Диссертация (Применение трубобетонных конструкций с оболочкой из полимерных композиционных материалов при строительстве малых мостов)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕУЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ«МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ)»На правах рукописиМихалдыкин Евгений СергеевичПРИМЕНЕНИЕ ТРУБОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ОБОЛОЧКОЙ ИЗПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИСТРОИТЕЛЬСТВЕ МАЛЫХ МОСТОВ05.23.11 Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов,мостов и транспортных тоннелейДиссертацияна соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:кандидат технических наукдоцент Валиев Ш.Н.Москва – 20202ОГЛАВЛЕНИЕОглавление ............................................................................................................. 2Введение.................................................................................................................

4Глава 1. Обзор и анализ существующих исследований трубобетонныхконструкций ................................................................................................................... 101.1 История появления и исследования трубобетонных конструкций ........ 101.2 Область применения трубобетонных конструкций со стальнойоболочкой................................................................................................................................................................

151.3 Подходы к расчету трубобетонных конструкций с металлическойоболочкой................................................................................................................................................................ 181.4 Исследования трубобетонных конструкций с полимернойкомпозитной оболочкой ............................................................................................................................... 231.5 Применение трубобетонных конструкций с полимерной композитнойоболочкой. ..............................................................................................................................................................

33Выводы по первой главе ................................................................................................................ 39Глава 2. Разработка методики расчета сжато-изгибаемой трубобетоннойконструкции с полимерной композитной оболочкой................................................ 402.1 Анализ существующих методик расчета изгибаемых и сжатоизгибаемых трубобетонных конструкций с полимерной композитной оболочкой.........................................................................................................................................................................................

402.2 Разработка методики расчета ............................................................................................. 47Выводы по второй главе ................................................................................................................ 55Глава 3. Постановка эксперимента ...................................................................

573.1 Исходные предпосылки.......................................................................................................... 573.2 Испытания первой партии конструктивно-подобных образцов. ............. 603.3 Испытания второй партии конструктивно-подобных образцов............... 74Выводы по третьей главе ............................................................................................................... 823Глава 4. Верификация методики расчета ......................................................... 834.1 Исходные параметры для проведения верификации ........................................ 834.2 Верификация методики расчета ....................................................................................... 894.3 Требования к предельно-допустимым дефектам оболочки .........................

934.4 Анализ надежности исследуемых конструкций ................................................... 954.5 Наблюдение за пилотным сооружением .................................................................... 98Выводы по четвертой главе ...................................................................................................... 101Заключение и основные выводы ..................................................................... 102Список использованной литературы............................................................... 105Приложение А. Список работ, опубликованных автором, по теме научноквалификационной работы .........................................................................................

112Приложение Б. Реализация разработанной методики определения несущейспособности сжато-изгибаемой трубобетонной конструкции на языке python 3.5....................................................................................................................................... 115Приложение В. Технико-экономическое сравнение исследуемойконструкции сооружения с традиционными решениями ....................................... 1254ВВЕДЕНИЕАктуальность темыАктуальность разработки новых конструктивных решений для возведениямалых мостов, позволяющих снизить стоимость и сроки строительства, а такжеувеличить срок службы сооружений, обоснована состоянием мостового паркаавтомобильных дорог Российской Федерации.

По данным Росстата, состояниеболее 500 постоянных сооружений оценивается как аварийное. Кроме того,большую проблему вызывают временные сооружения, такие как деревянные мостыс ограниченным сроком службы. Если в Ульяновской области число деревянныхмостов составляет 79 шт., то в Хабаровском крае их уже 706 шт. Как указано ввыводах международного рейтинга Global Competitiveness Report Всемирногоэкономического форума 2019, Российская Федерация по качеству дорог занимает99-е место из 141. Косвенно нехватку мостового парка можно оценить поколичеству постоянно действующих переправ – 257 летних и 3 500 зимних, а такжепо величине транспортного перепробега – 70-80% для Москвы и не менее 50% повсей России. С другой стороны, актуальность исследования ‒ применениеполимерных композитных материалов в строительстве ‒ подтверждаетсявключениемданнойтемывГосударственнуюпрограмму«Развитиепромышленности и повышение её конкурентоспособности» [2].Остротапроблемыподтверждаетсявсестороннимобсуждениемонеобходимости включения программы «Мосты и путепроводы» в составНационального проекта «Безопасные и качественные автомобильные дороги»(БКАД), а также включением вопроса о решении проблем мостового парка в«Комплексный план расширения и модернизации магистральной инфраструктурыдо 2024 года (КПМИ)».Степень разработанности проблемыТрубобетонные конструкции известны с начала XX века – в 1902 году былипоставлены первые опыты по исследованию стальных оболочек, заполненныхбетоном [3], а первая монография по расчету подобных конструкций была5опубликована в 1932 году профессором А.А.

