книги из ГПНТБ / Морозов, В. А. Регулярные методы решения некорректно поставленных задач-1

Требование монолитности н связности сооружения или его час­ тей также относится к общим принципам. Монолитность сооруже­ ния, хорошая взаимосвязь конструктивных элементов устраняют возможность развития значительных самостоятельных колебаний его частей, повышающих сейсмический эффект. Системы связей сооружений должны обеспечивать пространственную устойчивость сооружения в целом и его частей. Не следует думать, что эти ус­ ловия исключают возможность применения сборных железобетон­ ных конструкций в сейсмических районах — требуется только соот­ ветствующее их замонолнчпвание с учетом сейсмических условий.

Принципиален также вопрос о взаимоотношении требований сейсмостойкого строительства с обгцестроительнымн требованиями. Очевидно, между ними есть определенные противоречия. В услови­ ях относительно невысокой силы и сравнительно редкой повторяе­ мости землетрясений, характерных для сейсмических районов

СССР, представляется целесообразным в некоторой степени под­ чинить требования сейсмостойкости общим условиям индустриаль­ ного строительства. Желательно, чтобы сейсмостойкость дорожных сооружений главным образом обеспечивалась путем:

а) отбора наиболее целесообразных в сейсмическом отношении типов, схем сооружений и конструктивных элементов из применяе­ мых в несейсмическпх районах;

б) осуществления дополнительных антисейсмических мероприя­ тий, не требующих, как правило, существенного изменения типовых изделий и общепринятых конструктивных решений.

Указанные антисейсмические мероприятия не должны такжена­ рушать индустриальность и технологичность конструктивных эле­ ментов или значительно осложнять производство работ по возведе­ нию сооружений. Следует добиваться максимальной экономичности этих мероприятий.

В ряде случаев, особенно для районов высокой сейсмичности (8—9 баллов), может оказаться целесообразным разработка до­ полнительных типовых изделий или составление типовых проектов специально для сейсмостойкого строительства (как это применяет­ ся в промышленных и гражданских зданиях). Не исключены также специальные системы сооружений, особо выгодные в отношении сейсмостойкости.

§ IV.5. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ МАТЕРИАЛА И ПРОЕКТИРОВАНИЮ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ СЕЙСМОСТОЙКИХ СООРУЖЕНИЙ

Материалы несущих конструкций сейсмостойких сооружений должны обладать высокой прочностью, малым весом, способностью пластического разрушения.

Из строительных материалов, используемых в капитальных соо­ ружениях, в наибольшей мере отвечает указанным требованиям сталь1. Благодаря ее высокой удельной прочности стальные кон­

1 Эта характеристика распространяется и на легкие (алюминиевые) сплавы.

112

струкции в прочих равных условиях обладают минимальным соб­ ственным весом. Значительная пластичность и вязкость (в частнос­ ти, при динамических нагрузках) обеспечивают высокую сопротив­ ляемость стальных конструкций сейсмическим силам. Они широко применяются в зарубежном сейсмостойком строительстве, в част­ ности, в каркасах многоэтажных зданий [65, 105]. Второе место по условиям сейсмостойкости занимает железобетон. При соответст­ вующем конструировании обеспечена его пластическая работа под динамическими нагрузками. Несмотря на большой собственный вес, железобетонные конструкции достаточно эффективно используют в сейсмостойких сооружениях. При тщательном замоноличивании сборные конструкции применяют наравне с монолитными. Железо­ бетон — основной строительный материал в сейсмостойком строи­ тельстве нашей страны. Об условиях применения легкого и предва­ рительно напряженного железобетона будет сказано ниже. Наиме­ нее выгодны, с точки зрения сейсмостойкости, каменные (кирпичные) и бетонные конструкции, характеризуемые большим собственным весом, низкой прочностью и свойством хрупкого раз­ рушения. Их применение в сейсмостойком гражданском и промыш­ ленном строительстве нашей страны постепенно ограничивается [105, 161]. Для временных сооружений с успехом могут применяться деревянные конструкции при условии надежного скрепления их эле­ ментов.

