Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Инженерно-сейсмологический анализ в методологии проектирования сейсмостойких мостов

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Инженерно-сейсмологический анализ в методологии проектирования сейсмостойких мостов"



.^¡ц ; ,1 АКАДЕМИЯ НАУК РОССИИ

' ' ' СИБИРСКОЕ ОТДЕЛШИЕ

ИНСТИОТ ЗЕМНОЙ КОРЫ

На правах рукописи ШЕСТОПЕРОВ Герман Сергеевич

ИНЖЕНЕРНО-СЕЙСМОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ В МЕТОДОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СЕЙСМОСТОЙКИХ МОСТОВ

04.00.22 - Геофизика

05.23.15 - Мосты и транспортные тоннели

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

Иркутск 1992

Работа выполнена в отделении мостов Всесоюзного научно-исследовательского института транспортного строительства

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, профессор Павлов О.Ь., доктор технических наук, профессор Жунусов Т.К., доктор технических наук, профессор Носарев A.B.

Ведущая организация - Государственный проектно-игыскательский институт по проектированию и изысканиям больших мостов (Гипротрансыост)

Защита состоится 1992 г.

в Jf часов на заседании специализированного совета Д 003.17.01 при Институте земной коры СО АН РАН по адресу 664033, Иркутск 33, Лермонтова, 128

С диссертацией можно ознакомиться в.библиотека Восточно-Сибирского филиала СО АН РАН (в эдании Института 'земной коры)

Автореферат разослан

Ученый секретарь, специализированного совета кандидат геол.-ыин. наук

Ю.В. Меньшагин

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Потенциальная опасность заилетряса-ний в миро возрастает. Это связано с увеличением плотности населения ü сейсмически опасных районах и возведением на их тэррито-рии üobux оо'^октов, а такйо с повышением роли техногенных факторов (откачка нодти и газа, заполнение водохранилищ и т.д.), способствующих возникновению землетрясений.

Анализ данных об ущерба от землетрясений показывает, что выход из строп транспортных сооружений в зоне стихийного бедствии реально угрожает жизни и здоровью людей. Наиболее тяжелые социальные потери на транспорте от сэйсмичоских воздействий происходят в результата аварий поездов и автомобилей, а также вызываются задержкой спасательных работ из-за повреждений дородной сети. Экономический ущерб (в размере 10-15 % от общей суммы потерь от землетрясений) в основном связан с необходимостью восстановления разрушенных дородных сооруяений и с потерями промышленности из-за временного (иногда более чем на мосяц) прекращения поставок, вызванного'нарушением движения транспорта.

По своему значению мосты относятся к такого рода объектам, разрушении которых связано с особо тяжелыми социально-экономическими последствиями. Выход из строя при ряда землетрясоний крупных мостов привлек к исследованиям их сейсмостойкости многих оте-чествешшх и зарубешшх специалистов. Однако ввиду больной сложности возникающих научных и практических задач эта проблема в мировой строительной практика все екз полностью не решена.. Об этом свидетельствуют последствия недавних землетрясении а США (1989 г.), на Филиппинах (1990 г.) и в Коста-Рике (199Г г.), вызвавши разрушения многих хелезобетоншх и металлических мостов, . сопровождавшиеся человеческими кормами.

Россия принадлежит к числу государств, подверженных разрушительным землетрясениям. J3 частности, крупнеПиио сег.смичоские события происходили б прошлом в таких регионах страны как Прибайкалье, Камчатка, Северный Кавказ. Значительная уязвимость мостов- при землетрясениях, большая тяжесть последствий их разрушения и возможность возникновения в ряде регионов сейсмических воздействий разрушительной силы позволяют отнести обеспеченно

сейсмостойкости мостов к чисду актуальных социально-экономических и крупных научно-технических проблем, имеющих важное народнохозяйственное значение.

Основными задачами исследования являлись:

- усовершенствование концепции и обобщение принципов проектирования сейсмостойких мостов; ■

- существенное уточнение методики определения расчетных .параметров сейсмического воздействия и динамических модулей деформации нескальных грунтов при проектировании мостов в районах сейсмичностью 7, 8 и-9 баллов;

- разработка методики определения расчетных параметров тектонического и сейсмического воздействий при проектировании мостов

я зонах очагов возможных землетрясений с магнитудоп Л1 'г 7,1 .(силой более 9 баллов);

- развитие методов расчета на сейсмостойкость мостовых сооружений и способов их защиты от поражающих факторов землетрясений.

Практическая цель работы заключалась в создании новой экономически эффективной, методологии проектирования сейсмостойких мостов, реализованной посредством включения ее в нормативные документы и использования в проектной практике.

Фактический материал. Исследования по сейсмостойкости мостов проводились автором в ЦНИИСе Минтрансстроя с 1971 по 1991г.Резуль-таты исследований отражены в научно-технических отчетах, соответствующих государственной научно-технической программе 0.74.03 "Сейсмология и сейсмостойкое строительство", планам НИР Минтрансстроя и ЦНИИСа. Все работы выполнялись под научным руководством и при непосредственном участии автора ..

Подученный в полевых, условиях материал включает данные обследований мостов после землетрясений в Дагестане (1975 г.),' в Киргизии (1978 г.), в Азербайджане (1981 г.), в Узбекистане (1934г. б Таджикистане (1984 и 1985 гг.), в Грузии (1986 г.) , в Молдавии (1986 г.) и в Армении (1988 г.). В лабораторных условиях выполнены испытания железобетонных моделей балок, плит и плитно-балочных конструкций статической нагрузкой- с доведением их до разрушения, проведены испытания на прочность и' выносливость антисейсмических устройств с тарельчатыми пружинами и резйно-гметаллическими элементами, выполнен эксперимент по изучению пространственных колебаний модели плитно-балочного пролетного, строения, возбутдасинх крчТко-

временными нагрузками.

Для разработки практических рекомендаций по учету сейсмических воздействий при проектировании мостов в диссертации испольаованг опубликованные различными авторами материалы инструментальных наблюдений на сейсмических станциях, сведения о современных и палео-сейсмодислокациях, данные по скоростям поперечных сейсмических волн, динамическим модулям деформации грунтов и другие фактические инженерно-сейсмологические материалы.