Гвоздевым. Наиболее широкоеприменение трубобетонные конструкции нашли в строительстве высотных домов.Наиболее массово данные конструкции применяются в строительной практикеКитайской народной республики [4-5]. С развитием отрасли производстваполимерных композитных материалов началось их широкое внедрение запределами традиционных отраслей (авиация и космонавтика), в том числе вмостостроении [6]. Первые опытные работы по использованию полимерныхкомпозитных материалов в качестве оболочки трубобетонных конструкцийначались в 90-х годах в США в морских сооружениях [7]. В дальнейшемположительный опыт был перенесен в мостостроение.Объектами исследования являются арочные трубобетонные конструкции суглепластиковой оболочкой в качестве главных несущих элементов малыхгрунтозасыпных мостов.Предметом исследования является несущая способность трубобетонныхконструкций с углепластиковой оболочкой и влияние на нее различных дефектовоболочки.Целью диссертационного исследования является разработка методологииприменения арочных трубобетонных конструкций с оболочкой из полимерныхкомпозиционных материалов при строительстве малых мостовых сооружений.Задачи диссертационного исследования:‒ выполнить анализ ранее проведенных исследований трубобетонныхконструкций;‒ разработать методику расчета несущей способности сечения сжатоизгибаемых трубобетонных конструкций с полимерной композитной оболочкой;‒ разработать программу испытаний материалов и конструкций;‒ провести верификацию методики расчета, оценить влияние различныхдефектов на несущую способность конструкции;‒ разработать методику проектирования трубобетонных конструкций сполимерной композитной оболочкой, а также предъявляемые требования кконструкциям и технологии выполнения работ.6Научная новизна работы состоит в следующем:‒разработана математическая модель трубобетонной конструкции сполимернойкомпозитнойоболочкой,предложеныкритериипрочности,разработан алгоритм методики расчета несущей способности сооружений;‒разработанаивпервыеверифицированаметодикаиспытанийанизотропных слоистых композиционных материалов с биаксиальным плетением,по причине отсутствия стандартной методики;‒установленоболееточноесовпадениепредложеннойавторомматематической модели с экспериментальными данными, полученными автором,по сравнению с математическими моделями более ранних исследований;‒определены требования по предельным отклонениям размеров ихарактеристик конструкций; предложены критерии оценки дефектов оболочки идопустимые значения этих критериев на основании анализа результатов испытанийи компьютерного моделирования;‒разработанатехнологиявозведениямостовыхсооруженийструбобетонными главными несущими элементами арочного очертания с оболочкойиз полимерных композиционных материалов.Практическаязначимостьработыобусловленаиподтвержденаследующими результатами:‒ разработан Стандарт организации АО «НИИграфит» СТО 0020051-0122016 «Конструкции трубобетонные с оболочкой из полимерных композиционныхматериалов.

Проектирование и расчет изгибаемых конструкций», прошедшийэкспертизу в техническом комитете ТК 465 и зарегистрированный в Минстрое РФ;‒ на основе полученных результатов исследовательской работы разработанапроектно-сметная документация на строительство пилотного объекта – малогоарочного моста в селе Языково Карсунского района Ульяновской области,прошедшая государственную экспертизу;‒ разработанная методика расчета может использоваться для расчета нетолько арочных конструкций мостовых сооружений, но любых изгибаемых исжато-изгибаемыхнесущихтрубобетонныхконструкцийсполимерной7композитной оболочкой (например, свай и мостовых опор), что отражено ввышеуказанном СТО.Методология и методы исследованияВ процессе выполнения диссертационного исследования был использованкомплексный подход, включающий в себя: метод системного анализа втранспортном строительстве, литературный поиск; анализ экспериментальныхисследований, компьютерное моделирование, сравнение теоретической несущейспособности конструкции с экспериментальными данными; синтез результатовтеоретических и экспериментальных работ.Личный вклад соискателя состоит в следующем:- разработал программу испытаний конструктивно-подобных элементов всоставе общей программы испытаний;- выполнил анализ результатов испытаний, описание характера разрушений,систематизировал дефекты оболочки конструкций, выполнил анализ влияниядефектов на общую несущую способность конструкции, провел компьютерноемоделирование испытаний и верификацию методики расчета;- разработал математическую модель трубобетонного сечения с оболочкой изполимерных композитных материалов и методику расчета; разработал Стандарторганизации;- является одним из разработчиков Технологических регламентов навыполнение работ по возведению арочных грунтозасыпных мостовых сооруженийс главными несущими элементами, выполненными из трубобетонных конструкцийс оболочкой из полимерных композиционных материалов.Положения, выносимые на защиту:‒ математическая модель и алгоритм расчета главных несущих элементоварочных мостовых сооружений в виде трубобетонных конструкций с полимернойкомпозитной оболочкой; предложен критерий ограничения несущей способноститрубобетонных конструкций;‒ методика испытаний анизотропных слоистых композиционных материаловс биаксиальным плетением;8‒ результаты испытания конструктивно-подобных балочных и арочныхобразцов в натуральную величину;‒требования по предельным отклонениям размеров и характеристикконструкций, предложенные на основании анализа влияния дефектов нарезультаты испытаний и результатов компьютерного моделирования отклоненийгеометрических размеров; критерии оценки дефектов оболочки и их допустимыезначения;‒ методика проектирования трубобетонных конструкций с полимернойкомпозитной оболочкой.Степень достоверности представленных научных положений и выводовобосновывается сопоставлением теоретических предпосылок с результатамилабораторного и натурного эксперимента.АпробацияРезультаты настоящей работы были доложены на следующих научнопрактических конференциях:1)Конференция «Полимерные композиционные материалы новогопоколения для гражданских отраслей промышленности», посвященная 85-летию содня рождения профессора, д-ра техн.