WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |

На правах рукописи

Мосолов Денис Александрович

ЭФФЕКТИВНЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

ОБЛЕГЧЕННЫХ ЧУГУННЫХ ОБДЕЛОК ТОННЕЛЕЙ

МЕТРОПОЛИТЕНОВ

Специальность 05.23.11 – «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2007 г.

Работа выполнена в ОАО «Научно-исследовательский институт транспортного строительства» (ОАО ЦНИИС)

Научный руководитель: кандидат технических наук

Антонов Олег Юрьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, проф.

Демешко Евгений Андреевич

кандидат технических наук

Пильч Юрий Борисович

Ведущая организация: ООО «Метро-Стиль 2000»

Защита состоится «7» декабря 2007 года, в 10-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 303.018.01 «Научно-исследовательский институт транспортного строительства» (ОАО ЦНИИС) по адресу: 129329, г. Москва, ул. Кольская, д.1, ОАО ЦНИИС.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО ЦНИИС. Отзывы на автореферат диссертации в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по указанному адресу ученому секретарю диссертационного совета.

Автореферат разослан «7» ноября 2007 года.

Ученый секретарь диссертационного совета,

Кандидат технических наук Петрова Ж.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы определяется необходимостью теоретического обоснования и определения основных конструктивных параметров чугунных тюбингов облегченных тоннельных обделок повышенной прочности, предназначенных для строительства перегонных и станционных тоннелей отечественных метрополитенов, призванных заменить устаревшие, металлоемкие, не отвечающие ряду требований современных норм серийные конструкции обделок перегонных, станционных и эскалаторных тоннелей отечественных метрополитенов.

Цель работы – определение эффективных параметров тюбингов тоннельных обделок из чугуна повышенной прочности. Под эффективными в работе понимаются геометрические параметры (размеры и толщины рабочих круговых и радиальных ребер, спинки, диафрагм и т.п.), обеспечивающие максимальное уменьшение массы обделки без снижения ее несущей способности.

В соответствии с поставленной целью предстояло решить ряд основных задач:

  • провести анализ экспериментальных и натурных исследований и стендовых испытаний чугунных обделок перегонных тоннелей метрополитенов (серийной – Лентрублит) и облегченной конструкции повышенной прочности;
  • разработать методику определения эффективных параметров облегченных чугунных обделок повышенной прочности;
  • провести математическое моделирование напряженно-деформированного состояния тюбингов и колец облегченной чугунной обделки с применением метода конечных элементов.
  • В ходе математического моделирования изучить:
  • восприятие рабочими ребрами и диафрагмами тюбингов давления щитовых домкратов с определением условий установки распорок в монтажный период;
  • пространственную работу спинки тюбинга;
  • устойчивость ребер и спинки тонкостенной конструкции тюбинга;
  • влияние на напряженно-деформированное состояние тюбингов связей растяжения (болтов) в радиальных (рабочих) стыках;
  • на основании полученных результатов исследований и расчетов откорректировать и обосновать конструктивные параметры облегченной чугунной обделки ЦНИИС (Ч-51А-НСК-10) как унифицированной конструкции перегонных тоннелей отечественных метрополитенов;
  • на основе детально обоснованной конструкции обделки Ч-51А-НСК-10 для перегонных тоннелей и методики определения эффективных параметров облегченных чугунных обделок, разработать конструкции обделок станционных и эскалаторных тоннелей метрополитена.

Метод исследований напряженно-деформированного состояния обделки, элементов и узлов тюбингов с учетом пластических свойств чугуна - математическое моделирование. Экспериментальные исследования облегченной чугунной обделки повышенной прочности - испытание на кольцевом стенде ЦНИИС и в производственных условиях. Результаты проведенных расчетов сопоставлялись с данными результатов испытаний.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- проведены комплексные теоретические и экспериментальные исследования пространственной работы элементов облегченного чугунного тюбинга с учетом упруго-пластической работы материала (на воздействие щитовых домкратов, на воздействие на спинку тюбинга давления от нагнетания, работа стыка обделки с учетом болтового соединения);

- разработана методика определения эффективных конструктивных параметров облегченных чугунных обделок;

- разработаны конструкции обделок для станционных и эскалаторных тоннелей отечественного метрополитена.

Практическая значимость данной работы заключается в возможности получения, на основе разработанной автором методики и проведенных исследований на математических дискретных моделях, новых облегченных конструкций чугунной обделки тоннелей метрополитенов.