При анализе особенностей конструкций мостов, сооружаемых в сейсмических районах, рассмотрены многие типовые и индивидуальные проекты опор, пролетных строений й опорных частей. Для выявления технико-экономических показателей сейсмостойких конструкций Гипро-трансмостом, Ленгипротрансмостом и другими проектными организациями по техническим заданиям ЦНИИСа было выполнено опытное проектирование .железнодорожных, автодорожных и городских мостов.

Фактический материал, использованный в диссертации, включает также данные о разрушениях мостов при землетрясениях в США,Японии и других странах, об антисейсмических устройствах зарубежной проектировки, нормах проектирования мостов в сейсмических районах ряда зарубежных государств.

Метоп» исследования. Работа выполнена с привлечением современных методов расчета колебаний грунтов и конструкций мостов . при землетрясениях. Для нахоздения наидучикх корреляционных, зависимостей между характеристиками грунта и расчетными параметрами сейсмического воздействия применялись линейные и нелинейные математические модели, параметры которых определялись методами регрессионного анализа,. Для расчета колебаний конструкций использовались методы матричного и операционного исчислений, строительной механики и теории упругости с реализацией подученных алгоритмов на современных компьютерах.

На защиту выносятся:

1. Результаты инженерно-сейсмологического анализа повреждений мостов при землетрясениях;

2. Методика уточнения расчетных параметров сейсмического воздействия и определения динамических модулей деформации нескальных грунтов при проектировании мостов в районах сейсмичностью

7, 8 и 9 баллов; .

3. Методика определения.расчетных параметров тектонического и сейсмического воздействий при проектировании мостов в зонах

очагов возможных землетрясений с магнитудой Лг. 7-1 (силой более 9 баллов);

4. Разработки по конструкциям антисейсмических .устройств, обеспечивающих эффективную защиту мостов от землетрясений;

5. Усовершенствованная методика расчета колебаний опор мостов при землетрясениях;

6. Методика решения задал о пространственных колебаниях плитно-балочных пролетных строений, возбуждаемых импульсными , гармоническими и другими динамическими нагрузками.

Научную новизну таботы составляют:

- таблица характерных • повреждений мостов при землетрясениях силой от 7 до 10 баллов по шкале М$К-54;

- разработанная применительно к мостостроению классификация поражающих факторов землетрясений;

- усовершоствованная концепция и обобщенные принципы проектирования сейсмостойких мостов;

- корреляционные зависимости вероятной скорости поперечных . сейсмических волн от условного сопротивления'грунта сжатию;

- формула для вычисления поправочного коэффициента, учитывающего влияние физико-механических свойств грунта на ускорение колебаний покровных отложений при землетрясениях;

- форьсулы для определения динамических модулей деформации нескальных грунгов при сжатии и сдвиге; .

- корреляционная связь между магнитудой землетрясения н ампли тудой тектонического разрыва на поверхности грунта;

- методика оценки расчетного ускорения колебаний грунта по состоянию конструкций мостов в зоне разрушительного землетрясения;

. - расчетные ускорения колебаний грунта в горизонтальном и в вертикальном направлениях для проектирования мостов в зонах очагов возможных землетрясений с магнитудой 41>-1,1\ '

- применение в мостах конструкции буферных антисейсмических устройств с тарельчатыми пружинами и резино-металлическими элементами;

- методика определения расчетной сейсмичности при проектировании мостов;

- методика учета нагрузок от подвижного состава железных дорог и автомобилей при расчете мостов на сейсмостойкость;

- .методика .учета поперечных росший в'стойках опор прм опре-т деле!!:»: вггшпуд колебаний ркголей при землетрясении;

- комплоте алгоритмов и программ, позволяющих выполнять расчеты на сейсмостойкость опор разного типа с учетом взаимодействия фундаментов с грунтом, опор с пролетными строениями и пролетных строении с транспортными средствами;

- решения по методу сил задачи о частотах и формах собственных пространственных колебаний плитно-балочних пролетных строений с деформируемым контуром поперечного сечения и задачи иб их вынужденных колебаниях, возбуждаемых импульсными и другими динамическими нагрузками.

Достоверность на.учных положений и выводов работы доказываете л

- многолетними наблюдениями.мостов в сейсмических районах и данными их обследовании в эпицантральных зонах разрушительных землетрясений;

- экспериментальными исследованиями в лабораторных условиях моделей балок, плит и плитно-балочных коне тру кций^. '••

- испытаниями антисейсмических устройств;

- опытным проектированием конструкций' мостов с привлечением ведущих проектных институтов страны в области мостостроения;

- сопоставлением результатов исследований с требованиями нормативных документов к проектированию моотов за рубежом;

- апробацией результатов работы на различных конференциях и совещаниях по вопросам инженерной сеймол'огии и сейсмостойкого строительства.

Реализация работы в строительства. Выводы и рекомендации, полученные на основе.данных полевых работ'в зонах разрушительных землетрясений, были использованы при разработке действующих нормативных и технических документов по проектированию мостов в- сейсмических районах (СНиП П-7-81 "Строительство в сейсмических районах", СНиП 2.05.03-84 "Мосты и трубы", Рекомендации по учету сейсмических воздействий при проектировании мостов). Результаты исследований соискателя)изложенные в диссертации, применялись при разработке ряда типовых, а такие многих индивидуальных проектов мостов в сейсмических районах, в том числе:

- мостов через реки 8ея, Олекма,- Дымкоуль, Чильчи, Нюкжа, Хани и др. на. трассе БАМ; ■

виадука на железной дорога Идяеван-Раздан;

- моста через р. Обь в г. Камень-на-Обн; ■ •

Ь

- моста через р. Аранс у г. Имишлы;

- моста через р. Лютогу на Сахалине;

- поста через р. Латорицу на Украине;

- эстакады Тиховского гидроузла на р. Кубани;

- моста через р. Куру в г. Сальяны;

- моста через р. Терек на перегоне Червленая-Узловап-Гудормес;

- мостов на я.д. линии Евлах-Белоканы;

- моста через р. Селенгу в г. Улан-Удэ; .

- моста через вдхр. Рогунской ГаС в г. Новый Комсомолабад;

- путепроводов на обходной автомобильной дороге к г. Ленина-

кану;

- моста через р. Днестр у г. Дубоссары (проект реконструкции);

- технологичоского моста через р. Ангару в Иркутско;

- эстакады в г. Спитаке (проект усиления);

- моста через р. Чимитоквадже на автодорого Новороссинск-Тбилиси-Баку;

- моста чероз р.. Мацесту на обходе г. Сочи;

- моста через р. Селенгу на автодороге Тресково-Оймур-Зарочье; • - моста на к.д. линии Ханой-Хайфонг во Вьетнаме;

- моста через р. Ероо в Монголии;

- мостов на ж.д. линии в Алжире.

