Методологические подходы к разработке конструктивных форм большепролетных и сверхпротяженных инженерных сооружений
На правах рукописи
ФРИДКИН Владимир Мордухович МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К РАЗРАБОТКЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ФОРМ БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫХ И СВЕРХПРОТЯЖЕННЫХ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ 05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения 05.23.11 – Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Москва - 2008
Работа выполнена в Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ)
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Кудишин Юрий Иванович Московский государственный строительный университет доктор технических наук Ведяков Иван Иванович ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко Филиал ФГУП НИЦ «Строительство» доктор технических наук Васильев Александр Ильич Московский автомобильно-дорожный институт
Ведущая организация: ООО Научно-производственное объединение «Мостовик», г. Омск
Защита состоится «_» 2008 г. в 11.00 часов на заседании диссертационного совета Д 303.015.01 при ЗАО «ЦНИИПСК им. Мельникова» по адресу: 117997, г. Москва, ул. Архитектора Власова, 49, комн. 204.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЗАО «ЦНИИПСК им. Мельникова».
Просим Вас принять участие в защите и направить отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью организации, в секретариат совета по указанному выше адресу. Факс: (495) 960-22-77.
Автореферат разослан «_» 2008 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 303.015.01, кандидат технических наук Н.Ю. Симон 1.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
1.1. А к т у а л ь н о с т ь п р о б л е м ы В начале XXI века четко проявляются новые тенденции в создании строительных конструкций для ответственных сооружений различного назначения и в учете специфических особенностей их безопасной длительной эксплуатации. Имеют место:
– увеличение размеров перекрываемых пролетов пространственных и линейно-протяженных сооружений (возводятся общественные здания с пролетами до 200 м и более, например, спортивные арены, плавательные бассейны, велотреки, атриумы, выставочные и рыночные павильоны, проектируются мосты с главными пролетами свыше 2…3 км);
– увеличение высоты сооружений: высота жилых и многофункциональных зданий в городах достигает 150…200 м, а зданий-«небоскребов» – 300…508 м;
строятся «небоскребы» высотой до 808 м, проектируются – высотой до 1200…1500 м;
высота ряда существующих антенных сооружений находится в интервале 400…1000 м, высота вытяжных башен химических предприятий находится в области размеров до 400…600 м;
в Австралии проектируется башня высотой 1000 м для комплекса оранжерей и энергоустановок;
– усиление внимания к архитектуре возводимых сооружений, интерес к отражению в их облике современных тенденций развития архитектуры, поиск новых архитектурных направлений, опирающийся на достижения науки и строительных технологий;
– потребность в проведении реконструкции промышленных зданий для реализации в них современных технологических процессов – с новой номенклатурой выпускаемой продукции, с заменой основного оборудования и, возможно, с изменением конструктивных схем каркаса сооружения;
– проявление низкой «живучести» некоторых построенных в последние три десятилетия XX века и даже позже большепролетных и высотных зданий при реализации природных и техногенных опасностей, в том числе – террористических угроз, а также, в ряде случаев, при недостаточном внимании проектировщиков и строителей к специфическим требованиям обеспечения надежности сооружений, вмещающих и ежедневно размещающих в себе одновременно сотни, тысячи и десятки тысяч человек;
– значительный и все нарастающий износ сооружений, возведенных во второй половине ХХ века и раньше, не оправдавших надежд на их «безбедное» существование в течение многих десятилетий и требующих незамедлительной реконструкции, а в большинстве случаев – сноса и замены;
– понимание необходимости развития транспортной сети России в северном и северо-восточном направлениях в северо-западной европейской и азиатской частях страны;
усиление, в связи с этим, интереса к разработке современных технических решений сверхпротяженных железнодорожных эстакад – в составе намечаемых трансконтинентальных магистралей, которые должны в XXI веке пройти, по возможности, кратчайшими трассами по территории России, включая горные районы, на протяжении тысяч километров (с примыкающими однопутными линиями в зоны крупных месторождений углеводородов, угля, руд металлов) в труднодоступной малонаселенной местности, в том числе в условиях сурового климата, болот, тайги, тундры, вечной мерзлоты, требующих пересечения мостами и (или) подводными тоннелями сложнейших речных и морских преград;
– большая потребность в создании принципиально новых по уровням обеспечения безопасности и долговечности инженерных барьеров в составе комплексных природно-техногенных мультибарьеров для развития атомной (в том числе атомно-водородной) промышленности и энергетики, для захоронения высокоактивных и среднеактивных атомных отходов и отработавшего ядерного топлива, а также других вредных долгоживущих веществ, порождаемых атомной, химической и нефтехимической отраслями промышленности;
– необходимость, в связи с нарастанием террористической угрозы, пересмотра концепции возведения промышленных и защитных сооружений:
подземных, приземных и пространственных большепролетных надземных – над существующими ядерными, химическими и другими промышленными объектами, как возможными мишенями для изощренных террористических атак;
– развитие идей и разработка пионерных проектов дальнейшего изучения и освоения уже в первой половине XXI века дна морей и океанов на глубинах от десятков метров до 500…3000 м, в том числе путем создания подводных стационарных объектов для добычи углеводородов на участках шельфов, извлечения полезных минералов из океанских вод и создания для реализации этих планов новых сооружений и транспортных средств;
– осознание большинством ученых и инженеров, а также многими политиками необходимости реализации всех проектов XXI века в условиях нарастающего влияния на экономику, в том числе и на условия производства, глобального изменения климата Земли при исключительной сложности разработки теоретических моделей для прогнозирования природных процессов с учетом техногенных (антропогенных) факторов;
– проявление, в той или иной мере для всех регионов России, последствий глобальных изменений климата, что, в первую очередь, связано с увеличением расчетных расходов стока сезонных осадков, отступлением вечной мерзлоты, увеличением высоты уровня моря, опасностью нарастания активности карстовых, карстово-суффозионных и оползневых процессов, увеличением расчетных скоростей ветра, изменением частоты возникновения и интенсивности смерчей и шквалов;
– уточнение оценок сейсмотектонической активности отдельных регионов России (в сторону увеличения сейсмичности площадок строительства) и потребность возведения в таких районах ответственных сооружений;
– наличие научно обоснованной, хотя и маловероятной в течение ожидаемых (или планируемых) сроков службы сооружений, опасности столкновений Земли с космическими телами с характерными размерами порядка (как минимум) нескольких десятков или сотен метров, что может привести к неблагоприятным сейсмологическим и климатологическим последствиям, в том числе и для наиболее ответственных инженерных объектов на территории всех регионов России;
для наиболее важных объектов при их проектировании это обстоятельство должно влиять на обеспечение достаточного уровня живучести строительных конструкций;
– увеличение потребности в проведении квалифицированной научно технической экспертизы проектов строительства и реконструкции сложных инженерных сооружений, для чего необходимо развитие принципов объективной оценки безопасности и эффективности разрабатываемых технических решений с учетом реалий XXI века;
– необходимость совершенствования учебного процесса в вузах для выпуска новых поколений инженеров-строителей, хорошо подготовленных к инженерной и организационной деятельности в специфических условиях России первых десятилетий XXI века.
От строительной науки в связи с перечисленными выше обстоятельствами, требующими расширения поиска новых технических решений, сейчас и далее следует ожидать, в первую очередь, увеличение внимания к методологическим аспектам инженерного творчества. Невозможно замыкаться только в экстраполяции проверенного практикой применения известных технических решений на более сложные условия возведения и эксплуатации новых объектов. Опасно предлагать и не вполне обоснованные новые технические решения при создании ряда современных ответственных инженерных сооружений, пусть даже, на первый взгляд, и удовлетворяющие технологическим и социальным заказам инвестиционных программ. Такие программы не всегда далеко просчитаны, и, возможно, вытекают из желания получить в кратчайшие сроки сверхвысокие прибыли без тщательного анализа длительных экологических, экономических и социальных последствий эксплуатации возведенных объектов.
1.2 Ц е л ь и з а д а ч и д и с с е р т а ц и о н н о й р а б о т ы Из предпосылок, изложенных выше в п.п. 1.1, следует выбор цели диссертационной работы: опираясь на исторический опыт развития отечественных металлических строительных конструкций и достижения мостостроения, обобщить и развить методологические концепции создания и выбора для практического применения в сопоставлении с известными техническими решениями новых конструктивных форм инженерных сооружений, в первую очередь – большепролетных и сверхпротяженных объектов транспортной инфраструктуры с учетом специфики природных и социально-экономических условий Российской Федерации.
Для достижения намеченной цели, исходя из опыта инженерной и научной деятельности автора, в диссертации решались следующие з а д а ч и.
• Ввести систему важнейших понятий, определяющих объекты анализа в теории формообразования строительных конструкций, по принципу «от простого – к сложному»;
с помощью такой системы упрощается обеспечение необходимой четкости изложения и обоснования результатов работы.
• Раскрыть циклический характер процесса формообразования и развития конструктивных форм, что позволяет наиболее отчетливо выявить этапы перехода от комплекса конструктивных идей к результату их реализации в создаваемых сооружениях.