Проведенные исследования и использование методики позволили автору научно обосновать эффективные (т.е. менее металлоемкие) конструктивные параметры чугунных обделок, при сохранении требуемой несущей способности конструкции.

Достоверность полученных результатов определяется:

- строгостью исходных предпосылок применяемых методов исследований;

- учетом требований действующих нормативных документов;

- высокой сходимостью результатов расчетов по математическим моделям с натурными испытаниями облегченной обделки повышенной прочности.

Апробация работы.

Результаты исследований и основные научные положения диссертационной работы доложены:

- На II-й Международной конференции. "Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений", г.Екатеринбург, 2007 г.

- На Международной научно-технической конференции "Освоение подземного пространства городов: преодоление сложных геологических и градостроительных условий", г. Москва, 2007 г.

- на заседаниях секции НИЦ "Тоннели и метрополитены" Ученого совета ОАО ЦНИИС, 2005-2007 гг.

Реализация результатов. Результаты работы использованы при проектировании конструкций сборных облегченных чугунных обделок для перегонных тоннелей (Дн/Дв = 5,46/5,1 м), станционных и эскалаторных тоннелей, а также для теоретического обоснования и расчетов перспективных конструкций обделок перегонных тоннелей с шарнирными стыками и обделок равного сопротивления.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений и списка использованной литературы. Общий объем работы 231 стр., включая 101 иллюстрацию и 44 таблицы. Ссылки даны на 113 источников.

Автор выражает благодарность научному руководителю к.т.н. О.Ю. Антонову, коллективам лаборатории «Горного давления и норм расчета» НИЦ «Тоннели и метрополитены» филиала ОАО ЦНИИС и Научно-исследовательской и проектно-изыскательской лаборатории «Основания и фундаменты» кафедры «Строительные конструкции и инженерные сооружения» Южно-Уральского государственного университета за помощь при проведении исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель и поставлена задача исследования.

В первой главе диссертации дается анализ современного состояния применения чугунных обделок в тоннелестроении и методов их расчета. Проанализированы конструктивные особенности серийных и облегченных обделок для перегонных, станционных и эскалаторных тоннелей, изготовленных из рядового серого чугуна марки СЧ20 и чугуна повышенной прочности марки СЧ35 (СЧ30). В работе дан подробный обзор результатов исследований и работ по совершенствованию чугунных обделок тоннелей, проведенных в нашей стране и за рубежом (Англия, Франция, Германия, Япония).

Большой вклад в развитие и совершенствование конструкций и методов расчета чугунных тоннельных обделок внесли: Антонов О.Ю., Афендиков Л.С., Баклашов И.В., Безродный К.П., Бурдзгла Н.Л., Бурштейн В.Л., Булычев Н.С., Виноградов Ю.Н., Виноградов Б.Н., Воробьев Л.А., Власов С.Н., Гарбер В.А., Демешко Е.А., Картозия К.В., Крук Ю.Е., Маковский В.Л., Маковский Л.В, Меркин В.Е., Орлов С.А., Руппенейт К.В., Чеботаев В.В., Фотиева Н.Н., Якобс В.В., Шапошников Н.Н., Lux K.H., Mller K.Н., Flaxman E.W.

В настоящее время чугунная тоннельная обделка является конструкцией, отвечающей всем требованиям, предъявляемым к конструкциям подземных сооружений, что определило возможность повсеместного применения чугунных обделок, включая особо тяжелые инженерно-геологические условия заложения тоннелей. Практически единственным недостатком чугунных обделок принято считать их большую металлоемкость и, вследствие этого – относительно высокую стоимость.

В структуре стоимости чугунной обделки, при обработке тюбингов на специализированном станочном оборудовании, стоимость обработки не превышает 15%*, а 85% - чугунное литье, т.е. прямой путь снижения стоимости (и материалоемкости) данной продукции – уменьшение массы тюбингов. Напрямую от облегчения тюбингов зависит и общая стоимость строительства перегонов и станций метро, в которой до 70% (для перегона) и более 60% (для станций) составляет стоимость обделки.

В отечественном метростроении чугунные тюбинги диаметром 6 м, шириной кольца 0,75 м и массой 8 тонн (9,3 тонны на метр тоннеля) устанавливались на второй очереди строительства Московского метрополитена. В последствии ширина кольца была увеличена до метра, диаметр уменьшен до 5,5 м, в тюбингах появилось среднее кольцевое ребро, и расход чугуна снижен до 5,9 – 6,3 тонны. В таком виде с начала 50-х годов прошлого века обделки дошли до наших дней: это конструкции завода «Лентрублит» диаметром Дн/Дв=5,49/5,1 м и завода «ДЗМО» (Днепропетровский завод металлургического оборудования) диаметром Дн/Дв=5,5/5,1 м.