Апробация работы. Основные результаты выполненных' исследований были-доложены на научно-технических советах Минтрансстроя и ЦНИИСа, а также на всесоюзных и международных научно-технических конференциях, совещаниях и семинарах, в том числе на:

- Всесоюзной конференции "Совершенствование методов расчета и конструирования зданий и сооружений, возводимых в сейсмических райойах" (Кишинев, 1976); . '

Мекдународном семинаре "Строительство в сейсмических .. районах" (Бвргамо, Италия, 1978);

т Выездной сессии Мё^сдувемоственного Совета по сейсмологии и сейсмостойкому строительству при Президиуме АН СССР (Иркутск, Севаробайкал^нц 19.79);

- Всесоюзной конференции по проблемам хозяйственного осиоения зоны БАМ (Улан-Удэ, 1981);

- Всесоюзном совещании "Снижение материалоемкости и трудсеи-

о

кости сейсмостойкого строительства" (Алма-Ата, 1982);

- Республиканском совещании "Проектирование и строительство сейсмостойких зданий в МССР" (Кишинев, 1986);

- Всосоюзиои совещании "Сейсмичность, инженерная геология и гидрогеология зоны БАМ" (Иркутск, 1987);

- Всесоюзной семинара "Иняенерно-сейсмоыатрическая служба страны" (Махачкала, 1987);

- Всесоюзном совещании "Вопросы' инженерной сейсмологии" (Ленинакан, 1988);

- семинаро ЮНЕСКО по вопроса»! сейсыичесной и геологической опасности, их картированию и превентивным мероприятиям (Москва, 1990);

- Всесоюзной конференции "акспериментальные исследования инженерных сооружений" (Сумы, 1991);

-Международном симпозиуме "Мосты. Взаимосвязь между технологией возведения и конструкциями" (Ленинград, 1991);

- Второй российско-китайском региональной семинаре по сейсмостойкому строительству (Москва, 1992);

- на ряде совещаний комиссии по'сейсмостойкости транспортных сооружений Междуведомственного совета по сейсмологии и сейсмостойкому строительству при Президиума АН СССР (Москва, 1975; Ленинград, 1976; Ташкент, 1977; Тбилиси, 1979; Фрунзе, 1986 и др.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано более 70 работ и получено 5 авторских свидетельства.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав и заключения, имеющих общий объем 359 машинописных страниц и включающих 115 рисунков, 17 таблиц и.списки использованных публикаций. Диссертация имеет три приложения общим объе-uou 35 страниц.

I. ПОВРЕЖДЕНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ МОСТОВ ПРИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯХ

Инженерному анализу последствий землетрясений посвящены работы И.К.Ивановского, Ш.Г.Напетваридэе, Г.Н.Карцивадзе, Н.О.Оразым-бетова, М.М.Сердюкова, С.А.Шанина, С.В.Полякова, С.М. ЬиJÍe, О}j■ K.V.$ieinBvjjj&? ЯА:71огез> д.^апкЖ,^ R.Rachack-oiian^ ¿>SЛк-

CuS[<xh) M.fJ.BoniCla и др. .Помимо упомянутых работ, в первой главе диссертации использовались данные обследований мостов после землетрясений в Дагестане (1975г.), вКиргизии (1978г.), в Азербайджане (1981г.), в Узбекистане (1984г.), в Таджикистане (1984 и 1905гг.), в Грузии (1986г.), в Модцавии (1986г.). и в Армении (1988г.).

Всего за период с 1975 по 1988гг. полевыми работами было охвачено более 100 мостов, срок службы которых изменялся от одного года до 100 лет. Наиболее многочисленную группу составили мосты на автомобильных и городских дорогах (60 % выборки), далее следуют железнодорожные (37 %) и пешеходные (3 %) мосты. Среди обследованных сооружений имеются мостовые переходы через водотоки, путепроводы эстакады и виадуки. Полученная выборка включает мосты разных систем (балочные, рамные, арочные и висячие), перекрывающих пролеты от нескольких метров до более, чем 100 м.

Матёриалы главы включают сведения об.остаточных сейсмодефор-мациях грунтов в основаниях опор мостов, твердого покрытия автомобильных дорог и верхнего строения железнодорожных путей. Приведены примеры возникших при землетрясениях дефектов и разрушений опор, опорных частей и пролетных'строений. Выявлены причини, повреждений объектов. Даны рекомендации, направленные на повышение сейсмостойкости сооружений.

В заключительном разделе главы рассмотрены факторы, вызывающие повреждения и разрушения мостовых переходов при землетрясениях. Обоснована усовершенствованная концепция и обобщены принципы обеспечения сейсмостойкости мостов,, которые необходимо учитывать при изысканиях, проектировании, постройке и содержании искусственных сооружений в сейсмически опасных районах.

Поражаюцие -факторы землетрясений. Обследования позволили выявить нагрузки и воздействия, вызывающие остаточные местные и общие деформации, а также разрушения конструкций мостов. Опасные лля мостов -факторы подразделяются на три группьт:

- спйсмоБибрэ'ционныз и сейсмогравитационпыз нагрузки (инерционные силы ст ¡'Яссы сооружения; серсмичзсг-ое давление грунта на-

Ü

ст.и¡1 1п .устои; сейсмическое давление йоды на русловые опоры; сейсмическое давление грунта покровных отложений на фундаменты; удары п до{юрчяпионнык швах моста; нагрузки от оползней, селей , п(5п'1лоп, лавин ч цунами;

- деформации грунта, включающие тектонические разрывы коренные пород и сейсмогеннне перемещения покровных отложений;

- неблагоприятное изменение несущей способности сооружения при землетрясении, проявляющееся в снижении прочности конструкций и о уменьшении устойчивости оснований.

Анализ повреждений мостов позволил установить основные причини их неудовлетворительного состояния после стихийного бедствия. Главным образом мостовые сооружения при землетрясениях повреждаются а результате действия инерционных сил преимущественно горизонтального направления, сейсмического давления грунта на устои и подземные части промежуточных опор, а также в результате ударов в деформационных швах моста.