• Построить расширенную систему принципов формообразования строительных конструкций и обосновать в рамках темы диссертации ту группу принципов, которые в наибольшей мере отражают непосредственно процесс конструирования и определяют его результаты.
• Рассмотреть особенности формообразования несущих конструкций линейно-протяженных сооружений, перекрывающих большие пролеты, опираясь, в первую очередь, на опыт мостостроения. В связи с постановкой этой задачи рассмотреть определения понятий «большой пролет сооружения» и «область существования пролетов конструктивной формы линейно протяженного сооружения»;
разработать методику и расчетные модели для использования введенных понятий при анализе качества технических решений большепролетных объектов.
• Предложить и обосновать новый подход к анализу предельных состояний сооружений по прочности для повышения эффективности применения «принципа безопасности» при проектировании новых и мониторинге существующих сооружений.
• Опираясь на выдвинутую систему принципов формообразования, показать возможности применения этих принципов для поиска и обоснования новых конструктивных форм мостов с пролетами в сотни и тысячи метров, сверхпротяженных эстакад, преимущественно для рельсовых видов транспорта, подводных тоннелей и некоторых сооружений – объектов других классов строительных конструкций и других технических систем.
Такая целевая установка диссертации определяет а к т у а л ь н о с т ь направленности ее содержания – в первую очередь, на разработку методов оценки инновационного уровня технических решений, необходимого для удовлетворения потребностей экономики и техники XXI века в области инженерных сооружений больших пролетов и большой протяженности.
1.3 Н а у ч н а я н о в и з н а – Разработана и обоснована новая обобщенная система критериев формообразования строительных конструкций, как совокупности современных методологических подходов к поиску направлений и к оценке результатов выбора новых конструктивных форм в различных областях строительства, но, в первую очередь, для линейно-протяженных сооружений с большими пролетами или сооружений с очень большим количеством пролетов.
Выдвинутые принципы формообразования обеспечивают выполнение многокритериального сопоставительного анализа объектов проектирования на любых стадиях разработки проектной документации. Это должно способствовать формированию при проектировании наиболее конкурентоспо собного набора вариантов намечаемых технических решений, включающего как известные и имеющие опыт практического применения, так и новые конструктивные формы.
– На основе предложенных принципов формообразования рассмотрены особенности ряда предлагаемых автором новых конструкций:
• цепных несущих элементов из универсального листового проката высокопрочных легированных сталей для перекрытия больших пролетов, • композитных (сталежелезобетонных) несущих элементов для различных отраслей строительства и других объектов техники.
– В развитие ранее выполненных автором (или с его участием) разработок предложены и рассмотрены на основе выдвинутых принципов формообразования новые концептуальные технические решения:
• висячая система совмещенного моста сверхбольшого пролета (4000 м);
металлические опоры и сталежелезобетонные пролетные строения железно дорожных эстакад для эксплуатации в суровых климатических условиях;
• пролетные строения эстакад для монорельсового транспорта;
• вертикальные инженерные барьеры большой протяженности из буровых свай и свай-оболочек (железобетонных и сталежелезобетонных), погружаемых в грунт на глубину до 60…75 м, – для изоляции опасных производств и хранилищ вредных отходов этих производств, для защитных сооружений, а также для подпорных стен, берегоукрепительных сооружений и для некоторых видов фундаментов;
• Не имеющие припортальных выемок подводные тоннели для рельсового транспорта на электрической тяге, в том числе – типа трансбордеров,.
– Предложен новый концептуальный подход к анализу технической безопасности строительных конструкций. Этим подходом предусматривается поиск максимумов функции внутренней потенциальной энергии деформации для дискретной конечноэлементной математической модели сооружения в целом и, одновременно, для любого её фрагмента – при развитии во времени и в пространстве заданного случайного линейно независимого набора перемещений. На любом этапе деформирования системы, в общем случае нелинейного, этот набор может дополняться для корректировки изменяющихся при деформировании граничных условий и условий работы внутренних связей модели. При этом в процессе развития перемещений системы в заданной по координатам области, в течение заданного отрезка времени, от шага к шагу математические модели конечных элементов должны индивидуально пересматриваться и, при необходимости, перестраиваться.
При рассмотрении реальных расчетных внешних нагрузок и воздействий такая модель анализирует возможность совершить ими работу, достаточную для достижения системой экстремальных энергетических состояний, определяемых с точностью до уровня аппроксимации перемещений и до уровня вводимых в анализ математических моделей взаимосвязи между деформациями и напряжениями. Для практических расчетов сооружений по проверке критериев формообразования, имеющих математические формули ровки, предложенный подход исходит из возможности использования вычислительных моделей, опирающихся на применение современных и перспективных многопроцессорных систем сверхвысокого быстродействия с параллельной архитектурой организации вычислений.
– Для предварительного подбора рациональных параметров конструктивных форм линейно-протяженных сооружений на этапе обоснования инвестиций разработаны алгоритмы и программы (в среде Microsoft Excel.lnk) оценки технических показателей намечаемых вариантов в интерактивном режиме на персональных компьютерах.
В целом на базе указанных выше теоретических разработок в диссертации сформирована новая методологическая основа развития конструктивных форм линейно-протяженных инженерных сооружений, предназначаемых для перекрытия, в первую очередь, в сложных природно климатических условиях ряда регионов Российской Федерации, пролетов в сотни и тысячи метров или являющихся эстакадами сверхбольшой протяженности и виадуками.
1.4 П р а к т и ч е с к а я з н а ч и м о с т ь р а б о т ы Результаты представленного к защите исследования способствуют формированию при проектировании наиболее конкурентоспособного набора вариантов намечаемых технических решений сооружений, включающего как известные и имеющие опыт практического применения, так и новые конструктивные формы. Применение предложенной системы принципов формообразования позволяет провести на любых стадиях разработки проект ной документации многокритериальный сопоставительный анализ объектов проектирования.
Разработанную на основе анализа процессов развития конструктивных форм, опыта исследований и проектирования большепролетных и сверхпротя женных инженерных сооружений систему принципов формообразования строительных конструкций, как критериев выбора наиболее безопасных и эффективных технических решений, целесообразно использовать при проведении научно-технических экспертиз ответственных сооружений различного назначения.
Результаты диссертации использованы при разработке в МИИТ технических требований к железнодорожным сверхпротяженным эстакадам для высокоскоростной линии Москва – Санкт-Петербург (2005 г.), для предварительной проработки концептуальных решений мостового перехода через Берингов пролив, эстакад и виадуков на приполярной железнодорожной магистрали «Восток-Запад», надземных магистральных трубопроводных линий на полуострове Ямал (2006, 2007 г.г.), и используются (2008 г.) для разработки технических требований по проектированию мостов и водопропускных труб на экспериментальном участке строящейся железнодорожной линии Обская – Бованенково на полуострове Ямал.
Диссертация в значительной части своего объема может быть востребована с целью подготовки в строительных вузах учебных пособий для студентов. Материалы диссертации могут заинтересовать соискателей, аспирантов и преподавателей вузов, специализирующихся или работающих в области теории линейно-протяженных сооружений.
1.5 В о п р о с ы, в ы н о с и м ы е н а з а щ и т у На защиту выносятся результаты решения автором сформулированных в п. 1.2 задач, обеспечивающих достижение цели диссертационной работы:
1) система важнейших понятий, определяющих объекты анализа в теории формообразования строительных конструкций;
2) положение о циклическом характере процесса создания и развития конструктивных форм в строительстве и особенности реализации этого про цесса для большепролетных и сверхпротяженных инженерных сооружений;
3) система принципов формообразования строительных конструкций;
4) обоснование нового энергетического подхода к анализу предельных состояний сооружений по прочности на основе рассмотрения на уровне предложенных автором математических моделей процесса нарастания перемещений сооружения в заданных по координатам областях движения конструкций на заданных отрезках времени деформирования;
5) методика и математические модели приближенной оценки техни-ческих решений большепролетных линейно-протяженных сооружений на основе анализа «области существования пролетов конструктивной формы» и получения оперативных оценок изменений ее геометрических параметров и физико-механических характеристик конструкционных материалов;
6) оценка эффективности предложенной автором системы «принципов формообразования» для поиска и обоснования новых конструктивных форм большепролетных и сверхпротяженных инженерных сооружений.
1.6 А п р о б а ц и я р а б о т ы Представленная работа опирается на результаты научной и проектной деятельности автора по развитию известных и поиску новых технических решений линейно-протяженных сооружений, включая разработку и внедрение в практику проектирования новых расчетных методик, в том числе используемых при проектировании объектов с новыми конструктивными формами. Эта деятельность отражена в Научно-технических отчетах по законченным НИР и НИОКР, перечень которых (50 отчетов) представлен в Приложении 1 к диссертации, выполненных в период с 1967 по 2006 годы под руководством автора или с его участием.
Отчеты по НИР и НИОКР утверждены и зарегистрированы в установленном порядке. Все исследования, в том числе и поисковые, проводились в соответствии с рабочими программами. Часть из указанных выше исследований в период до 1992 г. входила в научно-технические программы отраслевого, регионального и общегосударственного уровней, что отражено в наименованиях отчетов, представленных в Приложении 1, но без ссылок на не актуальные сейчас наименования и шифры таких программ.
