Совершенствование конструкций и методов динамического расчета обделок тоннелей метрополитена мелкого заложения тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

?Г Б ОД

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН Институт механики и сейсмостойкости сооружений pfß Oft им.М.Т.Уразбаева

, ; ■ На правах, рукописи

МАХМУД АБДБЛЬ-ХАМИД МОАУАД , .

УДК 62if.I9I.24

СОВЕРШЕНСТВО ВАШ® КОНСТРУКЦИЙ И МЕТОДОВ -ДИНАМИЧЕСКОГО ' РАСЧЕТА- ОБДЕЛОК ТОННЕЛЕЙ МЕТРОПОЛИТЕНА (¿ЕДКОГО . " ЗАЛОЖЕНИЯ

в

Специальность 01.02.04 - механика деформируемого

твердого т6лэ

АВТОРЕФЕРАТ

* г

диссертации на соискание ученой степени кандидата твхьичаских неук

Ташкент 1993

Работа выполнена, нэ кафедра "Мосты и транспортные тоннели" Ташкентского автомобипьно-доролсного института. Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

ИШАЙХОД1АЕВ A.A. Научный консультант - кандидат технических наук ШДРАШМОВ И.Х.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

XDSMET0B Г.Х. • - доктор технических нзук, профессор МАВЛЯКОВ Т.

Ведущая организация - Институт ТАПШЕТРОПРОЕКТ.

Защита состоитбя " -5Р.г, в.15-00 часов на ваоедании специализированного совета К 015.18.01 по при-сукденйю ученой степени кандидата наук в Институте механики и сейсмостойкости сооружений ш.М.Т.Уразбэевэ Академии наук • Республики Узбекистан.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке институ4е.

Автореферат, разослан "_"_J993 г.

Ученый секретарь специализированного совета, к.т.н.

ИАМСИЕВ У.Ш.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тбкы. Увеличивающиеся с кэчсдым годом масштабы

-и |

строительства транспортных тоннелей в лысовосййсшчоских рзИовах ' выдвигзит новые требования по созданию эффективных конструкций, отзечсющих требованиям сейсмостойкости, надежности'и долговечности, а также по совершенствованию методики их расчете.

Опыт- строительстве и эксплуатации тоннелей мелкого зало-яения в се Конически опасных районах, показывает, что поведение конструкций при динамических воздействиях в каждом конкретном случае во многом зависит от физико-механлческих свойств и характере взаимодействия соорухендя и грунта.

Поэтому исследования напряженно-деформированного состояния тоннелей мелкого заложения с учетом этих факторов при динамических (сейсмических) ъоздействиях на основе научно-обоснованных методик расчета является актуальной задачей и несомненно продстэЕлявт н8)чный и практический интерес.

Цель работы. Целью диссертационной работы является создание новых и усовершенствование существующих конструкций тоннелей метрополитена мелкого заложения и разработка методики их расчета на сейсмостойкость с учетом сейсмичности района строительства и реального взаимодействия сооружения о грунтом.

Научная новизне:

- Получаны конечные элементы взаимодействия сооружения с грунтои для плоских и пространственных деформированных состояний.

-Предложена методика расчета на сейсмостойкости тоннелей мелкого залокения с учетом взаимодействии сооружения и грунтр

- Предложено новое конструктивное решение односводчотой стонами метрополитена из крупноразмерных сборных жалазобатон-ных элементов - полусводов и обоснована целесооброзност: исполь-

_ Я -

зованик такой конструкций в высокосейсшчвских рэГэнох.

- Проведаны исследования ка динамически воздействия колонной станции кетро, с учетом крепления котловане.

- Проведен расчет ка сейсмостойкость конструкции сюнции метрополитена "Мубарек" в Каира.

Достоверность подученных в диссертации результатов подтввр-ядбкэ решением контрольных задач, имеющее точное решение, а также сравнением с результатами экспериментальных исследований.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы наложено в четырех научных статьях.

Практическая ценность результатов работы:

УсоБбршенсгвоззэн пэкэт программ PINSELS для рввэния плоских и пространственных задач сейсмостойкости подземных вооружений с учетом взаимодействия сооружения и грунта. Полученные результаты исследований переданы в Институт Ташметропровкт. Совместно с институтом Тэшметропроект получен авторский патент, на изобретение нового конструктивного решения односводчатой станции метрополитена.