И цунчмиопасных районах известно много случаев разрушения мостов волнами цунами. Довольно часто мостовые переходы повреждаются оползнями и неравномерными осадками покровных отложений,; служащих оснонанием опор. Менее вероятны повреждения мостов обвалами, лнвш-гши, селями, камнепацами. В единичных случаях мостовые сооружения разрушаются тектоническими дислокациями, разрывающими коронные иороцн в створа моста. В сейсмически активных районах на сейсмостойкость мостов существенно влияет процесс накопления повреждений.

Кснпепппя сейсмостойкости мостов.Опыт эксплуатации ■мостов в сейсмических районах показывает, что эти сооружения технически трудно построить так, чтобы они вообще не подучили каких-либо повреждений при землетрясениях. Реально достижимым и экономичес-«1 целесообразным можно считать сохранение в обязательном поряд-<е после, землетрясения расчетной силы только основной служебной функции моста, т.е. его способности пропускать транспорт и пешеходов, а также обеспечивать работу проложенных по мосту коммуни-саций. При этом в несущих и ограждающих конструкциях моста мо-\ут возникать местные и общие деформации, не требующие прекра-(ения его эксплуатации по условиям безопасности движения транс-юрткык средств. .

Использование предложенной концепции по сравнению с ранее

ринятой концепцией недопустимости каких-либо повреждений мосто-

у

вых конструкций при землетрясениях дает возможность существенно уменьшить стоимость антисейсмической защиты мостовых переходов. При этом требуемые эксплуатационные качества мостов должны обеспечиваться как за счет антисейсмических мероприятий, осуществляемых в период строительства, так и с помощью ремонта (если потребуется) в период ¡эксплуатации.

Фактически состояние осмотренных мостов новой постройки не вызывало прекращения движения по ним. Большая часть обследованных сооружений (примерно 70 % выборки) вообще не получила . видимых местных и рбщих остаточньгс деформаций. Это позволяет сделать вывод о том, что усовершенствованная концепция сейсмостойкости мостов обеспечивает их достаточную надежность при пе-'ло- ' трясениях*

Принципы обеспечения сейсмостойкости мостов. Инженерный анализ последствий землетрясений показывает, что при изысканиях, ' проектировании, постройке и содержании мостов в сейсмических районах должны учитываться следующие общие требования:

-при выборе места мостового перехода через крупное естественное или искусственное препятствие'следует предпочесть створ, наиболее благоприятный в сейсмотектоническом, сейсмогравитанион-ном и сейсмовибрационном отношениях;

- при рассмотрении вариантов моста рекомендуется принимать к осуществлению схему перехода в наименьшей степени уязвимую при землетрясении в данных инженерно-геологических условиях;

- конструкции основных частей.моста должны допускать ремонт в случае появления повреждений в результате зешетрясш.я;

-при проектировании фундаментов опор рекомендуется предусматривать их опиранис на малодеформируемые при землетрясениях грунты;

—. в надфундаментных частях опор и в пролетных строениях следует использовать конструкции возможно меньшей массы, способные к пластическим деформациям при землетрясении;

- в'соответствии с расчетом на сейсмостойкость должны быть уточнены размеры и армирование несущих конструкций моста;

- для повышения сейсмостойкости наиболее уязвимых ..прч землетрясениях частей и элементов моста в обоснованных случаях сляцуот применять специальные антисейсмические устройства;

- при постройке Мостов в сейсмических районах нужно обеспечивать устойчивость сбсфных элементов, на складских площадках, а также прочность и устойчивость несущих конструкций при и* монтаже;

-осдеп'г.'л.'^ наиболее отгетственчьхс объектов в районах стгсг'/йнкх

бедствий должно включать инструментальный контроль за их состоянием, разработку и осуществление мер по ремонту конструкций,получивших сейсмические повреждения.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОРАШЩИХ ФАКТОРОВ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К МОСТОСТРОЕНИЮ .

Содержание главы составляют методика инженерно-сейсмологического анализа поражающих факторов землетрясений и обсуждение полученных результатов применительно к мостостроению.

Шкала уязвимости мостов при землетрясениях. Шкалы балльности по повреждениям зданий и сооружений составлялись многими исследователями (М.Росси, Ф.Форель, Д.Меркалли, С.В.Медведев,В.Шпон-хойер, В. Карник, Н.В. Шебалин, Т.Р. Рапидов, A.C. Гехман и др.). В известных сейсмических акалах описания повреждений мостов крайне скудны или вообще отсутствуют. В наиболее важном для строительства диапазоне от 7 до. 9 баллов существующие мкалы не- позволяют оценить вероятные повреждения мостов при землетрясениях.

Предлагаемая икала определяет вероятные повреждения мостов старой постройки как местные деформации, общие деформации, нарушения прочности и устойчивости при землетрясениях силой 7, 8, 9 и 10 баллов, соответственно. Шкала включает примеры характерных повреждений опор, пролетных строений и опорных частей путепроводов, виадуков и мостов через водотоки. Отмечается, что в отдельных случаях (особо неблагоприятные грунты, аномально больная продолжительность землетрясения, появиваиеся за время эксплуатации повреждения несущих конструкций и др.) тяжесть повреждений мостов в несекмостойком исполнении может быть существенно больше, чем показано в шкале уязвимости. В этих случаях прогноз возможных повреждений требует выполнения специальных исследований .

Анализ материалов обследований мостов в сейсмостойком исполнении позволяет считать, что выполнение при их постройке требований норм сейсмостойкого строительства предотвращает разрушение несущих конструкций в тех случаях, когда фактическая'' сила землетрясения не превышает принятую при проектировании (расчетную) . При этом тяжесть возникающих при землетрясении повреждений сейсмостойких конструкций будет меньше по сравнению с мостами в несейсмостойком-исполнении.

Оценка повторяемости землетрясений на трапов НАМ.Но проблеме сейсмической сотрясаемости выполнено много специальных исследований (Ю.В.Ризниченко, С.С.Сейдузова, А.В.Друмя, Н.Я.Степанен-ко, С.И.Голенецкий и др^.).В 70-е годы в связи с проектированием крупных мостов и других сооружений на БАМе появилась необходимость оценить средние периоды повторения землетрясений силой 7, 3 и 9 баллов на наиболее опасном в сейсмическом отношении участке трассы длиной около 1000 км.