Наиболее интересные в концептуальном отношении исследования из этого перечня получили и продолжают получать дальнейшее развитие, и отражены ниже в главах 2, 4, 5 и 6 диссертации.
Результаты перечисленных в Приложении 1 работ обеспечили обоснование ряда новых и совершенствование некоторых известных конструктивных форм строительных конструкций и внедрены в проектирование и строительство, включая мостостроение, частично – в нормы проектирования, в методические рекомендации по проектированию. В целом результаты внедрения указанных исследований автора стали предпосылкой к апробации представленной диссертации. Диссертационная работа прошла апробацию по следующим направлениям.
Во-первых, в работе отражен опыт официального участия автора (1986 2007 г.г.) в проведении экспертиз проектов строительства, реконструкции и эксплуатации мостовых и других объектов (в том числе находившихся в аварийном состоянии), а также в проведении экспертиз при авариях сооружений и в принятии решений по ликвидации аварий или по выводу объектов из аварийных состояний (в Приложении 2 к диссертации).
Методологические положения работы непосредственно использовались автором при проведении ряда указанных выше экспертиз и подготовке экспертных заключений.
Во-вторых, основные результаты выполненных по теме диссертации НИР и положения диссертации доложены на следующих научных конгрессах, конференциях, симпозиумах международного, всероссийского и регионального уровней (все содокладчики, при их наличии, указаны в «Библиографическом указателе» диссертации):
– на международном симпозиуме IABSE (АИПК) «Основные направления развития стальных конструкций и современные методы их изготовления», Москва, 7-8 сентября 1978 г.;
– на совещании-семинаре «Исследования, разработка и внедрение висячих систем в покрытиях и инженерных сооружениях». ИАСС, Украинское РП НТО «Стройиндустрия», ГПИ «Укрпроектстальконструкция», КиевЗНИИЭП;
Киев, 20-22 октября 1982 г.;
– на 13 международном конгрессе АИПК. Хельсинки, 6-10 июня 1988 г.;
– на международном коллоквиуме АИПК «Болтовые и специальные монтажные соединения в стальных строительных конструкциях», Москва, 15-20 мая 1989 г.;
– на VII симпозиуме Международной ассоциации по гидравлическим исследованиям (МАГИ) по градирням и брызгальным бассейнам, Ленинград, мая - 05 июня 1990 г.;
– на Республиканской научно-технической конференции «Создание ресурсосберегающих машин и технологий», Республика Беларусь, Могилев, Министерство образования и науки РБ, 24-25 октября 1996 г.;
– на IV Международной конференции «Nov smery vo vrobnch technolgich' 99», Slovensk Republika, Preov, 17-18 июня 1999 г.;
– на научно-практической конференции «Проектирование и строитель ство транспортных объектов в условиях Республики Саха (Якутия)», Якутск, 20 июня 2003 г.;
– на Международной научно-практической конференции «Транссибирская магистраль на рубеже XX–XXI веков: пути повышения эффективности ис пользования перевозочного потенциала»;
Москва, МИИТ, 24-25 апреля 2003 г.;
– на Международной научно-практической конференции «Инженерное искусство в развитии цивилизации»;
Секция «Мосты, тоннели, дороги»;
Москва, 24 сентября 2003 г.;
– на научных симпозиумах «Неделя горняка»: Семинар № 6 – МГГУ;
Москва, 24-28 января 2005 г., Семинар № 10 – МГГУ, Москва, 23-28 января 2006 г., Семинар № 10 – МГГУ, Москва, – 22-26 января 2007 г.;
– на Международном научно-техническом конгрессе по безопасности «Безопасность – основа устойчивого развития регионов и мегаполисов»;
Москва, 2-16 ноября 2005 г.;
– на Международной конференции «Геомеханика. Механика подземных сооружений»;
Тула, Россия, 12-14 сентября 2006 г.;
– на научно-практической конференции «Безопасность движения поездов»;
Министерство транспорта Российской Федерации, ОАО РЖД и др.;
Москва, 26-27 октября 2006 г.;
– на научно-методической конференции «45 лет Белорусско-Российскому университету»;
Республика Беларусь, Могилев, 16 ноября 2006 г.
В-третьих, по теме диссертации автором опубликовано более 60 работ, включая монографию, а также получено 27 авторских свидетельств СССР, патентов Российской Федерации и Республики Беларусь, включенных в «Библиографический указатель» диссертации с указанием всех соавторов публикаций и изобретений. В настоящее время (2008 г.) продолжается работа по патентованию ряда разработок, представленных в диссертации «
на правах рукописи
».
1.7 Л и ч н ы й в к л а д а в т о р а Все положения диссертационной работы выдвинуты и обоснованы лично ее автором. Все материалы других авторов, использованные для обоснования положений диссертации, приведены с точными ссылками, включенными в «Библиографический указатель» диссертации. Во всех необходимых случаях отмечается уровень участия отдельных специалистов в разработке под руководством автора диссертации содержащихся в ней предложений по новым конструктивным решениям.
Представленные «на правах рукописи» в диссертации разработки по конструктивным идеям автора, не имеющие ссылок на «Библиографический указатель» и научно-технические отчеты по темам НИР или НИОКР из Приложения 1 диссертации, осуществлены автором вне научной или проектной деятельности каких-либо предприятий и учреждений.
Автор выражает глубокую благодарность всем коллегам и участникам творческих коллективов, в среде которых шел процесс формирования основных идей представленной диссертации.
1.8 С т р у к т у р а и о б ъ е м д и с с е р т а ц и о н н о й р а б о т ы Диссертация включает введение, семь глав, заключение и два приложения.
Каждая глава завершается параграфом «Выводы по главе…», а работа в целом – разделами: «Заключение», «Библиографический список» и «Приложения». В диссертации многократно используются также ссылки на монографию автора «Принципы формообразования в теории линейно-протяженных сооружений» (научно-техническое издание. – М.: Изд. «Ладья», 2006. – 512 с.), в приложениях которой содержатся разработанные автором информационно аналитические материалы, дополняющие основные положения диссертации.
Полный объем диссертации составляет 434 страницы (21,7 авторских листов), включая 61 рисунок и 17 таблиц. Основной текст (без заглавия, оглавления, библиографического указателя, рисунков и таблиц) занимает страниц, в том числе 2 приложения на 13 страницах. Библиографический указатель включает 385 источников и размещен на 42 страницах.
2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
«Введение» включает три раздела: раздел 1 «
Общая характеристика работы
» (см. выше), раздел 2 «Состояние вопроса» и раздел 3 «Основные термины, используемые в работе».
В разделе 2 «Состояние вопроса» раскрываются условия, в которых выполнялась работа, её идейные и исторические «корни», подчеркивается методологический характер работы, направленность на поиск наиболее эффективных конструктивных решений для объектов современного промыш ленного строительства в целом, мостостроения и некоторых других отраслей техники, на развитие расчетного аппарата теории сооружений, способного выполнять анализ проектов с учетом возможностей сегодняшнего уровня вычислительной техники и перспектив ее дальнейшего совершенствования.
Содержание представляемой диссертационная работа – результат обобщения деятельности автора в области теории и практики создания конструкций для различных отраслей строительства, преимущественно для мостостроения.
Основные положения диссертации сформировались в период работы автора в Центральном ордена Трудового Красного Знамени научно-исследователь ском и проектном институте строительных металлических конструкций им. Н.П. Мельникова с 1963 г. по 1993 г., в том числе в научной части института – с 1967 г. (в настоящее время – ЗАО «ЦНИИПСК им.
Мельникова»). Позже (1994–1997 г.г.) некоторые параграфы (в главах 3 и 4) диссертации были доработаны в Республике Беларусь – в Могилёвском Машиностроительном институте («ММИ», сейчас «Белорусско-Российский Университет» – «БРУ») на кафедре «Автомобильные дороги» и в Госу дарственном проектно-строительном объединении «Могилёвоблдорстрой».
В период 2000-2001 годов автор участвовал в разработке вариантов технических решений проекта однопутного железнодорожного мостового перехода через пролив Невельского (в ОАО «Институт Гипростроймост» – Москва), а в 2002 г. – в экспертизе этого проекта в составе группы специалистов Научно-исследовательского института транспортного строительства (ОАО ЦНИИС). С участием автора (как ответственного исполнителя) в ОАО «Институт «Гипростроймост» (Москва)» был выполнен анализ вариантов схем пролетных строений для мостового перехода через пролив Невельского. Рассматривались варианты сквозных балочных пролетных строений, арочных, вантово-балочных и висячих систем.
С 2002 г. по июнь 2005 г. автор вел научное сопровождение проекти рования, строительства и эксплуатации больших и внеклассных мостов в филиале ОАО ЦНИИС «НИЦ «Мосты». В период с 1998 г. по 2005 г. были разработаны, в частности, компьютерные программы интерактивного расчетного анализа конструкций на стадии «технические решения» по алгоритмам, изложенным в диссертации;
проводилось также редактирование содержания и публиковались отдельные положения работы. Деятельность автора в период 1998-2005 г.г. нашла отражение в Приложениях диссертации.
