усиленных наклонными вантами , и выработка рекомендаций по использованию её при решении практических задач проектирования висячих мостов. Для достижения этой цели:

* изучен опыт предшествующего использования ПК для расчета и проектирования мостовых конструкций.

* выбран рациональный метод деформационного расчета пролетного строения висячего моста, усиленного и не усиленного наклонными вантами, для задачи его проектирования с применением ПК.

* разработан алгоритм программы проектирования пролетного строения висячего моста, усиленного и не усиленного наклонными вантами на основе использования инженерного метода последовательных приближений к искомому решению при удовлетворении требований СНиП 2.05.03-84 по условиям прочности, жесткости, динамической и аэродинамической устойчивости.

* разработана программа проектирования пролетного строения висячего моста, усиленного и не усиленного наклонными вантами, с применением ПК.

* с помощью разработанной программы проектирования проведено исследование влияния независимых параметров

пролетного строения висячего моста, усиленного и не усиленного наклонными вантами на его стоимость.

* разработаны рекомендации по использованию разработанной программы для решения практических задач проектирования пролетных строений висячих мостов, усиленных и не усиленных наклонными вантами.

Метод исследования, в основном, теоретический с использованием обычного математического аппарата. Проведены численные экспериментальные исследования на ПК для выработки рекомендаций по оптимальным параметрам пролетных строений висячих мостов и рекомендаций по использованию программы для решения практических задач проектирования. Научная новизна и значимость работы заключается в следующем:

- впервые разработан алгоритм проектирования пролетных строений висячих мостов, усиленных и не усиленных наклонными вантами, с оптимизацией проектного решения по минимуму стоимости;

- впервые получены оптимальные параметры пролетного строения висячих мостов, усиленных и не усиленных наклонными вантами, базирующиеся на комплексных условиях оптимальности и установлены закономерности изменения целевой функции от значения параметров.

Практическая значимость работы заключается в том, что разработанная программа позволяет определять оптимальные параметры пролетных строений висячих мостов, усиленных и не усиленных наклонными вантами, по критерию их минимальной стоимости.

Эффективность работы определяется возможностью резкого повышения производительности труда проектировщиков за счет использования современной вычислительной техники в режиме тесного общения специалиста и ПК.

8

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 67 наименований и содержит 135 страниц машинописного текста.

Заключение диссертации по теме «Мосты и транспортные тоннели», Ле Тху Хыонг

5.10. Выводы по главе 5

1. Размеры элементов металлической балки жесткости определяются по условию жесткости, динамической и аэродинамической устойчивости, постоянны по всей длине пролета и имеют даже при небольшом количестве узловых точек напряжения в поясах не превышающих 2200 кг/см2. В связи с этим в балках жесткости целесообразно применение сталей самой низкой прочности.

2. Стоимость пролетного строения имеет тенденцию к увеличению при увеличении йэ/Ь, однако в диапазоне до 0.1 она почти постоянна. По-видимому нецелесообразно принимать £о/Ь больше 0.1.

3. Стоимость пролетного строения имеет тенденцию к увеличению с увеличением количества узловых точек , что связано с некоторым усложнением проезжей части.

4. Стоимость пролетного строения весьма интенсивно зависит от высоты балки жесткости, изменяется по гиперболо параболическому закону и имеет минимальное значение при оптимальной высоте.

5. Погонный вес и стоимость пролетного строения имеют тенденцию к увеличению с увеличением количества стенок . При 4 интенсивность наращивания веса и стоимости существенно увеличивается.

6. Увеличение угла наклона оттяжек существенно увеличивает усилия в оттяжках и их площадь, усилия к кабеле и подвесках и их площади остаются при этом практически неизменными .

7. Применение вант позволяет уменьшить вес и стоимость пролетного строения примерно на 4-5 %. Значения ЕТТАР\у > 0.05 нецелесообразны по соображениям снижения веса или стоимости.

8. Применение вант позволяет уменьшить амплитуду прогибов в четвертях пролетов на 3-45 % при увеличении значения ЕТТАР\у.