В диссертации содержатся инженерный анализ и оценки повторяемости сейсмических воздействий разной силы для пло-цадок строительства мостов на участке БАМ от Нижнеангарска до Усть-Нюкли. При этом были учтены данные инструментальных наблюдений на сейсмических станциях Прибайкалья за 1957-1971 гг., а также сведения о палеосейсмодислокациях (З.П.Солоненко) на расстояниях до 50 км от трассы. Выполненный анализ показал, что в произвольном пункте трассы на упомянутом участке интервалы между сотрясениями силой 7 баллов составляют в среднем несколько более 50 лет, 8 баллов -примерно 200 лет,9 баллов - около 1000 лет.

В целом инженерные оценки повторяемости сейсмических воздействий на трассе БАМ соответствуют результатам сейсмологических рас' четов сотрясаемости для 9-балльных сейсмических районов Прибайкалья, Туркмении и Средней Азии. Выполненный анализ позволил обосновать предложение по нормированию расчетной сейсмичности для мостов, принятое в действующих нормах.

Тектонические разрывы на поверхности гдунта пои пемлетгчееннях. Транспортным строителям нередко приходится возводить крупные сооружения в зонах очагов разрушительных землетрясений. При сейсмических толчках в этих зонах на поверхности грунта появляются тектонические разрывы, что необходимо учитывать при проектировании.

В работах геологов {М.д.ВопиСл.^ В.П.Солоненко, В.С.Хречовс-ких, А.А.Никонов и др.) предложены различные соотношения могду вероятными параметрами разрывных тектонических движений у. магпиг.у-дой землетрясения. Полученные для разных регионов количествен!¡но оценки амплитуд.разрывов значительно различаются между собой.

В диссертации представлена методика оценки вероятных амплитуд тектонических разрывов с использованием совокупности известны* данных о-сейсмотектонических дислокациях в основных сеисмэотснж. регионах мира. Общее число учтенных событий с■ магнит.удпп .от , I до 8,7 равно 47, минимальная амплитуда, поставляет ?. см, ная - Ю,В м.

Зависимость логарифма амплитуды разрыва от магнитуды принята нелинейной. Коэффициенты уравнения регрессии найдены с учетом принятых граничных условий по методу наименьших квадратов. Показано, что корреляционная зависимость

0,425.// - 2,48 -(1)

дает наилучшее приближение к эмпирическим данным.

Ускорения колебаний грунта в зонах ВОЗ. Наибольшие ускорении колебаний грунта наблюдаются вблизи сейсмотектонических разрывов. При этом б среднем пиковые значения ускорений вблизи разлома не превыгсают 60 % от ускорения силы тяжести (Г.Хаузнер, Б.Болт), а отдельные толчки могут вызывать ускорения, превышавшие ускорение силы тяжести <] (П.И.Краминин, Ю.К.Чернов, В.В.Штейнберг, Ж.Я. Аптекман, В.М. Грайзер, К.Г. Плетнев и др.).

Ввиду небольшого числа имеющихся записей колебаний грунта в эпицентральных зонах разрушительных землетрясений, полезно развивать инженерные методы оценки расчетных параметров колебаний грунта по состоянию конструкций, испытавших сейсмическое воздействие. В диссертации представлена методика получения двусторонних оценок расчетного ускорения колебаний грунта по состоянию конструкций моста, часть элементов которого получила повреждения при землетрясении. Приводятся результаты выполненных по упомянутой методике расчетов путепровода в г. Спитаке, согласно которы/л расчетное ускорение горизонтальных колебаний грунта в среднем Оценивается величиной 0,25^ ,а ускорение вертикальных колебаний -величиной . •

Инженерный анализ и сейсмометрические данные показывают целесообразность дополнительной проверки мостдв, сооружаемых в зо-чах ВОЗ с магнитудой.//>.7,1, на сейсмическое воздействие от местного очага, создающего вертикальные колебания грунта с ускорением 1ри этом конструкции должны быть расчитаны с одновременным учетом горизонтальной компонены колебаний грунта с введением к ней «оэффициента сочетания Пс =0,5.

Скорости поперечных сейсмических волн в основания»опор мостов. 1ри проектировании опор мостов применяют обобщенный показатель точности грунта (условное сопротивление грунта при сжатии Я0 ). )тот показатель находят в зависимости от выявляемых при изысканиях 5изико-механических характеристик (гранулометрического состава, [лотности, влажности, пористости и текучести грунта). Для нескаль-[ых грунтов величина /?0 обычно находится в пределах от I до 10

1 5

(от 100 до 1000 кПа). В атом диапазоне в диссертации рассмотрено соотношение между величиной Я0 и скоростью распространения поперечных сейсмических волн V^ .

Для построения искомой зависимости использованч дчиные о скоростях упругих поперечных волн в покровных отложениях, слагающих русла и поймы рек, а также дно мелководных морских заливов и проливов /Н.Д.Красников, Г.Н.Назаров, О.В.Павлов, Н.Е.Зарубин, В.А.Павленов, В.И.Джурик, Ф.Пресс и др.), Рассмотрены три вида уравнений регрессии, связывающих вероятную скорость поперечных сейсмических волн и условное сопротивление грунта в

упомянут ом _выпе диапазоне изменения последнего: I) \-1 - ^ /?0, 2) = d¿\fí0 , 3)\£ =IZQ . Коэффициенты найде-

ны из условия минимуца отклонения вероятных значений скорости ^ от ее средних экспериментальных значений. Показано, что наилучшей из рассмотренных является корреляция

=120 /?о - 3,9/?0 (м/с) (2)

Влияние плотности и прочности- грунта на сейсмичность площадок строительства мостов. При проектировании" мостов длиной менее 500 м силу ожидаемого землетрясения на площадке строительства обычно определяют на основании данных общих инженерно-геологических изысканий, пользуясь инструментальными методами (табл. I СНиП "Строительство в сейсмических районах"). Основной недостаток упомянутой таблицы состоит в замене непрерывных 'зависимостей метду физико-механическими характеристиками грунта и ускорением его колебаний при землетрясениях на зависимости разрывные на' границах категорий грунта по сейсмическим свойствам. Вследствие этого использование нормативной методики приводит к изменению сейсмической нагрузки на сооружение в два раза при самых незначительных изменениях характеристик грунта вблизи границ категорий. Особенно сильно отмеченный недостаток принятого способа сейсмического микропайониро-вания по данным общих инженерно-геологических изыскания ухудп.ает

технико-экономические показатели опор мостов через водотоки.