Работа в коллективе ЦНИИпроектстальконструкция им. Н.П.
Мельникова стала периодом приобщения к творческой среде, в которой активно формировалось научное мышление многих молодых специалистов и уже опытных инженеров-проектировщиков, решавших задачи создания новых конструктивных форм сооружений различного назначения, включая и мостостроение. Практически все НИР и НИОКР, выполнявшиеся в институте, в том числе исследования, проведенные с участием или под руководством автора, оказывались в значительной мере внедренными в практику. Всегда обеспечивалось не только «научное сопровождение» строительства, весьма популярное сегодня, а безусловное опережение строительства или создания конструкций машиностроения. Характерен, например, многолетний опыт института по разработке конструкций козловых кранов и кранов перегружателей больших пролетов и большой грузоподъемности для судостроения, металлургии и энергетики. Такие конструкции разрабатывались тем же коллективом специалистов, которые исследовали и проектировали пролетные строения мостов.
Основные положения этой инженерно-научной школы, основанной выдающимся российским инженером В.Г. Шуховым, были развиты во второй половине XX века в ЦНИИпроектстальконструкция коллективом ведущих специалистов института: Н.П. Мельниковым, В.М. Вахуркиным, В.В.
Кузнецовым, Б.Г. Павловым, Г.Б. Гордоном, А.Г. Соколовым, Г.Д. Поповым, Э.Я. Слонимом, Д.П. Окуловым, С.В. Осиповым, М.М. Кравцовым, Н.Н.
Стрелецким, Д.Н. Стрелецким, А.И. Голубевым, А.Ф. Лилеевым, Е.Н.
Селезневой, Н.К. Малининым, В.Я. Миллером, В.М. Лаптевым, Г.В.
Матвеевым, Ю.Р. Томлингом, П.Н. Троицким, М.Я. Лаутом, А.С. Гвамичава, А.А. Петровым, М.Г. Дмитриевым, Е.П. Морозовым. Эта школа развивается в институте и в XXI веке – коллективом инженеров и ученых, продолжающих работать «в стиле В.Г. Шухова».
Особый стиль работы В.Г. Шухова определен его биографом Г.М.
Ковельманом: «Шуховский метод синтетического решения инженерных проблем находил свое выражение в соединении теории с практикой, аналитических способов расчета с геометрическими, в совместном рассмотрении вопросов изготовления и монтажа, а также показателей технического совершенства конструкций и их экономической целесообраз ности». Г.М. Ковельман указывал, что «…под руководством Шухова спроектировано несколько сот объектов мостового типа, главным образом промышленных эстакад, путепроводов, а также железнодорожных и шоссейных мостов. Среди этих работ можно отметить построенные железнодорожные мосты больших пролетов – 55 и 85 м, а также нереализованный проект моста пролетом 106 м».
Достижения отечественных специалистов в области развития металли ческих конструкций во многом определялись многолетним творческим сотрудничеством между ЦНИИпроектстальконструкция, Кафедрой металличе ских конструкций МИСИ им. В.В. Куйбышева, в течение 35 лет возглавляв шейся одним из основателей отечественной школы металлостроительства Н.С.
Стрелецким, где вели научно-педагогическую работу профессоры Е.И. Беленя, Г.С. Ведеников, К.К. Муханов, А.И. Кикин, Б.Ю. Уваров, А.Б. Пуховский, Г.А.Гениев, и ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, где работали многие выдающиеся отечественные ученые в области теории сооружений, в том числе: В.З. Власов, А.Р. Ржаницын, В.А. Балдин, Б.И. Беляев, А.Ф. Смирнов, Б.Г. Коренев, Б.М.
Броуде, А.В. Геммерлинг, Г.Е. Бельский, И.Е. Милейковский, В.И. Трофимов.
Используя формулу проверки прочности поперечного сечения несущего элемента по критерию допускаемых нормальных напряжений, Н.С.
Стрелецкий (1926-1931 г.г.) получил теоретические выражения в виде «законов веса пролетных строений» для некоторых конструктивных форм мостовых сооружений, как функций от величин расчетного пролета и расчетной временной вертикальной нагрузки. Подставляя в формулы «законов веса» задаваемые при проектировании значения пролета и нагрузки, можно спрогнозировать ожидаемые весовые показатели проектного решения и в некоторой мере оценить его качество. Из анализа опыта создания пролетных строений металлических мостов свои «законы веса» мостовых конструкций получали и использовали при проектировании многие отечественные и зарубежные ученые-мостовики, например, Е.О.Патон, В.К. Качурин, Ф. Блейх.
Одним из итогов деятельности во второй половине XX века «треугольника» «ЦНИИПСК-МИСИ-ЦНИИСК» и руководством для будущего творчества стало издание в 1998-1999 г.г. труда «Справочник проектировщика.
Металлические конструкции» под общей редакцией В.В. Кузнецова. В разделе «Введение» справочника содержится наиболее завершенное изложение прин ципов формообразования строительных металлических конструкций (С. 8):
«… – Концентрация материалов с минимальным количеством основных несущих элементов каркаса.
– Избирательное комбинированное применение сталей различных классов прочности с использованием высокопрочного материала в тех элементах и деталях, которые обеспечивают экономический эффект для конструкции или сооружения в целом.
– Применение высокопрочной стали в крупнопролетных протяженных конструкциях и особенно в тех случаях, когда значительная часть несущей способности расходуется на поддержание собственного веса.
– Весьма эффективный прием совмещения функций в одной конструктивной форме, например, несущих и ограждающих….
– Применение предварительно напряженных конструкций…».
Реализация этих принципиальных положений в проектных решениях и на практике по существу на протяжении всех 125 лет существования института, основанного академиками В.Г. Шуховым и Н.П. Мельниковым, опирается на поиск и внедрение новых прогрессивных решений, их глубокое и разностороннее расчетное обоснование, на современные высокопроизводи тельные технологии заводского изготовления элементов металлоконструкций и монтажа сооружений с обеспечением долговременной защиты металла от коррозии. Как отмечено в работе, «…на счету института сотни уникальных сооружений, функционирующих и по сей день, – объекты металлургии, энергетики, судостроения, автомобилестроения и космического назначения, башни и мачты, резервуары и газгольдеры, мосты, монументы и памятники».
Школа мостовиков МИИТа, вместе со школой Санкт-Петербургского Университета Путей Сообщения, первого в истории России, и с учеными мостовиками других транспортных вузов и НИИ России, продолжают оказывать значительное влияние на развитие отечественного мостостроения, на выработку предложений по новым конструктивных формам мостов, унаследовав методологические концепции нескольких поколений выдающихся российских инженеров, ученых, проектировщиков, изобретателей. Это И.П.
Кулибин, С.В. Кербедз, Д.И. Журавский, Н.А. Белелюбский, П.П. Мельников, С.Ю. Витте, М.И. Хилков, Н.О.Крафт, М.С. Волков, И.А. Евневич, И.А.
Вышнеградский, Х.С. Головин, Ф.С. Ясинский, Л.Д. Проскуряков, Г.П.
Передерий, Н.Г. Гарин-Михайловский, Н.П. Меженинов, С.Г. Александров, Л.Ф. Николаи, И.П. Прокофьев, Е.О. Патон, А.В. Щусев, П.В. Щусев, С.А.
Бернштейн, И.И. Гольденблат, И.М. Рабинович, А.А. Гвоздев, Н.С.
Стрелецкий, О.В. Лужин, А.И. Синицын, С.А. Цаплин, Н.М. Митропольский, Н.И. Поливанов, В.А. Росновский, Ю.М. Сильницкий, К.Г. Протасов, Е.Е.
Гибшман, Р.А. Резников, С.А. Ильясевич, Н.П. Щапов, Г.К. Евграфов, Н.В.
Озеров, Н.Н. Богданов, П.Н. Поликарпов, С.А. Попов, А.А. Петропавловский, Б.В. Бобриков, А.А. Царьков, Н.М. Колоколов, А.А. Луга, Н.Б. Лялин, Б.Е.Улицкий, Л.М. Тауэр, К.С. Силин, К.П. Большаков, Е.И. Крыльцов, О.А.
Попов, С.Р. Владимирский. В огромном числе трудов этих и еще многих других российских инженеров и ученых-мостовиков анализ исторического опыта мирового и отечественного мостостроения сочетался с выработкой методологических концепций развития конструктивных форм мостов.
В начале нового тысячелетия продолжают совершенствоваться такие «конкуренты» или «союзники» стали, как, бетоны на основе добавок полифункционального действия, включающих микрокремнезем, в том числе высокопрочные, фибробетоны, бетоны с неметаллической арматурой, литые бетоны, в том числе для строительных конструкций атомной отрасли промышленности (бетоны жаропрочные и радиационностойкие), углепластики. Вместе с высокопрочными сталями для несущих элементов, особенно в виде цепей, и соединениями металлоконструкций на фрикционных высокопрочных болтах эти материалы открывают новые возможности для создания более совершенных строительных конструкций. При этом могут быть намечены «точки роста» новых конструктивных форм, особенно для генерации стартовых «базовых» технических решений, во многом – на основе синтеза известных конструкций и технологий, первоначально формирующихся, как правило, для удовлетворения потребностей отдельных направлений строительства.