9. Разработаны рекомендации по использованию созданной программы при проектировании пролетных строений вантовых мостов, усиленных и не усиленных наклонными вантами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

A. В выполненной работе поставлена и решена задача оптимизации по минимальной стоимости пролетных строений висячих мостов, усиленных и не усиленных наклонными вантами. При этом:

1. Изучен опыт предшествующего использования ПК для расчета и проектирования мостовых конструкций;

2. Выбран рациональный метод деформационного расчета пролетного строения висячего моста, усиленного и не усиленного наклонными вантами, для задачи его проектирования с применением ПК;

3. Впервые разработан алгоритм программы проектирования пролетного строения висячего моста, усиленного и не усиленного наклонными вантами на основе использования инженерного метода последовательных приближений к искомому решению при удовлетворении требований СНиП 2.05.03-84 по условиям прочности, жесткости, динамической и аэродинамической устойчивости с оптимизацией проектного решения по минимуму стоимости;

4. Впервые разработана программа проектирования пролетного строения висячего моста, усиленного и не усиленного наклонными вантами, с применением ПК;

Б. Разработаны рекомендации по использованию созданной программы при проектировании пролетных строений вантовых мостов, усиленных и не усиленных наклонными вантами.

B. На основе численных исследований с помощью программы впервые получены оптимальные параметры пролетного строения висячих мостов, усиленных и не усиленных наклонными вантами, базирующиеся на комплексных условиях оптимальности и установлены закономерности изменения целевой функции от значения параметров.

Г. В ходе численных исследований с помощью программы проектирования висячих мостов, усиленных и не усиленных наклонными вантами получены следующие выводы:

1. Размеры элементов металлической балки жесткости определяются по условию жесткости, динамической и аэродинамической устойчивости, постоянны по всей длине пролета и имеют даже при небольшом количестве узловых точек напряжения в поясах не превышающих 2200 кг/кв.см. В связи с этим в балках жесткости целесообразно применение сталей самой низкой прочности.

2. Стоимость пролетного строения имеет тенденцию к увеличению при увеличении К)/Ь, однако в диапазоне до 0.1 она почти постоянна. По-видимому нецелесообразно принимать Го/Ь больше 0.1.

3. Стоимость пролетного строения имеет тенденцию к увеличению с увеличением количества узловых точек , что связано с некоторым усложнением проезжей части.

4. Стоимость пролетного строения весьма интенсивно зависит от высоты балки жесткости, изменяется по гиперболо -параболическому закону и имеет минимальное значение при оптимальной высоте.

5. Погонный вес и стоимость пролетного строения имеют тенденцию к увеличению с увеличением количества стенок . При N81 > 4 интенсивность наращивания веса и стоимости существенно увеличивается.

6. Увеличение угла наклона оттяжек существенно увеличивает усилия в оттяжках и их площадь, усилия к кабеле и подвесках и их площади остаются при этом практически неизменными .

7. Применение вант позволяет уменьшить вес и стоимость пролетного строения примерно на 4-5 %. Значения ЕТТАР\у > 0.05 нецелесообразны по соображениям снижения веса или стоимости.

8. Применение вант позволяет уменьшить амплитуду прогибов в четвертях пролетов на 3-45 % при увеличении значения ЕТТАРу/.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ле Тху Хыонг, 1999 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Автоматизация расчетов транспортных сооружений./А.С. Городецкий , В.И. Заворицкий , А.И. Лантух -Лященко, А.О. Рассказов. М.: Транспорт, 1989.-232с.

2. Александрова Т. А. Оптимальное проектирование сталежелезобетонных балочных пролетных строений по критерию заводской стоимости. Дис. к.т.н..Омск:СИБАДИ, 1988.

3. Ананьин А.И., Петранин A.A. Расчет висячего моста методом конечных разностей с учетом геометрической нелинейности. /Исследование висячих конструкций/ Тр. Воронежского ИСИ,1983.-С.12-16.

4. Ашмарин И.П., Васильев H.H., Амбросов В.А. Быстрые методы статистической обработки и планирование экспериментов - Л.:ЛГУ, 1971.-78с.

5. Бахтин С.А. Оптимизация висячей комбинированной конструкции пешеходного моста при учете геометрической нелинейности/ Исследования работы искусственных сооружений. -Новосибирск, 1980.- с. 42..46.

6. Бахтин С.А. Учет геометрической нелинейности при оптимальном проектировании висячих пролетных строений мостов. Автореферат дис. к. т. н. - Новосибирск, 1982.-23с.

7. Бахтин С.А., Пыринов Б.В. Деформационный расчет висячей комбинированной системы моста итерационным способом. Тр.НИИЖТ.-Новосибирск,1976.-Вып.175.-с.64..70.

8. Бахтин С.А. Проектирование висячих и вантовых мостов. СГАПС,Новосибирс, 1995г, 120с.