Апробация работы. Основное содержание работы докладывалось:

- на семинаре отдела сейсмодинамики сооружений Института мехр-'ики и сей ыостойкости сооружений АН РУз (1993 г.);

- ка заседаниях кафедры "Мосты и рэнслортныз тоннели" ТЛДИ (1991-1993 г.).

Объем работы.Диссертация состоит из введения,.четырех глав, основных выводов, списка испол-.зовзнной литературы и приложения. Она включает i<jf страниц текста, 77 рисунка к jy _таблицы. Список листьратуры содержит _накме-

новэний, из них 2\ зарубежных-авторов.

- <3 -ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой проблемы, изломаны цаль работы, научнея новизна, практическое значение, обоснована достоверность результатов.

В первой глэБ8 диссертации проанализированы конструктивные решэния и методы расчета тоннелей мелкого золонзнип, сооружаемых открытым способом работ в сейсмически активных районах.

Произведен анализ поведения подземных ¡ооруканий во времл сильных землетрясений, происшедших в странах бывшего союза и других странах. Изложены перспективы увеличения объеме тоннелестроения из примере Ташкентского ыетрополитнна.

Территория г .Ташкента относится к активному сейсмическому району и характеризуется сложными инженерно-геологическими и гидрогеологическими особенностями.

В городе в основном встречаются лессовые грунты мощностью 6-70 м. Галечники наблюдаются в северовосточной чести и залегают непосредственно в основании лессовых грунтов. Мощность их достигает 30-45 м.

Глубина залегания подземных вод по трассам метрополитене колеблется от 2-х до 25 метров год современной долиной рем Чирчик, рельефа поверхности и антропогенных факторов не территории города. Лессовидные породы до уровня грунтовых вод обладают просэдочньши свойствами.

Б связи с этим, при проектирований и строительстве Ташкентского метропогтенэ были разработаны и внедрены новш решения сейсмостойких конструкций перегонных тоннелей прямоугольного и кругового очертаний, станций метрополитена колонного и одно-сводчатого типа»'Конструкции перегонных тоннелей открытого споссез рибот в основном выполнены из чедьносекцкишых обдз-"ш

- А -

(ЦСО), представляющих собой прямоугольные замкнуты* иелезобетон-ныв блоки заводского изготовления. Конструкция станции колонного тина из двух конструктивных реше :ий:

- продольными и поперечными сейсмопоясенк и мощней монолитной желе зобатонной плитой основания;

- из крупноразмерных сборных железобетонных объемных элементов.

Конструкция односводч8Тй& станции представляет собой свод переменного сечения с лотком -затяжкой, сооружаемых из монолитного желозобзтонэ.

Перспектива строительства Ташкентского метрополитена ставит новые проблемы по созданию сейсмостойкой конструкции односвод чатой"ст8нции из крупноразмерных сборных ж/б элементов. В Ташкентском автомобидьно-дорожком институте совместно с институтом Ташметропроект разработано новое конструктивное решение такой станции .односводчэтого типа (рис. I).

"В'настоящее время благодаря трудам 51. Т. Уразбаева, Ш.Г.На-летворидзе, М.Й.Дзндурова, Т.Р.Ра~идовэ, Г.ХДожмепва, Й.Н. Мубарэковэ, Н.Н.Фотиевой, Л.Я.Лормано, А.А.йшзнходкаав8, И.С. Булычева, К.С.Ержанова, 1П.М. Айтэлиевэ, Султанова К., М.Мирсэ-идовз, Б.Мэрдонова, Т.Мзвлякова и др. разработаны и продолжают совершенствовался три подхода к определению сейсыокапряженного состояний подземных сооружений. Зто - пети тические, динвмк-ческие ыотоды и методы волновой динамики.

Основу диьзмической теории сейсмостойкости подземных сооружений, разработанной Т.Р.Рэшидовым, составляет учет различий, между деформациями сооружения и грунта.

В настоящей диссертационной работе разрабатывается методика расчета подзеынкх сооружений на сейсмические воздействия с ис-

пользованием основ динамической теории сейсмостойкости подземных сооружений и современного математического аппарата.