Без инноваций, идейно опирающихся на соединение опыта нескольких отраслей техники, включая и строительство, невозможны радикальный прогресс сложившихся конструктивных форм и создание оригинальных сооружений для обслуживания новых направлений техники. Следует заметить, что развитие инновационной деятельности в России еще нуждается в совершенствовании нормативно-правовой базы.
Мостостроение, сконцентрировавшее многовековой опыт (и даже опыт тысячелетий) в создании и эксплуатации сооружений с пролетами от нескольких метров до 1991 м, могло бы на основе общих методологических подходов «передать» свои достижения для генерации новых конструктивных форм в другие области надземного, подземного, высотного, подводного строительства и, возможно, даже в судостроение. Точно также, есть что «позаимствовать» в других отраслях техники создателям мостов. Следует ожидать, что в XXI веке появятся важные результаты объединения строительных и других промышленных технологий, как одного из фундаментальных критериев формообразования, имеющего корни в мостостроении. Речь может идти, например, о решении такой актуальнейшей проблемы цивилизации, как создание безопасных в течение многих тысячелетий хранилищ (в том числе международных) высокоактивных атомных отходов и отработавшего ядерного топлива, о высотных объектах энергетики, химической промышленности, о зданиях-«небоскребах», о подводных объектах, в том числе для добычи углеводородов, возможно, о новых типах морских судов со сталежелезобетонным корпусом и, конечно, о мостовых сооружениях со сверхбольшими пролетами. Возведение таких мостов актуально для решения проблем отечественного транспортного строи тельства при освоении северных и восточных регионов Российской Федерации.
Не следует, однако, недооценивать и возможности постоянно прогрессирующего тоннелестроения – как правило, конкурента, но иногда и «соучастника» в создании сложнейших транспортных переходов. Идея сопоставления вариантов мостовых и тоннельного переходов для крупных водных преград рассматривалась в России, по меньшей мере, с начала XX века, что отражено в трудах Н.С. Стрелецкого. Нельзя исключить, что в XXI веке новое отношение к созданию в России транспортных переходов в суровых климатических и сложных гидрологических условиях через крупнейшие реки Сибири и Дальнего Востока и переходов через морские проливы (кроме перехода через Берингов пролив) даст тоннельным вариантам решающие преимущества перед вариантами мостовых переходов с пролетами более 300…600 м – при любых конструктивных формах пролетных строений. Этот вопрос в порядке предложения рассмотрен в диссертации (глава 5, п. 5.2).
Появление новых конструктивных форм любых сооружений, в том числе и мостов, должно, прежде всего, сопровождаться тщательным расчетным обоснованием критериев технической безопасности объектов, включающих новые конструктивные решения. Вполне естественно, что для такого обоснования не всегда достаточно применения нормативной базы, построенной на опыте уже существующих технических решений. Преодолевая свой «консерватизм», действующий нормативный базис обычно предлагает в случае новых конструкций восполнить свои пробелы проведением специальных НИР и НИОКР. Эти исследования должны опираться на общие положения теории сооружений и вытекающие из них математические модели объектов с подтверждением теоретических результатов физическим моделированием различных уровней структуры и масштабов новых конструкций и их натурными испытаниями, а также мониторингом объектов строительства.
К сожалению, вступив в XXI век, проектировщики сооружений (в первую очередь, разработчики новых конструктивных форм) не могут быть удовлетворены уровнем обоснования технических решений, опирающегося на концептуальные положения «метода расчета по предельным состояниям». Этот прогрессивный подход был разработан в СССР при поддержке Отделения технических наук АН СССР еще в 1944-1954 годах и принят в качестве методологической основы для оценки безопасности конструкций в отечественной системе «Строительных норм и правил» (СНиП). Постепенно развиваясь (вплоть до 90-х годов XX века), методика расчета сооружений по предельным состояниям вошла во многих странах мира в нормативные документы по строительству.
Однако главные инженеры проектов, передавая проекты заказчикам для осуществления, расписываются лишь в том, что их продукция соответствует всему комплексу нормативных требований и стандартов. Для иллюстрации этого утверждения в проектную документацию включаются расчетные листы, отражающие важнейшие данные о предполагаемых (в смысле: рассчитанных по нормативной методике и (или) более детально – на ЭВМ) «предельных» напряженно-деформированных состояниях несущих элементов, о максимальных перемещениях конструкции в целом и о нормативных показателях общей устойчивости сооружения. Все вероятностные предпосылки проектных расчетов остаются скрытыми в параграфах норм и в стандартах. Поэтому при разработке проектов мониторинга эксплуатируемого сооружения отсутствует, в лучшем случае частично, очень сложно воспроизводимая вероятностная основа проектного решения для ее сопоставления с фактическими, измеряемыми в натуре параметрами текущего состояния конструкций. У проектировщика, с одной стороны, остается возможность для создания не обоснованных избыточных резервов несущей способности и долговечности сооружения. С другой стороны, прежде всего при внедрении новых конструктивных форм, из-за отсутствия опыта применения аналогичных решений, не исключается угроза недооценки при проектировании разнообразия, характера и уровней внешних воздействий – особенно комплекса опасных природных воздействий, а также параметров деградации во времени конструкционных материалов.
Разработка методик и алгоритмов решения задач механики разрушения конструкций будет способствовать применению в исследованиях, при проектировании, строительстве и мониторинге сооружений «науки о риске».
Проблема оценки природного и техногенного риска обсуждается в научно технической литературе по строительным конструкциям уже более 20 лет. Ряд отечественных коллективов и специалистов считают необходимым ввести национальные (российские) стандарты риска в развитие положений Федерального закона «О техническом регулировании» от 27 декабря 2002 г. № 184-ФЗ. Но перевод проектирования инженерных сооружений на прямые оценки рисков, особенно для новых технических решений, – сложнейшая проблема. Для ее решения необходимо углубление анализа процессов разрушения строительных конструкций. В этой проблеме новым для специалистов различных отраслей техники является необходимость при создании общих и специальных технических регламентов рассматривать, согласно Федеральному закону № 184-ФЗ, технические требования к объектам (в том числе к сооружениям в строительстве), в первую очередь, как ограничения нормативно-правового характера, а не только как нормативно технические критерии и ограничения, какими являются существующие нормативные документы и, в частности, система СНиП.
В разделе 3 «Введения» представлена уточненная терминология теории формообразования строительных конструкций. Уточнения сделаны для достижения большей четкости изложения особенностей возведения, опыта эксплуатации, процессов ремонта и реконструкции сооружений, а также вопросов теории сооружений. Уточнение терминологии проведено по направлению «от простого – к сложному» в части определения системы важнейших понятий: «несущий элемент», «вспомогательный элемент», «конструкция», «конструктивная форма», «сооружение», «комплекс сооружений», «процесс формообразование», «пролет сооружения» и др.
Глава 1 «Процесс формообразования строительных конструкций инженерных сооружений» раскрывает отношение автора к процессу создания и развития конструктивных форм сооружений различного назначения (рис. 1).
Проявление этого процесса показано на ряде примеров из близкой автору области мостостроения, рассмотренных в этой главе.
В основном разделе главы 1 (п. 1.1 «Циклический характер процесса формообразования») формообразование рассматривается как циклический процесс, повторяющийся на каждом конкретном сооружении и, благодаря этому, протекающий и развивающийся во времени.
В п. 1.2 «Этапы циклов в процессе формообразования» даются определения этапов цикла.
1 этап Предпосылки 2 этап Создание новых конструктивных форм 3 этап Инновационный проект 4 этап Инженерный проект 5 этап Рабочее проектирование 6 этап Подготовка к осуществлению проекта 7 этап Изготовление элементов конструкций и их доставка на площадку строительства 8 этап Строительство 9 этап Эксплуатация до капитальных ремонтов 10 этап Капитальные ремонты и эксплуатация после капитальных ремонтов 11 этап Реконструкция и эксплуатация после реконструкции 12 этап Полное прекращение эксплуатации Рисунок 1. Полный цикл формообразования строительных конструкций В п. 1.3 «Особенности циклов формообразования» раскрывается специфика каждого этапа и рассматриваются условия и возможности перехода процесса от этапа к этапу.
В п. 1.4 «Информационная среда создания и развития конструктивных форм» рассматривается информационная основа процесса формообразования, способствующая появлению и реализации новых технических идей в области строительных конструкций и технологий.
В главе 2 «Система принципов формообразования строительных конструкций и особенности ее применения для проектирования сложных инженерных сооружений» вводится и обосновывается комплекс из двенадцати принципов формообразования, включающий группу логически взаимно ортогональных» критериев оценки новой конструктивной формы, которые определяют ее безопасность и эффективность для внедрения в строительство.