9. Блейх Ф. Теория и расчет железных мостов. М., Огиз, Гострансиздат,1931.

10. Беллман Р. Динамическое программирование -М.: Издатинлит, 1960.-400с.

11. Болотин B.B. Динамическая устойчивость упругих систем.М., Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1956.

12. Большаков К.П., Потапкин A.A. Применение вантово-балочных систем в мостах больших пролетов. Исследования современных конструкций стальных мостов.Тр.ЦНИС.-М.:Транспорт. 1975.-Вып.94.-с. 4...28.

13. Бугаев В.Я. Об оптимальном проектировании вантовых мостов с балками жесткости по деформированной схеме. Дороги и мосты. Тр. ЛИСИ.-Л., 1973.Вып.84.-с.9..19.

14. Байтовые мосты. A.A. Петропавловский. Е.И. Крыльцов , H.H. Богданов и др. Под ред. A.A. Петропавловского. М. Транспорт.1985.-224с.

15. Виноградов А.И. Задача оптимального проектирования и её особенности для стержневых систем. Строительная механика и расчет сооружений., 1974.№4.-С. 55..60.

16. Гольденблат И.И. Динамическая устойчивость сооружений, М. Стройиздат, 1948.

17. Геммерлинг A.B. О методах оптимизации конструкций. Строительная механика и расчет сооружений., 1971.-№2-с.20..22.

18. Гершуни И.Ш. Применение теории конечного элемента к расчету висячих мостов. Исследования и расчет современных мостовых конструкций.Тр.МИИТ, 1977.-Вып.561 .с. 79. .86.

19. Гибшман Е.Е. Проектирование металлических мостов. М.: Транспорт, 1969. 415 с

20. Гордеев В.Н.

Оптимизация строительных металлоконструкций в системах автоматического проектирования. Дис. д. т. н. М. 1982г.

21. Горынин Л.Г., Тар адов Е.Л. Оптимальное проектирование конструкций.-Омск.СибАДИ. 1979.-80с.

22. Дейнека A.B. Оптимизация параметров балочно-ваитовых пролетных строений автодорожных мостов. Теоретические и экспериментальные исследования мостов.Тр.СибАДИ.-Омск.,1986.-с.24...38.

23. Джха Виджай Кумар. Разработка методики и программы машинного проектирования ортотропных плит проезжей части автодорожных мостов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. МАДИ. 1997г.

24. Дуров И.С. Деформационный расчет висячих мостов по линиям влияния. Тр. Новочеркасского полит.ин-та1958.-е. 49..71.

25. Ильясевич С.А. Металлические коробчатые мосты. Транспорт. МЛ 970. 280с.

26. Иосилевский Л.И. Совершенствование вантовых мостов. Транспортное строиетльство,1981.-№6.--с.42..44.

27. Казакевич М.И.

Аэродинамика мостов.М.Транспорт.1987. 240с.

28. Качурин В.К., Брагин A.B., Еру нов Б.Г. Проектирование висячих и вантовых мостов.

М. ¡Транспорт, 1971.- 280;с.

29. Качурин В.К. Теория висячих систем. JI.-М. :Госстройиздат, 1962.-224с.

30. Ким Ю.В., Козлов В.В., Крылов JI.K. Статический расчет пространственных комбинированных систем с учетом геометрической и конструктивной нелинейности. Саратовский полит.ит-т.-Саратов,1982 г. -Деп. в ВНИС 21.05.1982г.

31. Кириенко В.И. Байтовые мосты.-К.:Будивельник,1967.-144с.

32. Кирсанов Н.М. Висячие и вантовые конструкции. М.:Стройиздат, 1981.-158с.

33. Кирсанов Н.М. Висячие системы повышенной жесткости. Стройиздат, 1973.-116с.

34. К и р с а н о в Н.М. Расчет висячих комбинированных систем по линиям влияния с учетом прогибов.-Воронеж.ВГУ, 1976.-101 с.

35. Кирсанов Н.М. Расчет неразрезных висячих мостов с учетом прогибов. Тр. Воронежского ИСИ.,1958.Вып.4. С.81....90.

36. Ковалев H.H. Исследование новых стальных канатов для висячих и вантовых мостов.Тр.ЦНИИС.М. .Транспорт, 1975-Вып.94.-с.43...76.

37. Курлянд В.Г. Аэродинамические и аэроупругие характеристики пролетных строений мостов. Автореф. дис. к.т.н. М.1981.20с.