Рассмотрим некоторые общие рекомендации по проектированию несущих конструкций сейсмостойких сооружений, вытекающие из особенностей их работы под динамическими нагрузками. Приемы проектирования стальных несущих конструкций пролетных строений мостов под железнодорожную (и отчасти под автомобильную) на­ грузку в достаточной мере учитывают специфику динамической ра­ боты. Поэтому ниже в основном речь идет о железобетонных кон­ струкциях.

За последние годы у нас проведены широкие экспериментальные исследования по динамике железобетона. Исследования подтверж­ дают высокую сопротивляемость железобетонных конструкций крат­ ковременным и знакопеременным динамическим нагрузкам и на­ личие определенных запасов динамической прочности, не учитывае­ мых обычным расчетом.

Вместе с тем 'выявилась необходимость ряда мероприятий, глав- , ным образом для обеспечения пластического характера процесса разрушения.

Большое значение имеют в этом отношении механические свой­ ства рабочей арматуры. Она должна обладать достаточной плас­ тичностью. Арматура, применяемая в качестве рабочей в конструк­ циях, работающих на сейсмические воздействия, должна иметь полное относительное удлинение * при разрыве не менее 4%', а отно-

* Полное относительное (остаточное) удлинение определяется по всей расчет­ ной длине растягиваемого образца, включая шейку. Равномерное относительное удлинение определяется на расчетной длине за вычетом места разрыва (шейки).

113

снтельное равномерное удлинение — не менее 2% [132, 152]. Арма­ турные стали, применяемые в железобетонных конструкциях мостов, как правило, удовлетворяют этим требованиям. Дополни­ тельные данные о стержневой арматуре, рекомендуемой для сейс­ мостойких конструкций, даны в Указаниях [152].

Известно, что характер разрушения изгибаемых (и виецеитреино сжатых с большими эксцентриситетами) железобетонных кон­ струкций зависит от количества растянутой арматуры. При нор­ мальных процентах армирования происходит пластическое разру­ шение от текучести арматуры. Для предотвращения хрупкого разрушения, вызванного преждевременным раздроблением сжатой зоны бетона «переармированных» сечений, нормами проектирова­ ния железобетонных конструкций гражданских и промышленных зданий установлен критерий граничного армирования, ограничива­ ющий количество арматуры [134].

Этот критерий имеет вид:

же точки; £ — коэффициент, имеющий значения от 0,8 до 0,65 (в зависимости от марки бетона).

Условие (IV. 1) соответствует работе элемента под статической нагрузкой. По данным некоторых экспериментов, в условиях дина­ мического нагружения преждевременное хрупкое разрушение сжа­ той зоны железобетонных конструкций может происходить при

.меньших количествах арматуры.

Поэтому при сейсмических нагрузках целесообразно принимать условие граничного армирования в более жестком виде. В руковод­ стве по проектированию каркасных зданий в сейсмических районах [117] при расчетах на сейсмические воздействия рекомендуется вводить к вышеуказанному коэффициенту 2; дополнительный мно­ житель 0,85, т. е. принимать его значения равными 0,68; 0,59 и 0,55 соответственно при марках бетона 400 и ниже, 500 и 600.

В конструкциях, работающих на сейсмические усилия, целесооб­ разно ограничить и минимальное количество растянутой арматуры изгибаемых и внецентренно сжатых (с большими эксцентриситета­ ми) элементов'. При весьма слабом армировании образование трещин в растянутой зоне может привести к одновременному раз­ рыву арматуры и хрупкому разрушению сечения. Минимальную площадь растянутой арматуры рекомендуется назначать таким об­ разом, чтобы прочность железобетонного элемента (без учета ра­

1 Указаниями [153] минимальное содержание арматуры в железобетонных кон­ струкциях мостов не нормируется.

114

боты бетона растянутой зоны) была хотя бы на 20% больше проч­ ности чисто бетонного сечения (без учета растянутой арматуры). Это условие следует проверять расчетом.

Необходимо также обеспечить надежную анкеровку арматуры, усилить места резких изменений сечений и участки передачи боль­ ших сосредоточенных нагрузок постановкой дополнительной арма­ туры.

По экспериментальным данным, в условиях динамического на­ гружения несколько понижена несущая способность косых сечений изгибаемых элементов по сравнению со статической, что требует усиления поперечной арматуры [36].

Указанные рекомендации ставят целью заведомо обеспечить разрушение сечений по арматуре и иметь повышенные запасы по бетону.