Во второй главе предлагается математическая модель описывающая колебания системы "тоннель-грунт" в кокечно-элемаитиой форме:

*

- <?£ + ¡с?**

(I)

М , С, К

л-. л.

М, С , у

Г

Л4 у О*

где , Ц. . ё.. - перемещения, скорость и ускорения точек

системы :,тонне ль-грунт";

- матрица масс, матрица демпфирования, матрица жесткости системы "тоннель-грунт";

- матрица масс, матрица дешифрования, матрица жесткости элементов подземного сооружения;

- матрица внешнего демпфирования:

- матрица взаимодействия и матрица вязкости взаимодействия;

известный вбктор перемещений и скоростей грунта;

- вектор внешних сил.

Здесь условия односторонней модели взаимодействия сооружения и грунта записываются следующим образом при „ 7 4), к=а,/*-о

.,ри > и ¿^г^^^гг ,, о, ^ ¿о

при иГг< и иг,

при иГГ1 ¿УГгг и иГГ1 у ,, & °

а)

где к> /-' - диагональная матрица коэффициентов взаимодействия и коэффициентов вязкости взаимодействия; ьсуу, иГГ2 - перемещения соооужения и грунта в точке по направлению нормали и к поверхности элемента сооружение;

"гг2 - скорость сооружения и грунта в точке по направлению нормали к поверхности элемента соорукенип. • Были получены, матрица взаимодействия и матрица вязкости взаимодействия для отдельных конечных элементов типа:

1. Плоский четырехузловой конечный элеывнт.

2. Пространственный восьмиузловой конечный элемент.

3. Пространственный трзхуьповой конечный элемент. А. Плоский и пространственный кольцевой элемент.

В таблице I приведена матрица взаимодействия для треугольного конечного элемента взаимодействия работающего на растяканка-ежзтиз и на изгрб.

В третьей главе разработаны методика л алгоритм динамического расчата для системы "тоннель-грунт". Приравняв нулю силы в правой часта уравнения (I) и силы затухания в левой части, полу-\а уравнения свободных колебаний системы с конечным числом ето-пеной свободы, взаимодействующей с грунтом ■ //¿"г ■*■ (Н+&) ;

- * _> Г)

(К+-К )

Здесь зэдачз определения свободных колебаний системы сводится к решению обобщенной проблемы собственных значений (/< + /с +) Ф МФ>)

с к + К¥) Ф - М Ф Л у >6 =

т

где Ф - матрица собственных векторов;

- диагональная матрица собственных значений; ьS¿ - с - тая собственная частота. По прогремме £> уд/-рок М проведены модельные расчеты на собственные колебания с учетом полученных во второй главе матриц взаимодействия для различных элементов. Это бэлка и плита на упругом основании. Определялись пять частот при разных сужениях сетки к сравнивались с точным рашени и

Для решения динамической задачи принят метод непосредственного пошагового интегрирования, который является наиболее алго-ритмячним и сводит динамическую задачу к решению последовательных квазистзтических задач. Данный подход позволяет рассматривать как линейные, так и нелинейные системы. Все метода -эгово-го интегрирования можно разделить на язныа и неявные. В язных методах для отыскания перемещзн.Ш, скоростей и ускорений рассматривается уравнение равновесия системы в иомен* ¿-л £ , з в неявных в момент (с -()- А . Представим скорость и перемещения системы для момента времени по Ныоаэрку

(5)

Отсюда выразим

-¿ч- л £

/ Л ^ "

Г - > ? • -

= -¿¿Щ^'А /лг-у^ (6)

Подставляя (6) в (5) и приводя подобные чипы, получим

- & -

=А-2 *- ^ • ^ ¿У}/л *

(?)

Подставляя (5) и (7) в (I)» получим для момента Бремени

следуитее выражение

_^ .—»

' (8)

К 5 V- Л Й = Э

Шаговый процесс по Ньюмарку проводим по формулам (б)," (8). Считается, что начальный момент времени при ¿=о пераме-

- —В»

щания , скорость ^ ■ и ускорения • всех

точек системы равны нулю,

Решение уравнений двинаник (8) с учетом условий (2) -вводили увеличить объем программного модуля ±>ил/звхз и на ее основе создан усовершенствованный модуль Я, На

рис. 2 показан загорим решения (8) и их реализация методом конечных элэуентоь. Здесь ускорение, скорость, перемещения грунта (импульсы или реальные осциллограммы) и скорость распространения воин задаются в исходных дэнныъ для задачи. Коли решается задача совместно для сооружения с грунтом, тс имя задачи ¿> Ул/Л МХК .

