Проектирование и расчет железобетонных и металлических мостов, создание 3D моделей
Конструкция предназначена для проведения дороги (ЖД, автомобильной, пешеходной) через препятствие, которым может быть водоем, железнодорожные пути или иная неровная поверхность. В статье мы расскажем о нормах проектирования и строительства металлических и железобетонных мостов.
Виды сооружений
Конструктивные особенности каждого отдельного строения, а соответственно и проекта, зависят от многих факторов. Это условия эксплуатации, назначение, максимальная масса нагрузки и пр. От этого зависит конструкция, используемые материалы и технологии моделирования.
Рассмотрим классификацию мостов.
По статичности положения конструктивных элементов:
По используемому материалу:
По уровню расположения проезжей части относительно одного пролета конструкции:
По высоте постройки в зависимости от уровня воды в водоеме:
По ширине дороги разделяются на количество полос или путей. Особенным разрядом проходят мосты общего назначения, когда на одной конструкции есть линии и для автомобилей, и для железнодорожного транспорта, и для пешеходов.
По сроку эксплуатации:
Классификация и проектирование дорог мостов в зависимости от конструктивного решения
Конструкция – это основной принцип, по которому можно различать разные проекты переправ.
Балочное строительство
Одно из самых древних и проверенных. Строение имеет довольно примитивную схему – две балки по обе стороны реки соединены пролетами, которые покоятся на основаниях. Опоры могут быть выполнены небольшими, свайного типа, так как им только необходимо снизу держать основание и не выступать за его пределы.
Основная геометрия – прямая линия. Выбирается кратчайший участок для переправы, учитываются расстояния от одного берега до другого, а также состояние почвы, чтобы она не подвергалась размыванию, иначе конструкция может разрушиться.
Элементы моста – балки и фермы, вместе они образуют пролеты, которые могут в размере достигать 33 м или 42 м. Это классические параметры, для них предусмотрена стандартная высота основания – 1,7 и 2,1 метр соответственно.
На каждый пролет есть своя опора, в зависимости от соединения этих двух частей различают мосты разрезные, консольные и неразрезные.
Укрепляются строения как продольными, так и поперечными балками. Второе членение считается факультативным и применяется в случаях, когда длина одного пролета превышает 33 метра. Их количество прямо зависит от ширины проезжей части.
При расчете металлического железнодорожного или автомобильного моста балочного типа учитывается три основные влияния – вертикальные нагрузки, горизонтальные силы сжатия и растяжения, скручивание. При этом чем больше предполагаемая нагрузка на балки, тем чаще должны располагаться опоры.
Программа VetCAD++ позволяет оформлять все чертежи в соответствии со стандартами ГОСТ. Чтобы все схемы были правильно созданы, а также имели нормативное оформление, нужно установить этот модуль на САПР ZWCAD, в котором происходит проектирование.
Арочное строительство – основы и принципы создания проекта
Арка представляет собой свод через водоем или иное препятствие. Небольшие конструкции в древности выполнялись из каменной кладки, представляли собой монолит.
В чистом своем виде, при небольших расчетных нагрузках, основная тяжесть приходится на две опоры, которые располагаются по краям – на берегу. В случаях протяженных дорог или увеличенных воздействий на несущую поверхность применяется дополнительное укрепление оснований в виде колонн посередине. Тогда соединение приобретает форму буквы «Т», а сама арка уже не считается монолитом.
Почему свод имеет такую высокую прочность? Дело в распределении сил. Они идут по касательной к основаниям – пятам, которые расположены по бокам. А блоки, которые применяются для сдерживания двух концов арочной конструкции, не дают строению «расползтись» под действием сил.
Проектирование автодорожных подвесных мостов
К такому методу прибегают, когда нет возможности обеспечить достаточного упора промежуточными колоннами. Например, это актуально при преодолении большого препятствия, глубокого водоема.