Нужно отметить, что эти рекомендации не регламентирова­ ны нормами проектирования дорожных сооружений и формально для них не обязательны. Однако по существу целесообразно во всех случаях пользоваться ими.

Эффективность применения железобетонных конструкций в сейсмостойких дорожных сооружениях может быть повышена пу­ тем снижения их веса за счет использования легких заполнителей. Более подробно этот вопрос рассмотрен в § V.3.

Вопрос применения предварительно напряженного железобето­ на в сейсмостойком строительстве в течение ряда лет был предме­ том дискуссии, которая полностью не закончена и по сей день. Высказывались опасения, что процесс исчерпания трещиностойкоюти предварительно напряженных сечений носит хрупкий характер и в динамических условиях это может привести к хрупкому разру­ шению элемента.

Неблагоприятную роль играет относительно малое рассеяние энергии в предварительно напряженных конструкциях, выявленное, в частности, цри испытаниях балочных мостов [124]. Это обстоятель­ ство, обусловленное отсутствием трещин, может привести к некото­ рому увеличению динамического эффекта сейсмического воздей­ ствия.

Опыт землетрясений не подтверждает этих опасений. Если ис­ ключить сооружения с заведомыми проектными или производствен­ ными дефектами, трудно указать пример, где сейсмические повреж­ дения были бы вызваны специфическими свойствами предваритель­ но напряженных конструкций. В частности, хорошо выдержали землетрясение в Ниигате (Япония, 1964 г.) предварительно напря­ женные мосты (см. § 1.6). К благоприятным выводам приводят также результаты ряда экспериментальных и теоретических иссле­ дований. Поэтому наши нормы допускают применение предвари­ тельно напряженных конструкций в сейсмических районах при условии соответствующей анкеровки и обеспечении сцепления ар­ матуры с бетоном [132].

Нормами требуется также, чтобы расчетное предельное усилие сечений предварительно напряженных элементов превышало тре­

115

щинообразующее усилие не менее, чем на 20%'. Это условие встре­ чает ряд возражений [37].

Приведенные выше рекомендации касаются тех конструктивных элементов, для которых сейсмические усилия играют решающую роль.

§ IV.6. НОРМИРОВАНИЕ СЕЙСМОСТОЙКОГО ДОРОЖНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

В большинстве сейсмических стран мира строительство в сейс­ мических районах регулируется специальными общегосударствен­ ными, территориальными или ведомственными нормативными до­ кументами [65, 181]. Они в той или иной мере затрагивают объекты дорожного хозяйства.

Среди зарубежных стран развернутые указания по проектирова­ нию мостов с учетом сейсмических воздействий содержат только японские нормы. В ряде нормативных документов по проектирова­ нию железнодорожных и автодорожных мостов даются указания по определению сейсмических нагрузок, вычислению сейсмических усилий, порядку проверки сечений с учетом сейсмических сил [180]. В нормах других зарубежных стран вопросы сейсмостойкости до­ рожных сооружений освещены в очень малой степени; как правило, даются указания только по определению сейсмических нагрузок, которые для мостов и других инженерных сооружений несколько увеличены по сравнению с нагрузками для зданий [65].

В сейсмостойком строительстве нашей страны дорожным объек­ там всегда уделялось необходимое внимание (см. § 1.4). Уже в первых ведомственных нормативных документах по сейсмостой­ кому строительству содержались общие указания по проектирова­ нию дорог и мостов (нормы Турксиба, Закавказского института сооружений — ЗИС [147]). Во Всесоюзной инструкции Народного комиссариата строительства СССР, утвержденной в 1939 г., были приведены систематизированные рекомендации по проектированию дорожных сооружений в сейсмических районах [52].

Из последующего нормативного документа, утвержденного в 1948 г. [146], раздел о дорожных сооружениях был изъят. Всесоюз­ ное совещание по сейсмостойкому строительству, проведенное в 1948 г. в Ереване, признало необходимым вновь включить этот раздел в подготавливаемый в то время новый нормативный доку­ мент. Проект текста раздела был составлен в Тбилисском институте инженеров железнодорожного транспорта имени В. И. Ленина под руководством акад. К. С. Завриева (при участии автора) и после редактирования в Союзтранспроекте включен в состав Положения по строительству в сейсмических районах, утвержденного в 1951 г. {104].