Для построения искомой непрерывной зависимости приращения

балльности от плотности и прочности грунта исходными являлись известная формула сейсмического микрорайонирования по скоростям .упругих сейсмических волн'(М.А.Садовский, И.Л.Нерсесов, С.В.Мгдведоп и др.) и приведенное выше соотношение (2). Найденная из этих условий формула приращения балльности на данной площадке го отнг;--;;:!"п к плоцядке, 'сложенной "српдкими" грЯггште, т^пт pvf:

-1'5

'о '

.3.

где J3 - плотность грунта основания опоры, т/ма,

условное сопротивление грунта сжатию, кгс/см*\

Для практического использования корреляции (3) предложено ускорение колебаний основания опор учитывать с дополнительным коэффициентом грунтовых условий Крр, который вычисляется по формуле:

Крр = 21'67 Ч р (1SU ) " 1>5 (4)

В упомянутом диапазоне значений условного сопротивления /<о величина Крр изменяется от 2 до 0,75. Подученная формула позволяет по известной плотности и условному сопротивлению грунта сжатию выделить по длине мостового перехода участки с различной интенсивностью сейсмического воздействия без непосредственного измерения скоростей сейсмических волн на площадке строительства.

Динамические модули деформации грунтов.В мостостроении динамические модули деформации грунтов £у и применяются для определения реакции основания на перемещения фундаментов опор при землетрясении, а также используются при нахождении амплитуд колебаний покровных отложений в створе мостового перехода. Количественно динамические модули деформации нескальных грунтов существенно отличаются как от статических модулей деформации Ест и & ст, так и от модулой упругости грунта £0 и G^. Для определения динамических модулей деформации нескальных грунтов в диапазоне условного сопротивления сжатию /?„ от I кгс/см2 до 10 кгс/см2 в диссертации предложены формулы

Е» = 0,0I27/>7tfo(I20, - 3,9/?u)Ja>2 (5)

= 0,0047[mRo( 120 - 3.9/?,)JZ'Z (6)

где 1П - коэффициент, принимаемый при силе землетрясения 7, 3 и 9 баллов равным 1,0 , 0,75 и 0,5 соответственно.

При выводе формул (5) и (6) были использованы эмпирические зависимости между скоростью упругих поперечных волн и модулями упругости грунта (Р.Н.Назаров, В.А.Шемшурин) и данные о скоростях упруго-пластических поперечных волн (Н.Д.Красников и др.). Завися- ■ мости (5) и (6) следует рассматривать как приближенные. Их применение целесообразно в тех случаях, когда на площадке строительства моста затруднительно выполнение специальных' инженерно-сейсмологн-ческих исследований.

к)

Влияние грунтовой роды на колебания оснований опор мостов. Связь между уровнем грунтовой воды и степенью повреждения сооружений при землетрясениях отмечалась многими специалистами. В ранних работах (С.В.Медведев, Б.К.Карапетян) при высоком уровне грунтовой воды предлагалось увеличивать сейсмическую нагрузку, в 1,5-3,0 раза. В более поздних исследованиях (III. Г.Напетваридзе, Д.Д.Баркан и др., О.В.Павлов и др.) приводятся данные о том,что обводненность не столь существенно влияет на увеличение интенсивности колебаний грунтов (особенно крупнообломочных), как считалось ранее . В работах некоторых зарубежных специалистов (I///. др.)

делается вывод, что влиянием грунтовой воды на интенсивность колебаний на поверхности грунта можно пренебречь.

Для оценки влияния обводненности на параметры сейсмического воздействия был сделан расчет колебаний грунта в створе мостового перехода через водохранилище Рогунской ГЭС. Покровные отложения на площадке строительства левобережных опор состоят из двух слоев грунта с горизонтальной границей раздела на глубине 34,0 м от дневной поверхности. Кровля коренной породы (конгломерата) располагается на пц'бине 57,0 м. Верхний горизонт инженерно-геологического раздела сложен селевыми крупнообломочными отложениями, нижний - суглинками и супесями. При расчете колебаний покровных отложений спектр воздействия (коэффициент динамичности) принят по действующим строительным кормам.

Выполненное исследование показало, что обводнение по разному влияет на перемещения, скорости и ускорения колебаний грунта. В наибольшей степени (примерно на 50 %) увеличивается амплитуда колебаний покровных отложений. Заметно сказывается обводнение на скорость колебаний рыхлых грунтов (увеличение скорости на 15 ■%). Влияние грунтовой воды на ускорение колебаний на поверхности грунта невелико (в пределах 5 %).

В рассмотренном случае увеличение интенсивности сейсмического воздействия в основном произошло за счет обводнения нижнего слоя, сложенного суглинками и супесями. Замачивание верхнего слоя крупнообломочных отлчжений не привело к существенному изменению параметров колебаний на поверхности грунта.

По данным расчета насыщение пор грунта водой увеличило периоды колебаний массива по собственным формам примерно на 15 % . Таким образом, максимум сейсмического-воздействия на площадках,сложенных обводненными грунтами, должен быть несколько смещен в строну бплое

лысою« значений периоца собственных колебаний сооружения.

з. особенности конструкция мостов, сооружавши

В СЕЙСМИЧЕСКИХ РАЙОНАХ

Глава содержит технико-экономический диализ конструкций мостов, применяемых при строительстве в сейсмических районах . Предлагается классификация сейсмостойких конструкций мостов и их антисейсмических устройств. Обсуждаются результаты выполненных испытаний антисейсмических устройств с тарельчатыми пружинами и резино-металлическими элементами. Дана методика расчета буферных устройств. Выполнен анализ расхода материалов и стоимости антисейсмических мероприятий в мостостроении.

Классификация сейсмостойких конструкций мостов. Практика проектирования мостов в сейсмических районах выработала множество технических средств сейсмозащиты (Г.Н.Карцивадзо, В.П.Чуднецов, В. А.Словинский, Ю. В.Словинский, К.Итига, УпогтЬ* , Д5 МсСюмС , , Н1\'ис1е , О.Н. ОеуелкоС& ¡Л.&пуСпоМ и др.).

Для упорядочения этого множества предложены различные классификации сейсмостойких конструкций (С.А.Щулъчан и др.). В'диссертации предлагается классификация наиболее распространенных способов сейс-мозащиты и конструкций антисейсмических устройств п мостостроении.

К первому способу относятся меры по резервировании несут,эй способности, увеличивающие в необходимой степени сопротивление конструкции сейсмической нагрузке. Но второму способу можно отнести сптимизационне мероприятия, уменьшающие сейсмические нагрузки до безопасного для сооружения уровня. На практике используются такяе комбинированные решения, сочетающие упомянутые два способа.