По обе стороны на берегу, если вопрос стоит о прокладывании дороги через реку, ставятся пилоны – это высокие прочные, обычно выполненные из крепкой стали, опоры, значительно высотой превосходящие предполагаемый уровень моста. Их может быть 4 в минимальном случае или более – если необходимо сделать покрытие на много полос движения. Между каждой парой пилонов протягиваются прочные тросы. К ним, в свою очередь, прикрепляются крепления потоньше. Они соединяют стальные несущие веревки с дорожным полотном. Чем больше вертикальных подвесных опор, тем стабильнее положение поверхности.
Жесткость самого полотна обеспечивается такими же соединительными балками, пролетами, как и в случае моделирования балочного моста.
Вантовая разновидность практически аналогична предыдущему варианту, но отличается конструкцией натяжения вантов – стальных тросов. Они не делятся на горизонтальные и вертикальные линии, а все идут по диагонали от пилонов по бокам. В зависимости от расположения крепления к дороге они имеют разный угол натяжения.
Считается, что это более надежный тип подвесного строения, так как целостность всего покрытия не зависит только от двух горизонтальных цепей.
Проектирование такого сложного объекта может быть выполнено только с помощью профессионального софта. Программа СПДС GraphiCS устанавливается на САПР ZWCAD. Эта связка позволяет создавать проекты с мельчайшими прорисовками и указаниями, разбивать генплан на спецификации, делать выборки, а также вести всю проектную и рабочую документацию по стандартам ГОСТ.
Понтонные переправы – основы моделирования
Плавучие системы очень небезопасны из-за своей высокой подвижности, малой нагрузки, которую они выносят, а также из-за возможности подтопления.
Но к такому методу иногда приходится прибегать в двух случаях:
Конструкция состоит из отдельных секций с подвижным соединением. Если сделать жесткий монолит, то велик риск, что природные явления не просто поколеблют, а напрочь разрушат понтон.
Еще одна особенность – отсутствие жесткой сцепки с берегом из-за недостаточных возможностей по установлению стабильного уровня нахождения переправы.
Правила и требования по проектированию стальных автомобильных мостов
В условиях городской застройки необходимо разгружать транспортный поток, осуществлять развязки. Примером этому являются виадуки, эстакады, путепроводы. Рассмотрим подробнее, в чем отличие перечисленных вариантов от ранее приведенных видов переправ.
Путепровод – это мостовое сооружение, которое находится в городе, оно предназначено для преодоления дорог иного назначения, например, может проходить над линией ЖД путей. В своей основе он намного легче и в процессе создания проекта, и при строительстве, так как не нужно учитывать нагрузки и влияния течения реки, коррозии, размывания берегов и пр.
Они могут быть разного типа, даже в виде короткого тоннеля, если он проходит над препятствием. Конфигурация может быть как прямой, так и изогнутой, в протяженность обычно не превышает 60-120 метров.
Эстакада. Основное отличие от путепровода – это расстояние. Эстакадные конструкции прокладываются на длительные километры вперед и могут пересекать множественные препятствия, тоже в отличие от предыдущего типа автомобильной дороги. Это и овраги, и ЖД линии, и водоемы. Это огромный строительный комплекс, который состоит из соединенных воедино элементов – тоннелей, путепроводов и пр.
Создание такого моста требует 3Д модели. Многочисленные конструкции должны проектироваться индивидуально, а затем сводиться в один план. Для этих целей удобно использовать программы от «ЗВСОФТ». Они позволяют создавать трехмерные объекты, а также копировать их и их свойства, чтобы, например, повторить одинаковый элемент на следующем участке длинного пути.
Виадук – это помесь эстокады и моста над водоемом. Он простирается на суше, но преодолевает не иные транспортные линии, а неровный рельеф, например, внушительный овраг. Перед принятием решения о постройке конструкции создаются варианты – начинать строительство или создавать насыпи. Выбирается обычно наиболее экономичный вариант.
Особенность виадука в индивидуально разработанных опорах. Нельзя взять один пример расчета железобетонного моста, так как особенности местности предполагают различные по длине, ширине и установке сваи.
Акведук – это тоже один из вариантов мостового сооружения. Только передвигаются по переправе не поезда, не машины и не люди, а речные суда. Это интересное строение представляет собой искусственную реку над водоемом.