Принципиальной разницы между ними нет: в последней 11 тюбингов в кольце (против 10 в обделке «Лентрублита») и незначительно увеличена толщина элементов тюбинга. Лишний тюбинг, как удалось установить, появился по требованию завода «ДЗМО», имевшего более короткие опоки, а утолщения – для гарантии «пролива» металла в спинку и диафрагмы тюбинга. При этом уменьшился минимальный момент сопротивления сечения и увеличился максимальный, что в итоге привело к увеличению растягивающих напряжений в критических сечениях обделки (в шелыге свода) и снижению максимальной расчетной нагрузки на обделку.

Обделки для станционных и эскалаторных тоннелей метрополитена также с начала 50-х годов прошлого века существенно не изменились - это типовые конструкции диаметрами Дн/Дв=8,5/7,8 и 9,5/8,8 м. Они имеют по 16 тюбингов в кольце, ширину кольца 0,75 м, высоту рабочего ребра тюбинга 0,3 и 0,35 м, расход чугуна 15,8 т и 21,9 т на метр тоннеля соответственно.

Классический тюбинг – сегмент кольца круговой тоннельной обделки, имеет С или Е-образное поперечное сечение, отливается из серого чугуна марки СЧ20 и работает в кольце на внецентренное сжатие. Тюбинги сболчены, т.е. обделка работает как упругое кольцо в податливой среде, оказывающей на него активное давление и препятствующей его деформациям. Исходя из перечисленных конструктивно-технологических параметров обделки, первый прямой путь облегчения конструкции – повышение марки чугуна, второй – радикальная оптимизация работающего на сжатие с изгибом поперечного сечения тюбинга (тюбинг волнового типа с сечением, приближенным к сечению равного сопротивления), третий – разработка чугунного варианта многошарнирной обделки, которую иногда называют «безмоментной», вследствие крайне незначительных изгибающих моментов в сечениях элементов (исключаются растягивающие напряжения, сечение работает в условиях, близких к «чистому сжатию») с максимальным использованием высоких прочностных характеристик серого чугун, расчетные сжимающие напряжения которого втрое выше растягивающих.

Все перечисленные направления исследования чугунной тюбинговой обделки перегонных тоннелей и шахт метро (диаметром 5,5/5,1 м) были опробованы в 70-80-х годах прошлого века в научно-исследовательских работах и экспериментальном проектировании в НИЦ «Тоннели и метрополитены» ОАО ЦНИИС (авторы работ Афендиков Л.С., Антонов О. Ю., Виноградов Ю.Н., Орлов С.А.).

Исследования, охватывающие почти все этапы работы обделки, проводились в натурных и стендовых условиях.

В ходе исследований были изучены физико-механические свойства серого и высокопрочного чугуна всех заводов, изготавливающих тюбинги для тоннелестроения (Московский механический завод, Днепропетровский завод металлургического оборудования ("ДЗМО"), Ленинградский завод Лентрублит, экспериментальный завод института ЦНИИТМАШ). Построены диаграммы сжатия и растяжения для серых чугунов и высокопрочного чугуна марки ВЧ-50, которыми автор пользовался при расчетах с учетом упруго-пластического поведения материала (рис.1).

Рис. 1– Диаграммы сжатия и растяжения серого и высокопрочного чугунов

По результатам натурных исследований удалось установить, что появление трещин в обделке в значительной степени зависит не только от величины горного давления, но и от усилий, создаваемых действием щитовых домкратов и нагнетанием.

Ограничениями к снижению металлоемкости конструкций в нашей стране являлись технологические трудности отливки на заводах чугунных тюбингов с толщиной спинки менее 20 мм. Заводы просто отказывались от тонкостенного литья (причина - традиционная технология "литья в землю").

Однако разработанная ЦНИИТМАШЕМ технология и экспериментальные исследования материала (чугуна), элементов (тюбингов) и систем (колец обделки) позволили разработать конструкции шарнирной и бесшарнирной облегченных обделок перегонных тоннелей. Экспериментальные облегченные чугунные обделки, отлитые из высокопрочного чугуна, в том числе и шарнирной конструкции, разработанные в 80-e года прошлого века, показали при испытании высокую несущую способность и трещиностойкость.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»