В период 1954— 1957 гг. в СССР был разработан новый динами­ ческий (спектральный) метод расчета зданий и сооружений на сейс­ мические воздействия, вошедший в нормы в 1957 г. [99]. Однако к этому времени теория сейсмических колебаний мостов не была

116

Г л а в а

V

ПРОЕКТИРОВАНИЕ МОСТОВ, ТОННЕЛЕЙ, ТРУБ И ПОДПОРНЫХ СТЕН

§ V .I. ВЫБОР СИСТЕМЫ, МАТЕРИАЛА И ОБЩЕЙ СХЕМЫ МОСТОВ

Опыт последствий разрушительных землетрясении (см. гл. I) не накладывает каких-либо ограничений на выбор системы моста для сейсмических районов. При надлежащем проектировании и в соот­ ветствующих грунтовых условиях мосты всех систем могут быть осуществлены с примерно равной гарантией безопасности. Практи­ ка сейсмостойкого строительства показывает, что в сейсмических районах фактически находят применение почти все известные сис­ темы мостов. В Японии в районах высокой сейсмической активнос­ ти широко применяются балочные, рамные, а также висячие мосты [180, 194]. Висячие мосты больших пролетов осуществлены в сейс­ мических районах США. В частности, нужно отметить, что извест­ ный висячий мост «Золотые Ворота» в Сан-Франциско с рекордным пролетом 1287 м запроектирован с учетом сейсмического воздейст­ вия силой 9 баллов. В сейсмическом районе США построен ароч­ ный железобетонный мост пролетом 158 м [207]. Аналогичная кар­ тина во Франции, Италии и ряде других зарубежных стран.

В сейсмостойком строительстве нашей страны также использу­ ются все системы мостов, характерные для несейсмических районов. Наши нормы не содержат запретных ограничений в этой части.

Таким образом, выбор системы моста в сейсмических районах в основном обусловлен общестроительными технико-экономически­ ми и производственными требованиями (с учетом местных условий проектирования). Однако соображения по сейсмостойкости играют известную корректирующую (а в некоторых случаях и решающую) роль при сопоставлении конкурирующих вариантов. В отношении выбора системы моста эти соображения сводятся к следующему.

Для сейсмических районов наиболее целесообразны мосты ба­ лочной системы. Наряду с общестроительными достоинствами они гимеют такие преимущества, как простота схемы, четкость условий

.работы под сейсмическими нагрузками, возможность обеспечения сейсмостойкости простыми средствами. Эти соображения обуслов­ ливают преимущественное применение балочных мостов в сейсми­ ческих районах, в частности в нашей стране.

118

Среди балочных предпочтение следует отдавать разрезным мос­ там. Им в наибольшей мере свойственны указанные выше преиму­ щества балочной системы. Рекомендуется также применение нераз­ резных балочных мостов. В отношении условий сейсмостойкости

•они даже предпочтительнее разрезных, что подтверждается данны­ ми о последствиях землетрясений. Приведенные в гл. II материалы показывают, что сейсмические повреждения неразрезных мостов по объему и характеру не выходят за рамки обычных повреждений балочных мостов и приводят к менее тяжелым последствиям, чем в случае разрезных мостов (отсутствие случаев падения пролетных строений с опор). Это обстоятельство нашло отражение в практике строительства. В настоящее время в сейсмических районах нашей страны возводится несколько больших неразрезных железобетон­ ных балочных мостов с предварительно напряженными пролетными строениями пролетом до 84 м *.

Наиболее целесообразно применение неразрезных балочных мостов при заложении фундаментов опор на коренных породах. В таких случаях их можно применять без каких-либо ограничений. При слабых грунтах отсутствие осадок опор неразрезного моста при действии статических нагрузок может быть достигнуто устрой­ ством свайного основания. Однако в условиях высокой сейсмичнос­ ти возможны значительные осадки свайных оснований (на висячих сваях), взаимные смещения опор вследствие остаточных деформа­ ций в грунтах (см. гл. I). Поэтому при расчетной сейсмичности 5 баллов следует избегать применения иеразрезных балочных мос­ тов с фундаментами опор на нескальных грунтах.