Нормативные документы
Регламентируют проектирование и процесс монтажа множество актов. Самыми существенными являются:
Этапы проектирования автомобильных и железнодорожных мостов, опор и дорожного полотна
Вне зависимости от того, какой тип конструкции применяется и какие конструктивные решения будут приняты, проектировщик должен опираться на следующий алгоритм работы:
Самое полное BrIM-решение для проектирования мостов и других инженерных сооружений
Tekla Structures — это интеллектуальное параметрическое решение информационного моделирования мостов (Bridge Information Modeling, BrIM), подходящее для проектирования технологичных мостов всех видов, любых размеров и из любого материала..
Все виды мостов и другие инженерные сооружения
С точки зрения Trimble мост — это сооружение, по которому проложена дорога, железная дорога, водовод, трубопровод, пешеходный переход, велодорожка или переход для животных и которое проходит над дорогой, рекой или другим препятствием, например долиной.
Наши клиенты с уверенностью утверждают, что Tekla Structures — наиболее удобное и эффективное из существующих на рынке решений для информационного моделирования мостов (BrIM). Подход «модель для строительства», средства для организации совместной работы и наша готовность тесно взаимодействовать с клиентом позволяют успешно проектировать даже самые сложные конструкции, например мосты с двойным изгибом.
В Tekla Structures можно моделировать мосты всех видов и другие инженерные сооружения:
Tekla Structures позволяет проектировать мосты из следующих материалов:
Параметрическое моделирование с высоким уровнем проработки
Tekla Structures — это самая мощная и в то же время простая среда для трехмерного параметрического моделирования, которая обеспечивает автоматизацию повторяющихся задач и учета изменений. Результат проектирования представляет собой полностью технологичную 3D-модель моста с уровнем проработки LOD300–400 (подробнее об уровне проработки).
Вы сможете быть уверены, что вся ваша выходная документация, включая модель, чертежи и ведомости материалов, полностью согласована и не противоречит друг другу. Кроме того, при пользовании нашей программой технического обслуживания специалисты Trimble помогут вам стать экспертом по проектированию мостов с помощью Tekla и соответствовать всем требованиям, предъявляемым сегодня к BrIM.
Модель для строительства и эксплуатации
Функциональность Tekla Structures охватывает весь процесс строительного проектирования: от создания геометрии до деталировки арматуры и соединений, изготовления металлоконструкций или сборного железобетона, монтажа или планирования строительных лесов, опалубки и бетонирования на площадке. При обновлении информации в ходе строительства собственник сооружения получает в свое распоряжение исполнительную модель, которую можно использовать для управления активами.
Каждый из этапов проектирования и возведения моста подробно рассмотрен ниже.
Программа для строительства мостов
Войти
Авторизуясь в LiveJournal с помощью стороннего сервиса вы принимаете условия Пользовательского соглашения LiveJournal
Как выбрать программу для расчета мостов
В давние времена у мостостроителей был обычай: при пропуске первого поезда автор проекта должен стоять под мостом и отвечать за надёжность сооружения собственной жизнью. В те годы самым совершенным инструментом для расчёта конструкций была логарифмическая линейка. Для мостов были характерны большие запасы прочности и перерасход материалов.
Наша эпоха принесла современные технологии строительства, новые материалы и сложные конструктивные формы. На первый план вышли проблемы экономической эффективности. Сегодня проектирование и расчёты мостовых конструкций невозможны без применения современных компьютерных технологий.
Перед проектировщиком встал вопрос: какую компьютерную программу выбрать для расчёта моста на прочность? Нужна программа, которая поможет выполнить расчёт без ошибок, простая и удобная в применении и включающая достаточный набор возможностей для решения нужного круга расчётных задач.
Скорее всего, нам не подойдут известные с конца 80-х годов крупные программные комплексы МКЭ, такие, как ANSYS, NASTRAN, COSMOS. Это программы общего назначения, они не ориентированы на расчёт мостовой конструкции. В них не предусмотрены необходимые для мостов специальные возможности (например, построение линий влияния для расчёта на подвижные нагрузки). Хотя эти программы могут оказаться полезными для решения некоторых частных задач (например, для расчёта узловых сопряжений, для проверки местной устойчивости, для расчёта термонапряжённого состояния опор).