38. Лазарев И.Б. Математические методы оптимального проектирования конструкций.-Новосибирск.НИИЖТ, 1974.-190с.

39. Лазарев И.Б. Основы оптимального проектирования конструкций. Задачи и методы. Новосибирск. СГАПС.1995. 295с.

40. Лужин О.В. Теория тонкостенных стержней замкнутого профиля и применение её в мостостроении. Издание ВИА.1959г

41. Потапкин A.A. Применение методов строительной механики расчета статически неопределимых систем и исследование пространственной работы пролетных строений мостов с поперечными связями. Тр. ЦНИИС. М.: Транспорт. 1964, вып.11 . С.49..61.

42. Потапкин A.A. Проектирование металлических мостов с учетом пластических деформаций. М.: Транспорт, 1984.-200с.

43. Почтман Ю.М., Ш у л ь г а С.А. О некоторых подходах к оптимальному проектированию конструкций с использованием теории планирования экспериментов. Изв. вузов. Строительство и архитектура.1983.-№12.- С.27...31.

44. П р а г е р В. Основы теории оптимального проектирования конструкций.-М.:Мир. 1977.-107с.

45. Рваче в Ю.А. Машинное проектирование автодорожных мостов. М.: Транспорт, 1983. 256с.

46. Рейтман М.И., Шапиро Г.С. Методы оптимального проектирования деформируемых тел.-М.:Наука,1976.-266с.

47. Рожванн Д. Оптимальное проектирование изгибаемых систем.-М.: Мир, 1980.-315с.

48. Саламахин П.М. Программа машинного проектирования пролетных строений военных мостов.М.Изд.ВИА. 1970. 204с.

49. Саламахин П.М. Метод обобщения закономерностей веса несущих конструкций. Изд. ВИА. М.1977. 106с.

50. Саламахин П.М., Воля О.В. и др. Мосты и сооружения на дорогах. 4.1-2. Москва. Транспорт. 1991.

51. Сафронов B.C. Расчет висячих и вантовых мостов на подвижную нагрузку .-Воронеж. :ВГУ, 1983.-196с.

52. Сергеев Н.Д., Богатырев А.И. Проблемы оптимального проектирования конструкций. Л.:Стройиздат, 1971.-136с.

53. С ильницкий Ю.М. Висячие мосты.Л.,1969,85с.

54. Смирнов А.Ф., Александров A.B., Шапошников H.H., Лащенков Б.Я. Расчет сооружений с применением вычислительных машин.-Стройиздат, 1954.

55. Смирнов В.А. Висячие мосты больших пролетов.2-е изд., перераб. и доп. -М.: Высшая школа,1975.368с.

56. СНиП 2.05.03-84. Мосты и трубы.М.:Стройиздат,1985.-с.64.

57. Трофимович В.В., Ахмад Атт Наджем, Турин К.Н. Оптимизация параметров геометрической схемы вантово-балочных систем при переменных и подвижных нагрузках. Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1985. №8. -с. 14.. 18.

58. Трофимович В.В., Онисин С.С. Оптимальное проектирование плоских и пространственных стержневых конструкций. Транспортное строительство.-1980.№1.с.48...49.

59. Улицкий Б.Е. Потапкин A.A. Пространственные расчеты мостов.М.:Транспорт,1967. 404с.

60. Ф р и д к и н В.М. О построении алгоритма расчета висячих и вантовых комбинированных конструкций с учетом геометрической нелинейности.Тр.ЦНИИПСК.-М.1980. с.114.

61. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование.Мир. 1975.-534с.

62. Ц а п л и н С.А. Висячие мосты.М.:Дориздат, 1949. 217с.

63. Шайкевич B.J1. Метод оптимизации автодорожных мостов балочно-вантовой системы. Исследование долговечности искусственных соружений.Тр.ЛИСИ.-Л.1980. с.119.. 127.

64. Шапошников H.H. Строительная механика транспортных сооружений. Расчет стержневых систем с использованием ЭВМ. Учебное пособие. Москва.1983.с.79

65. Steiman D.B. А practical treatise Suspension Bridges. New -York, London, 1929.

66. Timoshenko S. Zeitschrift für angewandte Mathematik und Mechanik. Bd/8.H. 1. 1928.

67. Poskitt T.T.The structural Analysis suspension bridges . Jal.Str.D.ASCE.1966.№ 92.