При учете взаимодействия сооружения и 1руитэ из библиотеки конечных элем атов вызываются элементы взаимодействия и граничные элементы. А если рассматривается двих ние самого сооружения при известных значениях перемещаний и сорости грунта, то название задачи ■Ъхл/лмхк & г. а х Мог> Егу^Т \л/ху.

Просчитанные тестовые примеры I. задачи подтверждают эффективность и достоверность предложенного метода и алгоритма, е. также правильность функционирования разработанного на их основе программного модуля.

В четвертой глдва с использованием программного модуля решен ряд практических задач.

С целью выявления влияния на напряжзлао-деформировэнное сос-I яниа станция метрополитена зреибнных краплендй при динамических воздействиях решена задача сейсмостойкости колонной станции в пяос*« кой постановке. В качества динамического воздействия ззят горизонтальный параболический импульс я расчеты произведены з*зависимости от различных видов креплений станции метрополитена.

Полученные результаты показывают, что кропления стен котлована существенно влияют ка снижение значений внутренних усилий в сечениях станции.

Проанализировано динамическое поведение односводчатой станции метрополитена как из нон'тагного, так и сборного явлвзобетона с учетом массы верхнего грунта. Расчеты бит произведены на интенсивную часть реэльнойо осциллограммы перемещений и скорости грунта при упругой, упруговязкой и односторонней упруговязкой моделях в38ш0-д0йствия.

На рис, 3 приведены деформирования станций в горизонтальной писскосгй при различных моделях взаиггодействия сооружения с грунтом, при £ =0,52 сек. Получзнныз при расчете значения изгибающих моментов в сечениях как и монолитной, так я з сборной станциях (рис. 4) свидетельствуют, что односторонняя уцруговязкая модель взаимодействия прчзодит к значительному уменьшению значений этих усилий.

Исследованы распространения упругих волн от движения поездов метрополитена л их влияния на бл: но расположенные здания.

Определено, что при высокочастотных колебаниях нижней точки станции, иадавя«* крепления в грунтовой среде, намного снигзат уровень ви б нации в здэнига.

- /О -

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложено новое конструктивное реаэниэ односводчатой станции аетросолктэна из крупноразмерных объемных железобетонных элементов.

2. Сделана постановка динамической задачи "тоннель-грунт"

с учетом основных предпосылок динамической теории сейсмостойкости подземных сооружений и получены уравнения даякения конечно-элементной системы подземных сооружений, взаимодеЁствувди: с грунтом.

3. Ношены и построены конечные элементы взаимодействия сооружения с грунтом дан плоских и пространственных деформированных состояний.

Усовершенствована методика и разработан, алгоритм

динамического расчета подземных сооруяений на основе шаговой процедуры Ньшарка в программном комплексе " .

5. На. базе црогрдагного комплекса п ЯРКЩТ" канисак пакет программ, реализующих разработанную методику,

6. С поыоцьа усовершенствованного программного модуля "0Ш$Е18 "цровэдено исследование ка сейсмостойкость конструкций реальных подз&мшх сооруЕвкчЙ при динамических и сейсмических Бездействиях:

- конот'тгвдия станции метрополитена г.Ташкента с учетом крепления стен котлована;

■ - конструкция, одаосвсдчатой станции метрополитена из монолитного и сборного железобетона;

- конструкция Каирского метрополитена.

.7.'-"9слэдова1Ш5. распространен?" ¿щбрационных волн в грунте о? даизешш поаедов метро! Еитева(3-я ланзя Тыаконтско!« аотрепсжктен'г)

- // -

Основное содаркакка диссертация ртрзнено в следующих работах:

1. Ишанходжзев A.A., ¡.¡ираякиов МД., Махмуд АД. Расчет стержневых скотом глетодо!.; разновесных конечных элеыентсв.- Ташкент,-Узбекскяй жрунал "Проблзмы механики",- 1992.-С.48-52.