Способ резервирования реализуется в виде конструкций:

- с повышенными характеристиками прочности;

- с увеличенными размерами поперечных сечений;

- с дополнительным армированием железобетонных элементов;

- с повышенным ресурсом работы в упруго-пластической стадии;

- с резервными внешними связями.-

Способ оптимизации осуществляется посредством возведения конструкции:

- с уменьшенной массой;

- о рационально распределенными массами и жесткостями;

- с гасителями колебаний; - с гасителями .ударов;

- г» г"стггта**и ссйсмризодяш'и.

Каждый из перечисленных типов конструкций допускает подразделение на ряд конструктивных решений. Например, резервные связи могут осуществляться в виде:

- горизонтальных связей между пролетными строениями и опорами (стопоров);

- вертикальных связей сежду пролетными строениями и опорами (анкеров);

- вертикальных связей между фундаментом и скальным основанием опоры (анкерных свай);

- связей между соседними разрезными пролетными строениями (сцепных устройств);

- связей между фундаментами и шкафными стенками ус.тоев в однопролетных мостах (распорок);

Испытания и тшечет буферных антисейсмических .устройств.

Удары пролетных строений в ограничители горизонтальных перемещений вызывает тяжелые повреждения сопредельных конструкций. Для смягчения ударов применяют буферные устройства в виде резиновых прокладок или металлических конструкций, рабочим органом которых являются тарельчатые пружины.

Для изготовления опытной партии тарельчатых пружин использовалась высокопрочная сталь марки 60С2А. Пружины имеют внешний диаметр^ =300 мм, внутренний диаметре/ =122 мм, толщину £! =20 мм, высоту внутреннего конуса^ =б мм. Опытная партия пружин прошла испытания на твердость, жесткость, прочность и выносливость. Испытаниями было установлено, что опытная партия удовлетворяет ГОСТ 3057-79 и может быть использована при строительстве мостов. В последующем буферные тарельчатые устройства были установлены на нескольких больших и средних мостах в сейсмических районах.

В ЦНИИСе и в Союздорнии проведены испытания буферных резино-металлических элементов. Испытания проводились на сжатие и на сдвиг. Элементы изготовлены на Саранском заводе резино-технических изделий. Каждый элемент представляет собой резиновую прослойку • толщиной 40.мм, заключенную между двумя стальными пластинками, которые имеют в плане форму прямоугольника с размерами сторон 220x265 мм. Очерченные по параболе боковые поверхности резиновой прослойки вогцуты вцутрь элемента. Сжатие элементов нагрузкой до 2200 кН не привело к их разрушению. По данным Союздорнии срок службы буферов, изготовленных из'резины марки 7Н0-68-1 и установленных на ряде мостов в Армении составит не менее 60 лет.

Необходимой количество буферных элементов в антисейсмических устройствах определяется расчетом, учитывающим их прочностные и деформативные характеристики. Для выполнения расчета буферного устройства на удар разработана методика и дан пример ее применения.

Удорожание строительства мостов в сейсмических районах.

Технико-экономические показатели сейсмостойких конструкций были выявлены при анализе типовых и индивидуальных ппоектов, а также при опытном проектировании конструкций. Изучение проектных материалов показало, что в основном дополнительные затраты на антисейсмические мероприятия в мостостроении связаны с повьпюнным расходом материалов в опорах и с устройством специальных антисейсмических элементов, обеспечивающих устойчивость пролетные строений при землетрясении. Усиление пролетных строений по расчету на прочность с .учетом сейсмических воздействий обычно нэ требуется. Дополнительный затраты материалов в опорных частях сравнительно невелики.

Выполненный анализ позволил оценить размеры удорожания строительства мостов в сейсмических районах, обеспечивающего уровень сейсмостойкости, соответствующий требованиям действующих строительных норм. Ь среднем для мостов различного назначения удорожание строительства за счет антисейсмических мероприятий можно принять равным 2-4, 4->3 и 8-12 % при расчетной сейсмичности 7, 8 и 9 баллов, соответственно.

4. КОЛЕБАНИЯ ОПОР МОСТОВ ПРИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯХ

13 отечественном мостостроении расчет на сейсмическое воздействие выполняется в соответствии с принципиальными положениями теории сейсмостойкости сооружений, изложенными в трудах И.Л. Корчинского, 1'1.Г.Напетвапч'зо, А.Г. Назарова, П.П.Кульмача, Г.В.Беченевой ,

0.В.Полякова, В.А.Ильичева, Ю.В.Монголооа, Т.Ж.Жунусова и др.

Вместе о тем, расчет мостов на сейсмостойкость имеет существенные отличип от расчета зданий и гидротехнических сооружений . Эти отличия огтеопеляютсл необходимостью учитывать на мосту при землетрясении наго.узку от подвижного состава, а также спецификой конструкций совгп!."?пчих бсчытх мостов, как протяженных и высоких сооружений с с.у'"'"геонно неравномерным распределением массы по их высоте. Кромо 7г)по, железобетонные опоры путепроводов и виадуков, гнета еравнег- чьим небольшие размеры поперечных сечений. Поэтому

в мостах при землетрясениях обычно возникают интенсивные вынужденные колебания, вызывающие неупругие деформации в опорах и в их основаниях. Отмеченные особенности потребовали выполнения специальных исследований (Г.Н.Карцива.ь.зе, Б.И.Ильясоа,-Х.Моджеков и др.).

Учет нагрузок от транспортных средств при определении сейсмических сил.

Сейсмические нагрузки и нагрузки от подвижного состава -независимые случайные величины, учет которых при проектировании мостов основывается на статистическом анализе различных сочетаний этих нагрузок. При этом необходимо принимать во внимание возможность проскальзывания во время землетрясения вагонов и автомобилей. Методика учета этих факторов разрабатывалась Г.Н.Карцивадзе, С.А. пульманом, А.И.Васильевым, Ю.М. Сильницким, М.А. Шварцем, А.М.Уздиным и др.

Для расчета мостов на сейсмостойкость нужно знагь массу полезной нагрузки. Эта масса является случайной величиной, зна-ения которой изменяются в довольно широких пределах. Для определения массы полезной нагрузки в совместной работе автора и А.И.Васильева предложен критерий, заключаюдийся в том, что совместно с сейсмическим воздействием следует учитывать полезную нагрузку с такой массой, чтобы вероятность ее превышения была равна 5 %.