В п. 2.1 «Система принципов формообразования» указывается, что принципы формообразования – это критерии выбора, критерии принятия решений при создании строительных конструкций сооружения из набора некоторой совокупности конструктивных форм, как уже известных, так и новых, только начинающих свой путь в процессе формообразования. В диссертацию включены определения всех 12 выдвинутых принципов, но подробно рассматриваются и обосновываются только 7 принципов: «безопас ности», «самосохранения», «управляемости», «композиции конструкционных материалов», «структурирования», «энергоемкости», и «объединения технологий» – как наиболее важные и интересные непосредственно для выбора направлений в процессе проектирования и для решения конкретных задач разработки конструктивных форм с учетом технологических возможностей их реализации для конкретных объектов строительства.
Принцип безопасности Конструктивные формы сооружения должны разрабатываться, проектироваться и осуществляться с такими геометрическими параметрами пролетов, габаритов, профиля, плана, с физико-механическими характеристиками конструкционных материалов, с включением, возможно, резервных элементов и связей, которые необходимы и достаточны для обеспечения экологической и технологической безопасности объекта по отношению:
– к жизни и деятельности людей в зоне влияния сооружения, – к технологическим процессам возведения, эксплуатации, ремонтов, реконструкции и демонтажа сооружения, – к другим техническим системам и природным процессам, области и характеристики неблагоприятного воздействия которых могут в особых случаях включать рассматриваемое сооружение.
Проектирование сооружений или комплексов сооружений для обеспечения их безопасности на стадиях строительства и эксплуатации должно включать разработку систем мониторинга и, при необходимости, систем управления состоянием ответственных несущих и ограждающих конструкций.
Принцип конкуренции При выполнении заказа на сооружение необходима позитивная многокритериальная конкуренция конструктивных форм. К рассмотрению следует принимать все варианты проектных решений, допустимые по условиям обеспечения безопасности строительства и эксплуатации, с точностью до степени определенности технического задания на возведение или реконструкцию сооружения. В каждом конкурирующем варианте должны учитываться и, по возможности полнее, соблюдаться условия интеграции сооружения в более сложные природно-технические системы.
Принцип экономичности При создании сооружения необходимо стремиться к оптимизации по экономическим критериям совокупности его конструктивных форм.
Многокритериальная экономическая оптимизация должна совместно рассматривать все этапы создания, проектирования, возведения (с учетом возможной очередности ввода) и многофункциональной эксплуатации сооружения.
Задачу оптимизации необходимо решать с учетом сценариев поведения сооружения при его эксплуатации. Такие сценарии должны отражать варианты изменения во времени технических, экономических, природных и социальных условий работы сооружения и его обслуживания. В алгоритмах оптимизации необходимо увязывать выбор конструкционных материалов и их распределение в сооружении с достижением согласованного оптимума экономических критериев при различных (прежде всего, нормативных) сценариях эксплуатации объекта. Функции ограничений в алгоритмах оптимизации технических решений сооружений по экономическим критериям должны отражать работу объектов в составе более сложных технических и природно-технических систем.
Следование принципу экономичности должно обеспечивать достаточный уровень экономической безопасности сооружения при соблюдении всех критериев его технической и экологической безопасности.
Принцип энергоемкости Конструирование должно быть направлено на минимизацию внутренней потенциальной энергии деформации, накапливаемой в сооружении от его собственного веса, усилий регулирования напряженного состояния и внутрен них остаточных напряжений, возникших при изготовлении конструкций – в сумме всеми несущими элементами всех его конструктивных форм при всех возможных сочетаниях постоянных и временных нагрузок и воздействий.
Принцип управляемости Для достижения и сохранения требуемых эксплуатационных параметров, обеспечения надежности и повышения эффективности использования сооружения в его техническую систему могут включаться специальные несущие и вспомогательные элементы конструктивных форм, а также специальное оборудование, обеспечивающие управление при строительстве, эксплуатации и реконструкции сооружения:
– напряженно-деформированным состоянием несущих элементов, – реакциями внутренних и внешних связей, – кинематикой и физическими свойствами внутренних и внешних связей, – геометрией структуры и размерами элементов, их физико-техническими характеристиками, – изменением параметров внешних природных воздействий на сооружение через преобразование конфигурации ряда вспомогательных элементов и (или) режимов работы специального оборудования, – интенсивностью постоянных и временных нагрузок и воздействий, структурой и скоростями потоков временных нагрузок от транспортных средств, пешеходов, транспортируемых продуктов, – изменением гидрологических режимов эксплуатации сооружения, – движением транспорта по пересекаемым и параллельным транспортным коммуникациям.
Принцип самосохранения Несущие элементы конструктивных форм должны обладать определен ными ресурсами поглощения и рассеивания энергии в процессах своего необратимого деформирования (разрушения) независимо от причин, вызвавших развитие таких процессов. Эти ресурсы обеспечиваются:
– достаточной пластичностью, термостойкостью, огнестойкостью и радиационной стойкостью конструкционных материалов, – подбором композиции конструкционных материалов несущих элементов, – конструктивным решением внешних и внутренних связей, соединений, деталей, в том числе устройством переменных или односторонних связей, – устройством вспомогательных (защитных) элементов с большими ресурсами отражения, поглощения и рассеивания энергии, – формой несущих элементов, не допускающей опережающую местную потерю устойчивости равновесия их деталей, – структурой несущих элементов и их деталей, последовательно придающей разрушению многомасштабный характер с постепенным распространением повреждений от мелких локальных областей на все более обширные фрагменты сооружения, – дублированием ответственных несущих и некоторых вспомогательных элементов конструктивных форм, а также деталей связей.
Принцип технологичности Все несущие и вспомогательные элементы и их детали должны иметь геометрическую форму, отношения размеров, увязанные допуски, качество материалов, обеспечивающие на этапах изготовления конструкций, их транспортировки, монтажа, эксплуатации, ремонтов, реконструкции приме нение технологических процессов, наиболее эффективных по безопасности, качеству, производительности и экономичности своего осуществления.
Принцип объединения технологий Для наиболее рационального применения, особенно в сложных условиях возведения и эксплуатации сооружений, их конструктивные формы целесообразно создавать и развивать, частично или полностью используя (модифицируя) технические решения несущих и вспомогательных элементов, относящиеся к строительным объектам различных классов, при необходимости заимствуя эффективные конструкционные материалы, соответствующие способы изготовления, технологии монтажа, системы контроля качества и организацию длительной эксплуатации конструкций этих классов. Аналогично, в интересах развития строительных конструкций, целесообразно применять в них отдельные конструктивные решения, конструкционные материалы и технологии из других областей техники.
Принцип композиции конструкционных материалов Для достижения максимальной эффективности конструктивные формы должны включать определенные наборы материалов, применяемых для создания несущих и вспомогательных элементов. При этом каждый материал, включаемый в композицию, должен в наименьшей степени проявлять собственные недостатки и в наибольшей – компенсировать недостатки других материалов композиции.
Принцип структурирования Конструктивная форма должна обладать достаточной по сложности и числу уровней иерархической структурой несущих элементов, чтобы исключать возникновение каскадных процессов разрушения и не допускать реализацию общего разрушения макроэлементов структуры или проявление форм общей потери устойчивости конструкции, опережающих развитие местных деформаций и локальных форм неустойчивого равновесия несущих элементов. Структурирование направлено:
- на обеспечение качественного по точности и уровню остаточных напряжений изготовления деталей и монтажных блоков, - на достижение максимальной простоты транспортировки и сборки конструкций, - на выбор и реальное достижение такой геометрии и такого количества и взаимного расположения элементов конструктивных форм с различными уровнями напряженно-деформированного состояния и комбинациями материалов, которые необходимы для нормальной эксплуатации сооружения.
Принцип совмещения функций При создании сооружений целесообразно отыскивать технические решения, в которых элементы конструктивных форм при возведении и экс плуатации объектов способны всегда одновременно или по мере необходимо сти выполнять несколько конструктивных и (или) технологических функций.
Принцип эстетичности В результате проектирования, строительства или реконструкции сооружения должно достигаться органическое единство его архитектурной и конструктивных форм. Внешний и внутренний облик сооружения и его функционирование не должны порождать отрицательных эмоций, в худшем случае оставляя некоторую часть пользователей невосприимчивой к «языку» архитектуры. Вместе с тем, притязания архитекторов не должны беспредельно принижать и, тем более, подрывать все другие принципы формообразования строительных конструкций.
Разумеется, возможны и другие «ортогональные», по аналогии с математикой, представления принципов формообразования, не обязательно в «двенадцатимерном пространстве», но всегда в форме, доступной для понимания и освоения инженерами-строителями. В полном объеме система принципов формообразования рассмотрена в указанной выше монографии автора и включает также принципы «экономичности», «конкуренции», «технологичности», «совмещения функций» и «эстетичности». Каждому из представленных в диссертации принципов посвящается один из параграфов главы 2 (п.п. 2.2…2.8). Устанавливается связь выдвинутых принципов с «общей теорией технических систем», с «теорией решения изобретательских задач» и с основами конструирования в машиностроении.