2. Ыирэлимов и.Х., Махмуд А.Х., Иизиходзсзев A.A. Использование контактного элемента в задачах сеУсмодннзшки по ",1КЭ.// Проблемы

механики з Узбекистане.- Тэккант: 19ЭЗ,- !й 4 (в печати).

3. Иирзлимов М.Х., Махмуд М.Х., йщэиходжзев A.A. Колебания одно-свсдчзтой станции метро, взаимодействующей с грунтом// Проблемы кеханяки ъ Узбекистане.- Ташкент,- 1992,- С.26-28. Мираммов М.Х., Махмуд А.Х., Ишэнходкаев A.A. Моделирование распространения волнк в грунте в конечно-элел'энтных задачах// Проблемы механики в Узбекистане,- Тазкент: 1993.- К? 4 (в печати).

а 1 с 0 а/2) о 0 -а 0 0 -а/г 0 0 а/л 0 0 а/г о 0 -а/А 0 0 1а/г 0 0

о | ь 0 0 6/2 0 0 -Ь 0 0 ■ь/г 0 С 6/4 0 0 6/2 а 0 -Ь/А а 0 -Ь/г 0

: б с 0 0 С/2 п 0 -с с 0 -с/г 0 0 СА 0 0 с/г 0 О -с/', 0 а </г

а о 0 см 0 0 -а 0 0 -а/г 0 0 а'4 0 о а/г 0 0 -а/4 а 0

0 6 0 0 ь/г 0 0 -ь 0 0 -ь/г 0 0 Ь/4 о 0 ь/г 0 д -Ь/4 0

о \ о \ с 0 0 С/2 0 0 -с 0 0 -с/г 0 0 С/4 0 а с/г а а -С/4

а 0 0 а/г 0 0 -а 0 0 •а/г 0 0 О/А 0 0 а/г 0 0

0 ь 0 0 Ы2 0 0 -ь 0 0 -ь/г 0 0 Ь/4 0 0 ь/г 0

с 0 С 0 а с/г 0 ,0 -с 0 0 -С/2 0 0 С/4 0 0 с/г

а 0 0 а/г 0 0 -а 0 0 -а/г 0 0 а/4 0 0

0 6 0 0 ь/г 0 а -6 0 0 -ь/г с а 6/4 0

0 о с 0 0 с/г 0 0 -с 0 0 -с/г 0 0 с/4

а 0 0 а/г 0 0 -а 0 0 -а/г 0 0

0 ь 0 0 6/2 0 0 -6 0 0 -Ь/г 0

0 0 7 0 0 с/г а 0 -с 0 0 «г

а 0 с а/г 0 0 -а 0 0

0 ь 0 0 Ь/г 0 а -ь 0

0 0 с 0 0 с/г 0 о -с

гиммпоиинп а 0 0 а/г 0 0

0 6 0 0 ь/г 0

0 0 с 0 0 С/2

а 0 0

0 Ь 0

0 0 С

га

Матрица жесткости для рростратпбетга конечного элемента Взаимодействия . /¡качание; общий множитель Г ; а-кх/9 ; Ь-ку/в ; с* £ г/9 .

Рас. / Конструкция одаосдодчатои станции из крупноразмерных обьемныл элементов .

Рис. г Модафици/юёа/шый алгоритм Нью-Йорка

— iS-

в.СЗ! 0,035

о,огз о,m o,02Z 0,024 0,074 0,024

a)

5)

S)

S)

Pue. 3; ¡lecpapMupobauue no zbpujohîpqi'.u ооносбсо'чотай стииич при I • 0,52 сек. I - монолитная констрдшр / - сборная конащ/шя

а) упругое ёзотяЗейстбие ; 5) 5язко<тркег Взаимодействие -, 8) одтторомее Ыкоцпругое взаигюдейстбие

-/-б- -

«4

А.5

О)

б)

"«< аг

И

Рис. 4. Максимальные значения изгибающих нонвит'

6 сечеиш сдиасШшх станции при (- 0,52 сек. ] - тю.1мяоя хожтрцхшя § - сборная кожящг 'ия

о) цпрцгое 6?-та&йслвие : 6) 6я->Щ/яругое влашюЗей-ст$1е ; 6) «йюсто/юмге бк упругое 6мимодейст8ае