Видимо, нас не вполне устроят и программные комплексы отечественного производства, такие, как LIRA, SCAD, MICROFE. Они скорее ориентированы на расчёт промышленных и гражданских зданий и хороши для применения в своей области строительства.
На сегодняшний день в мировой практике проектирования известно не так уж много серьёзных программных комплексов, остро заточенных на расчёт мостовых конструкций. Среди таких комплексов наиболее известны LUSAS (Великобритания), GTSTRUDL (США), MIDAS/CIVIL (Корея) и RM BRIDGE (Австрия). Хороший модуль для расчёта мостов имеется также в программном комплексе SOFISTIK (Германия).
Программный комплекс MIDAS/CIVIL появился в России в 2003 году и быстро завоевал популярность среди специалистов по проектированию и расчёту мостов. Корейские программисты создали очень дружественную оболочку (интерфейс), которая позволяет строить конечно-элементные расчётные модели сооружений с минимальными затратами труда. И это, действительно, является их большим достижением.
Однако подобная особенность программы таит в себе опасность. Молодым неопытным инженерам часто кажется, что достаточно запомнить несколько комбинаций кнопок на клавиатуре компьютера, чтобы выполнить расчёт сложной конструкции моста. Они забывают, что программа – это всего лишь инструмент, предназначенный для того, чтобы довести до числа представления инженера о работе конструкции. Подобное заблуждение часто оказывается причиной грубых ошибок в расчётах и проектировании.
В принципе необходимо с большой осторожностью относиться к применению численных методов в расчётах строительных конструкций. Вопросы численной устойчивости и сходимости решений здесь имеют первостепенное значение. В литературе имеется большое число задач, решение которых классическими численными методами затруднено, а иногда – невозможно.
Много таких примеров приведено в книгах академика РААСН, проф. В.И. Сливкера [1, 2]. Наиболее наглядный пример – задача об устойчивости механической системы, включающей в себя абсолютно жёсткое тело. Для правильного решения такой задачи программа должна сформировать геометрическую матрицу жёсткости. Однако ни одна из известных нам программ МКЭ, кроме SCAD, такой возможности не предусматривает.
Попытаемся решить простую задачу с помощью программы MIDAS/CIVIL – задачу об изгибе прямоугольной пластины Рейсснера, шарнирно опёртой по контуру, под действием равномерно распределённой статической нагрузки. В результате расчёта получим, что пластина отрывается от опор в угловых точках. Однако решение, приведённое в классических учебниках по теории пластин и оболочек [3], показывает, что данный результат является ошибочным.
Опыт использования MIDAS/CIVIL в расчётах мостовых конструкций многократно показал, что получаемые результаты требуют тщательного анализа и проверки.
Программный комплекс RM BRIDGE производства Австрийской компании BENTLEY SYSTEMS стал известен в нашей стране сравнительно недавно. На него, в первую очередь, обратили внимание специалисты по динамической работе мостовых конструкций. Особенно ценными оказались разработки в области аэродинамики вантовых мостов, реализованные в программе в виде отдельных наукоёмких модулей.
Оказалось, что RM BRIDGE имеет преимущества не только для учёных, занимающихся динамикой мостов. Российские специалисты обратили внимание, что основные модули программы работают надёжно и, как правило, дают достоверные результаты. Инженеров-расчётчиков привлекла сквозная параметризация конечно-элементных моделей, позволяющая перестраивать модели в короткие сроки. Программа позволяет также подробно учитывать стержневое и предварительно напряжённое армирование железобетонных конструкций. В ней реализованы российские нормативные документы, что позволяет выполнять проверки на прочность, устойчивость, трещиностойкость и выносливость. Многим понравился высокий уровень постпроцессорной графики и обширная документация, в том числе – на русском языке.
Почему же программа RM BRIDGE на сегодняшний день до сих пор не получила широкого распространения среди мостовых проектных организаций? По нашему мнению, это произошло из-за того, что программа не имеет дружественного интерфейса, подобного реализованному в MIDAS/CIVIL.