Выработка обобщенных принципов формообразования строительных конструкций для оценки результатов создания новых конструктивных форм вытекает из научно-исследовательской и проектной деятельности автора.
Представленная работа использует опыт генерации технических решений: с участием автора обоснованных и внедренных в практику, или предлагаемых, в том числе уже находящихся на этапах оформления патентов или внедрения. В первую очередь, это относится к наиболее близкой автору области – разработке проектов и созданию в составе творческих коллективов: мостов, включая трубопроводные – с большими и сверхбольшими пролетами, мостовых переходов большой протяженности, к разработке и доведению до уровня серийных специальных сборно-разборных временных мостов и инженерных механизированных мостов, а также: металлических (вантовых) башенных градирен (для ТЭЦ и АЭС), козловых кранов грузоподъемностью до 1000 т пролетами до 120 м (судостроительных и для монтажа конструкций строящихся АЭС), кранов-перегружателей (для ТЭЦ), подкраново подстропильных ферм каркасов зданий металлургических комбинатов и заводов металлоконструкций, коробчатых подкрановых балок вододелителя в дельте р. Волги, висячего и передвижного рамного вариантов защитного покрытия для отсыпки глинистого ядра плотины Рогунской ГЭС и др.
Отработка важнейшего в теории формообразования «принципа безопасности» проходила на основе опыта автора в проведении экспертиз проектов строительства, реконструкции и эксплуатации мостовых и других объектов (в том числе находившихся в аварийном состоянии), а также в проведении экспертиз при авариях сооружений, в принятии решений по ликвидации аварий или по выводу объектов из аварийных состояний.
В п. 2.9 рассмотрены примеры и возможности реализации принципов формообразования при разработке новых конструктивных решений несущих элементов металлических, сталежелезобетонных и железобетонных конструкций. В частности, в п.п. 2.9.1 представлена разработка: «Цепные несущие элементы из универсального листового проката высокопрочных сталей» (рис. 2). В п.п. 2.9.2 рассмотрена новая конструктивная форма:
«Двухстержневые пояса главных ферм сквозных металлических пролетных строений мостов» (рис. 3). В п. 2.9.3 дано подробное описание патентов России (RU 2181406) и Республики Беларусь (BY 4082), полученных (2002 г.) на устройство: «Композитный несущий элемент строительных конструкций» (сокращено: «КНЭСК» – см. рис. 4, 5, 6), что стало результатом проведения поисковой НИР (1997 г.) с участием автора диссертации в качестве руководителя раздела темы) в Могилевском машиностроительном институте Республики Беларусь (сейчас – Белорусско-Российский Университет). Патент BY 4082 внедрен в мостостроение Белоруссии и намечается применение патента RU 2181406 в России.
КНЭСК (рисунки 4-6) состоит из металлической оболочки 1, заполнителя (на рисунках 4 и 5 заполнитель, как правило, бетон, не показан), упрочняющих элементов 2, образующих полости ломаным очертанием их свободных краев с гладкими участками, арматуры 3, расположенной в полостях упрочняющих элементов 2 и вдоль них. Арматурные стержни 3, направленные вдоль упрочняющих элементов 2 и находящиеся к ним вплотную, расположены сбоку (или над ними) и жестко к ним прикреплены на гладких участках наибольшего удаления упрочняющего элемента 2 от оболочки 1.
Дополнительные арматурные стержни 4 направлены вдоль упрочняющих элементов 2. КНЭСК может быть снабжен дополнительными упрочняющими элементами 5, расположенными с одной или обеих сторон оболочки и направленными под углом, в крайнем случае, прямом, к упрочняющим элементам 2. Для улучшения сцепления металла и заполнителя, на металлоконструкцию может наноситься изоляция.
В КНЭСК сочетаются следующие эффективные конструктивные идеи:
– создание для композиции «металл-заполнитель» металлических матриц-оболочек с любой развертывающейся срединной поверхностью, и не только цилиндрической;
из развертывающихся фрагментов таких оболочек могут формироваться сложнейшие матрицы оболочек любой конфигурации (в том числе тороидальные), а скачки кривизны в стыках фрагментов не порождают существенных концентраторов, будучи скрытыми в толще заполнителя;
– к оболочкам очень удобно жестко прикреплять необходимые различные диафрагмы (возможно, также из КНЭСК) и мощные подкрепляющие элементы, формирующие вместе с оболочками КНЭСК развитую структуру сооружения;
– металлическая оболочка указанной системы, если она специально не перфорируется, создает мощный герметичный барьер, препятствующий переносу сыпучих, жидких и (или) газовых сред, разделяемых создающейся строительной конструкцией;
для оптимизации несущих конструкций из КНЭСК их металлическая часть может иметь любые необходимые изменения толщины, прочностных характеристик и диаметров арматуры конструктивных деталей, а вместе с этим – и любые изменения толщины заполнителя (и даже его физико-механических и других физических характеристик);
– металлическая оболочка КНЭСК вместе с упрочняющими элементами и арматурой создает мощный радиационный барьер, встречая всей поверхностью металлических элементов проникающее через заполнитель излучение и радионуклиды;
– заполнители по обе стороны от оболочки при необходимости могут иметь принципиально различные составы и различные периоды своего формирования;
наружные поверхности заполнителей могут быть покрыты (обработаны) специальными материалами, увеличивающими адгезию и (или) повышающими водонепроницаемость заполнителей, что избирательно повышает качество КНЭСК как инженерного барьера;
– заводское изготовление монтажных блоков и сборка из них конструкций на строительной площадке выполняются преимущественно на автоматической или полуавтоматической сварке, но, вместе с тем, в суровых условиях строительства оказывается весьма эффективной сборка блоков на высокопрочных болтах;
– арматурные сетки на сварке удобным образом крепятся к матрице оболочке через металлические ребра жесткости, образуя и без заполнителя достаточно прочный и устойчивый пространственный несущий каркас, удерживающий заполнитель на значительном пролете, например «свежий» бетон, и без набора этим заполнителем прочности;
– для ребер жесткости, устанавливаемых вдоль образующих срединной поверхности оболочки, достигается безотходный раскрой листового проката;
– благодаря «зигзагообразности» ребер жесткости заполнитель (например, бетон – в том числе легкий, высокопрочный) не имеет полных разрывов сплошности: ребра не разделяют заполнитель на механически не связанные области;
– оболочки из КНЭСК могут иметь высокие показатели сопротивления тепловым (особенно локальным) воздействиям вследствие возможности быстрого отвода и перераспределения тепловых потоков, подводящихся к оболочке с любого направления – благодаря наличию мощной металлической структуры с большой зоной контакта с наружным теплостойким материалом заполнителем;
– оболочки из КНЭСК, приемлемые по стоимости, при соответствующем выборе геометрии и назначении вполне доступных физико-механических характеристик металла и заполнителя, а также при качественном исполнении, в принципе, могут сохранять необходимую прочность, устойчивость, высокое сопротивление ударно-волновым воздействиям и достаточную коррозионную долговечность (в том числе и при радиационных воздействиях): при работе как подземные объекты – на неограниченных реально достижимых глубинах, как подводные объекты – на глубинах в сотни и тысячи метров;
– возможно несколько технологий создания оболочек из КНЭСК;
для подземных условий наиболее просто собирать на сварке стальной каркас непосредственно в вертикальном стволе (или опускать в ствол для стыковки укрупненный монтажный блок, предварительно собранный на поверхности с минимальным объемом сварки под землей);
– бетонирование КНЭСК целесообразно вести под землей в скользящей или переставной опалубке;
возможно создание сборных сталежелезобетонных стволов, секции которых изготавливаются на поверхности и последовательно опускаются на проектные отметки козловым краном большой грузоподъемности;
оболочки из КНЭСК или их крупные фрагменты для подводного применение проще всего изготавливать на берегу в сухом доке и доставлять водным путем к месту затопления;
– металлическая оболочка из КНЭСК исполняет функцию «остающейся несущей опалубки»;
– в подземном и надземном исполнении из КНЭСК при соответствующем обосновании могут возводиться обделки и перекрытия;
в подводном исполнении из КНЭСК могут создаваться тороидальные оболочки;
– секции из КНЭСК могут иметь дополнительные переборки и продольные перегородки, разделяясь на изолированные каналы и отсеки;
секции могут иметь поверхности усеченных слабоконических, а на их основе – и эллипсоидальных оболочек (в однослойном и особенно в двухслойном исполнении применимых для надводного и подводного судостроения), в том числе предназначаемых для транспортировки и длительного хранения углеводородов.