В шарнирно-консольных балочных мостах при сейсмическом воздействии возможны несинхронные колебания подвесного проле­ та и консолей; уязвимым местом являются шарниры и узлы их опнрання. Поэтому в сейсмическом отношении шарнирно-консольные мосты менее выгодны, чем разрезные или неразрезные. Отечествен­ ные нормы не допускают их применение при расчетной сейсмичнос­ ти 9 баллов [132].

Мосты рамных систем, обладая положительными свойствами балочных систем, имеют дополнительные преимущества в смысле монолитности и однородности конструкции. При соответствующих основаниях рекомендуется применять рамные мосты и путепроводы малых и средних пролетов. Широко распространены они в японской практике [180, 194]. В отношении рамно-консольных мостов спра­ ведливы соображения, приведенные выше о шарнирно-консольных балочных мостах. Дополнительным недостатком здесь является возможность развития поворотных колебаний консольных частей пролетных строений в горизонтальной плоскости, сопровождающих­ ся кручением опор.

Мосты с ездой понизу с арочными или комбинированными про-

.летнымн строениями безраспорной системы по условиям сейсмос­

* Пример расчета одного из таких мостов на сейсмические воздействия при­ веден в гл. VIII.

119

тойкости могут быть приравнены к балочным мостам. Применение арочных мостов распорных систем ограничивается известными тре­ бованиями в отношении грунтов основания. Здесь надо иметь в виду соображения, высказанные выше в отношении неразрезных балоч­ ных мостов. Необходимо отметить еще одно обстоятельство. Ароч­ ные мосты (двухшарнирные и бесшарннрные) наиболее чувстви­ тельны к взаимным смещениям опор вследствие несинхронности колебаний грунта под отдельными опорами (см. гл. II). В настоя­ щее время ввиду отсутствия необходимых исходных данных нет возможности достоверно оценить в расчете вызванные этим факто­ ром дополнительные усилия. Поэтому миогопролетные арочные мосты значительной длины в районах высокой сейсмичности (8— 9 баллов) следует применять с осторожностью.

Применение висячих и вантовых мостов возможно при условии обеспечения незыблемости опор.

В качестве материала для мостов капитального типа в сейсми­ ческих районах, в первую очередь, нужно рекомендовать железо­ бетон. Такая рекомендация основана как на общестроительных требованиях, так и на положительных динамических свойствах этого материала, отмеченных в предыдущей главе. В соответствую­ щих случаях, указанных ниже, целесообразно применять металли­ ческие мосты. В предусмотренных нормами случаях возможны де­ ревянные мосты [135]. Не рекомендуются каменные и бетонные мосты ввиду изложенных в гл. IV соображений.

При установлении целесообразной области применения железо­ бетонных и стальных мостов в сейсмических районах нужно иметь в виду следующее. При расчетной сейсмичности 7 баллов сейсми­ ческие силы от веса пролетных строений того же порядка, что и силы торможения и ветра. Учет сейсмических усилий практически, не отражается на размерах опор. Поэтому при 7-балльной расчет­ ной сейсмичности применение железобетонных мостов целесообраз­ но во всех случаях — при любых пролетах и высотах опор (за ис­ ключением особых случаев, обусловленных общестроительпымн соображениями). Проектная практика показывает, что мосты ма­ лых и средних пролетов при расчетной сейсмичности 8—9 баллов так же, как правило, целесообразно осуществлять железобетонны­ ми. Однако сейсмические силы возрастают вдвое при увеличении сейсмичности на 1 балл. При 9 баллах сейсмические силы от веса железобетонных пролетных строений весьма значительны и сущест­ венно утяжеляют опоры, особенно при большой их высоте и небла­ гоприятных грунтовых условиях. Это может полностью нейтрали­ зовать преимущества железобетонных пролетных строений. В практике проектирования отмечены случаи, когда применение их в мостах с расчетной сейсмичностью 9 баллов приводило к непри­ емлемым размерам фундаментов опор. Эти соображения подтверж­ даются данными из японской практики [191].

Таким образом, при расчетной сейсмичности 9 баллов (а в неко­ торых случаях и 8 баллов) в мостах больших пролетов (свыше 40—50 м) могут оказаться более целесообразными стальные или

120