Поэтому на освоение программы требуется больше времени. Формирование расчётных моделей в ней несколько затруднено. А хотим мы этого или нет, популярность программы определяется, прежде всего, удобной оболочкой, а не широким спектром возможностей и качественными решающими модулями.
Недостаточно дружественный интерфейс свойственен и многим другим системам, в частности, давно известному американскому комплексу GTSTRUDL.
Подводя итог, можно сделать вывод, что каждая система, предназначенная для расчёта мостовых конструкций, имеет свои достоинства и свои недостатки. Идеального программного комплекса не существует, и, скорее всего, он никогда не будет создан.
Как же правильно ответить на вопрос, поставленный в заголовке статьи?
Ответ один: рабочее место современного инженера-проектировщика и расчётчика должно быть оснащено несколькими программными средствами, которые в совокупности предоставляют необходимый набор расчётных возможностей.
Проектные организации, являющиеся лидерами отечественного мостостроения, сегодня стремятся приблизиться именно к такому уровню оснащения. Среди ведущих компаний можно назвать ЗАО «Гипростроймост» (Москва), ЗАО «Стройпроект» (Санкт-Петербург), ОАО «Трансмост» (Санкт-Петербург), ЗАО «Гипростроймост – Санкт-Петербург». Расчётчики Московского института «Гипростроймост» (д.т.н. Г.Э. Мазур) выбрали в качестве программных инструментов комплексы NASTRAN и LUSAS. Специалисты Петербургского института «Гипростроймост» (к.т.н. Р.Н. Гузеев) пользуются программами GTSTRUDL, MIDAS/CIVIL, SCAD, RM BRIDGE.
Наибольшая доля трудозатрат инженера-расчётчика приходится на создание конечно-элементных моделей сооружений. Если мы планируем выполнить расчёты одной и той же конструкции в разных программных комплексах, то модель придётся создавать многократно, и эта доля возрастёт в несколько раз.
В подобной ситуации на помощь должны прийти специальные программы, предназначенные для автоматического конвертирования исходных данных из одной программной системы в другую. Идея создания таких программ-конвертеров далеко не нова. Большинство современных крупных программных комплексов общего назначения включают встроенные программные модули для конвертирования исходных данных в родственные системы.
Однако в программах, ориентированных на расчёт мостовых конструкций, встроенные модули конвертирования, как правило, отсутствуют. Поэтому перед инженерами-мостовиками встаёт задача самостоятельной разработки таких программных средств.
Инженер ЗАО «Гипростроймост – Санкт-Петербург» Д.А. Маслов разработал универсальный язык программирования, с помощью которого удобно создавать различные программы-конверторы частного вида, например, из GTSTRUDL в MIDAS/CIVIL или из MIDAS/CIVIL в SCAD. Эти программы широко используются в расчётной практике института, дают большую экономию рабочего времени, позволяют избежать лишних ошибок при составлении расчётных моделей.
Таким образом, программы-конверторы являются необходимым звеном в арсенале программных средств на рабочем месте современного инженера-расчётчика.
Для выполнения расчётов мостовых конструкций на современном научно-техническом уровне инженер-расчётчик должен располагать набором различных программных комплексов, объединённых в единую систему с помощью специальных программ, предназначенных для конвертирования расчётных задач из одной программы в другую.
Особенность нашего времени состоит в том, что развитие программных средств сильно опережает уровень подготовки пользователей. Программы есть, а выполнять расчёты на необходимом уровне – некому. Поэтому сегодня для российских проектных организаций самой актуальной является задача подготовки и обучения молодых кадров, владеющих базовыми знаниями математики, механики, численных методов теории упругости, анализом статической и динамической работы сооружений, техникой конечно-элементного моделирования, программированием и операционными системами.
Резервные расчётные средства абсолютно необходимы современному инженеру-расчётчику строительных конструкций. Не зря при входе в расчётный отдел ЗАО «Гипростроймост – Санкт-Петербург» висят старые бухгалтерские счёты с надписью «Резервный расчётный инструмент. Использовать только в случае крайней необходимости».