Рисунок 2 – Главное звено цепи сечением 600х40 мм из универсального листового проката высокопрочной стали Рисунок 3 – Пространственная композиция деталей узла двухэлементного нижнего пояса главной фермы (вертикальная поперечная узловая диафрагма и примыкание поперечной балки к узлу не показаны) Рисунок 4 – Общий вид металлической составляющей композитного несущего элемента, собранной на плоском листе с двухсторонними подкрепляющими элементами и арматурой Рисунок 5 – Металлическая составляющая композитного несущего элемента с односторонними подкрепляющими элементами и арматурой над ними Рисунок 6 – Сечение КНЭСК вдоль упрочняющих элементов при одностороннем расположении упрочняющих элементов и заполнителя В п.п. 2.9.4 представлена разработка: «Вертикальные завесы (ВЗ) и фундаменты из рядов свай-оболочек и буровых свай». В этом предложении показан эффект применения «принципа объединения технологий». Важными положительными свойствами сооружений типа ВЗ по предложенному способу и структуре формообразования являются, наряду с непроницаемостью, радиационной стойкостью и большой долговечностью:
– высокое сопротивление ударно-механическим подземным и приповерхностным воздействиям природного и техногенного характера;
– большая несущая способность в вертикальном и горизонтальном направлениях;
– возможность обеспечивать одностороннюю разработку грунта с перепадом отметок до 8…10 метров без дополнительного крепления в горизонтальном направлении;
– возможность создания подземных промышленных сооружений и хранилищ на отметках до 40…45 м ниже естественной поверхности грунта.
Эти свойства, с учетом наличия широко освоенных в современном строительстве технологий возведения свайных фундаментов, позволяют применять ВЗ в различных технических решениях защитных, транспортных, гидротехнических и очистных сооружений, в том числе и реконструиру емых, а также возводимых в сжатые сроки или восстанавливаемых при ликвидации последствий аварий АЭС или предприятий химической промышленности.
В двух первых параграфах главы 3 «Общие особенности формообразования большепролетных сооружений» рассмотрены важнейшие конструктивно-технологические особенности большепролетных сооружений (п. 3.1) и области возможных пролетов линейно-протяженных сооружений, определяемые из условий прочности и общей устойчивости несущих элементов (п. 3.2). В п. 3.2 диссертации, рассматривая предельные неравенства прочности и устойчивости, характерные для современного нормативного подхода с позиций «теории предельных состояний», получены обобщенные неравенства ограничений пролета линейно-протяженных сооружений по условиям прочности и общей устойчивости несущих элементов. Эти неравенства позволяют в интерактивном режиме оперативно получать ожидаемые технико-экономические показатели пролетных строений любых конструктивных форм, варьируя прочностные, геометрические и весовые параметры несущих и вспомогательных элементов сооружения для заданного и любого другого пролета, находящегося внутри или на границе области существования пролетов рассматриваемой конструктивной формы.
В п. 3.3 рассмотрено само понятие «большой пролет сооружения», которое получило энергетическую трактовку. Внимание к взаимозависимости нагрузки на мост и размера его главного пролета естественно для решения проблем выбора и обоснования новых конструктивных форм в мостостроении, где с увеличением пролетов, требуемых для перекрытия преграды, быстро нарастает стоимость создаваемого сооружения, усложняется проектирование и постепенно уменьшается выбор конструктивных форм, обеспечивающих достижение приемлемых результатов. «Большими» условно назовем пролеты (Lb), допустимые по критериям прочности и общей устойчивости несущих элементов конструкций, при которых суммарная внутренняя потенциальная энергия деформации от расчетных постоянных нагрузок и воздействий регулирования усилий и реакций (U1) не меньше возможного наибольшего приращения (max Up) потенциальной энергии деформации при загружении конструкции расчетной временной нагрузкой, то есть должно соблюдаться неравенство: U1 max Up. В п. 3.4 получены обобщенные неравенства ограничений пролета линейно-протяженных сооружений по условиям прочности и общей устойчивости несущих элементов. В п. 3.5 «Примеры определения области возможных пролетов линейно-протяженных конструкций» получены формулы определения области возможных пролетов простейших линейно-протяженных конструкций (разрезной балки, балки со шпренгелем и кабеля, провисающего по схеме «гибкой нити»). Автором на базе результатов главы 3 разработан комплекс компьютерных программ на Microsoft Excel.lnk, обеспечивающий в интерактивном режиме оперативный приближенный подбор сечений и определение основных технико экономических показателей сплошностенчатых и сквозных (разрезных и неразрезных) балочных, висячих, арочных и других систем мостовых сооружений – автодорожных, железнодорожных и совмещенных. Из-за большого объема описание этого комплекса не включено в диссертацию.
В главе 4 «Конструктивные формы висячих мостов и методика интерактивного численного анализа их прочности и деформативности» в п.
4.1 рассмотрены возможные направления развития конструктивных форм висячих мостов с учетом особенностей сопротивления системы висячего моста временным нагрузкам и воздействиям. В п.п. 4.2-4.13, в развитие положений главы 3, дается методика оценки возможностей перекрытия висячими мостами пролетов в сотни и тысячи метров при соблюдении требований прочности и жесткости пролетных строений и обеспечения прочности и общей устойчивости пилонов. По этой методике автором создана компьютерная программа на Microsoft Excel. lnk, позволяющая на этапе обоснования инвестиций приближенно оценить в интерактивном режиме ожидаемые технико-экономические показатели висячего моста для любого заданного набора потребительских свойств. Алгоритмы, реализованные в этой программе, составляют содержание п.п. 4.10-4.13.
В главе 5 «Особенности выбора конструктивных форм для линейно протяженных сооружений больших и сверхбольших пролетов» в п. 5. рассмотрены вопросы конкуренции между мостами вантовых и висячих систем, проведен анализ возможных перспективных направлений развития отечественного транспортного строительства в области преодоления сложных преград большой протяженности. Сделаны ссылки на опубликованные работы автора (в том числе и на совместные публикации), в которых предложены схемы совмещенных и автодорожных мостов с висячими и другими комбинированными системами повышенной жесткости.
Предлагаемые решения могут быть перспективными для внедрения, в частности, на мостовых переходах в створах р. Лены у Якутска, р. Алдан в Республике Саха (Якутия), для одного из вариантов мостового перехода в районе пролива Невельского и для мостовых перехода через пролив Лаперуза и Берингов пролив. В п. 5.2 рассмотрены вопросы конкуренция мостов больших и сверхбольших пролетов с подводными тоннелями, в том числе и с предлагаемым новым принципиальным техническим решением подводных тоннелей без припортальных выемок. В п. 5.3 представлено предлагаемое автором концептуальное решение совмещенного висячего моста сверхбольшого пролета.
Одним из подходов к увеличению не только вертикальной, но и пространственной жесткости висячих мостов может стать разработка проекта совмещенного моста на основе принципиальной схемы таких сооружений, показанной для фасада моста сверхбольшого пролета (4000 м) на рисунке 7.
Основная конструктивная идея такого сооружения заключается в применении модификации многокабельного решения с закреплением концов дополнительных кабелей на ферме жесткости. Главные кабели имеют суммарное поперечное сечение, достаточное только для восприятия их собственного веса и примерно половины суммы постоянных и временных вертикальных нагрузок, которыми можно, в соответствии с требованиями технических условий проектирования, загрузить пролет моста в наибольшей мере. Остальная часть вертикальной нагрузки передается на подсистему вспомогательных кабелей и растянуто-изогнутой фермы жесткости. Для монтажа такой системы к главным кабелям сначала подвешивается примерно средняя третья часть от полной длины фермы и дальше монтаж продолжается от средней зоны пролета к пилонам.
Поисковые исследования по созданию эффективных висячих систем сверхбольших пролетов проводятся автором с 1971 г. Ферма жесткости, прикрепленная неподвижно к кабелям в пролете моста, оказывается упруго защемленной от углов поворота в плане. Эта идея для трубопроводных мостов была реализована путем неподвижного прикрепления фермы жесткости к ветровым поясам в середине пролета (а. с. СССР № 391218, г.), что образовало между кабелями и фермой мощную пространственную моментную связь и обеспечило повышение ресурса аэродинамической устойчивости сооружения. Построенные на основе внедрения изобретения по а. с. № 391218 трубопроводные переходы через Амударью пролетом 660 м и через Днепр пролетом 720 м эксплуатируются и в XXI веке. Закрепление фермы в примыкающих к ней коротких кабелях по рис. 7 также создает в плане несколько жестких моментных прикреплений, реализующих ту же идею, что и указанное выше изобретение. Стремление к повышению изгибной и крутильной жесткости висячей системы приводит к конструктивным формам многокабельных мостов, в которых отдельные кабели прикрепляются через наклонные подвески (или непосредственно) как к верхнему, так и к нижнему поясам главных ферм. В таких мостах для разрядки больших продольных температурных перемещений пролетного строения целесообразен переход к двухъярусному расположению продольных балок над поперечными и к применению в их контактах специальных опорных частей. Ориентация на висячие системы с усложненной структурой актуальна для создания висячих железнодорожных и совмещенных мостов с главными пролетами до 700..1200 м.
В главе 6 «Особенности разработки и выбора конструктивных форм для транспортных эстакад» в п. 6.1 рассмотрены области применения транспортных эстакад большой и сверхбольшой протяженности. В п. 6. проведен анализ параметров конструктивных форм эстакад для скоростного пассажирского транспорта на основе разработанного автором алгоритма. В п.
6.3 рассмотрены особенности развития конструктивных форм пролетных строений эстакад монорельсовых транспортных систем в условиях России.