Для использования упомянутого критерия нужно знать распределение вероятностей презшения массы нагрузок от подвижного состава при различных длинах и габаритах мостов, [""рафики распределения этих вероятностей построены на основе данных о структуре автотранспортного парка страны и о характеристиках движения по мостам. Выполненное исследование позволило предложить величину коэффициента сочетания для нагрузок от подвижного состава автомобильных дорог, включенного в действующи строительные нормы.

Колесные реборды не позволяют вагонам смещаться поперек оси пути. Поэток<у колебания основания, направленные поперек оси пути, вызывают силы инерции от массы поезда. На величину этих сил существенно влияет податливость рессор вагонов. Для учета боковой качки вагонов, вызываемой сейсмическими колебаниями основания, предложена расчетная схема системы "опора - пролетное строение- вагон" . Получена формула для определения горизонтального перемещения центра ' массы вагона под действием единичной силы, учитывающая параметры железнодорожного подвижного состава. Анализ результатов расчетов, выполненных для обращающейся и для перспективной нагрузок показал,

го

что fío л'(»'благоприятной при сейсмическом воздействии является o6natrwm":<! нагрузка, ичекпая теложки с более пнсокой жосткостьп pwopimr.i подпотивтния.

"нонкч погрешностей расчета на сейсмостойкость опоп виадуков. Опоры питтукгт сооружают высотой до 100 и более метров. Для приемлемого приближения к действительным распределениям погонной массн, моментов инерции и плоцадой поперечных сечений опоры необходимо поделить но ос высоте большее, чом обычно число участков. Однако, с .ут.'лнчеип'-ч этого числа бистро растет объем исходной информации и время ее обработки, что затрудняет использование расчетных схем с очень большим числом степеней свободы. В свяли с этим возникает задача mi'íopi оптимальных по чисду участков расчетных схем для опор Bi;a"j,'!'ou.

Для (л:"!!кп погрешностей расчета на сейсмостойкость рассмотрим примет; пнчкелений для проекта опоры моста через каньон р.Вахш. Опора по"т:'.-тчлл1тет собой железобетонную рамную конструкцию высотой над '.'¡"' лом фундамента около 75 м. Расчет выполнен для схем опорн о м участков от трех до девяти.

Лнал:н результатов вычислений показал , что наибольшая погрешность рчсоетч (до '¿5 соответствует- разбиению опоры на три участка. При .уп-'лм ченнн числа масс погрешности вычислений уменьшаются. Для г'1С''отч"П cvjmu с семью массами погрешности для всех опреле-л;1'>мых поро-.-^троп не превышают 5 ■%. Таким образом, при расчете г-пер Р!"!";/!" и ну-гцо принимать расчетные схемы с числом сосредоточенных мчге це '-енес 7,

Пг',! ('"брцщом числе масс дополнительную погрешность в ряс-чет вносят чрсиобрежение вистами формами колебаний. Наименее чувствительны-1 -ппа'.г'тр по отношению к выспим формам колебаний -

;л:;гуда '••.:» тлчуя верха опорн, для вычисления которой достаточно учесть rte^r.yo (,опм.у колебаний. В наибольшей степени старшие формы колобан;;,"! влияют на поперечные силы в нижней части опоры, особенно на е.-лу, сдвигяюдуп массивный фундамент относительно скаль-нсгз '."jik тпч-я. Для вычисления этой силы необходимо учитывать пс ¿.ош" сУетвсинн* колебаний, соответствутецио выбранной расчетной " :.

Вчи.чму" :'ол?ге"ных трещин гг железобетонных стойках опор из о-.-млитт-" колебаний подферменных: плит. При сейсмических воз-дойогввлч г.-лфотглйтя« плиты опор и неподвижно опертые на них про;'"" 'н'.' е-т^гг|1*я совершает в направлении оси поста колебания

со значительными амплитудами. Если деформационные швы сооружения не имеют достаточной ширины, то возникают удары подвижно опертых концов пролетных строений в шкафныо стенки устоев и другие конструкции мостов. При этом в местах ударов возникают тяжелые повреждения пролетных строений и опор.

Существенное влияние на амплитуды колебаний подфермонных плит оказывают поперечные трещины в железобетонных стойках опор, образующиеся при сильных землетрясениях. Для разработки методики умета трещин рассмотрены результаты экспериментов, при которых модели железобетонных плит, балок и плитио-балочных конструкций доводились до разрушения. Выполненные опыты позволили оценить уменьшение жесткости железобетонных изгибаемых элементов при нагрузках, близких к предельным по условию прочности.

Наблюдения показали, что неупругие деформации бетона появляются при относительно небольших нагрузках. В некоторых случаях видимые поперечные трещины обнаруживались при нагрузке, равной 0,3 от разрушающей. Если нагрузка приближалась к предельной по условию прочности балки, то прогибы, рассчитанные по формулам сопротивления упругих материалов, составляли всего 30-40 % от фактических, т.е. на долю прогиба от неупругих деформаций и трещин приходится 60-70 % суммарной величины прогиба.

Исходя из расмотреуных экспериментальных и.расчетных данных, а также на основании опыта обследования ростов в зонах землетрясений была разработана методика расчета амплитуд колебаний под-ферменных плит с учетом неупругих деформаций железобетонных стоек. Выполненные по втой методике расчеты показывают, что при существенном повреждении стоек в опорном сечении (потеря 75 % жесткости) можно ожидать увеличения амплитуды колебаний ригеля примерно в два раза. ' • '

Программа расчета опор на сейсмостойкость. К настоящее времени в различных научно-исследовательских и.проектных организациях составлен ряд программ, позволяющих выполнять на ЭВМ отдельные трудоемкие этапы расчета' опор мостов на сейсмостойкость.

Широко применяется при проектировании и исследовании мостов программа "Сейца",' разработанная в ЦНИИСе. За 20 лет использования эта программа прошла несколько модификаций. Последняя версия программы написана с учетом возможностей персонального компьютера 'типа РС-АТ.

При разработке программы "Сейна-51" расчетная схема опоры

принята п виде вертикального консольного стержня, состоящего изП участком. Модули .упругости при растяжении и сдпигс задаются для каждого .участка схемы, что позволяет выполнить "расчет с учетом фактических характеристик материала в разных частях опоры. Площади и моменты инерции поперечных сечений участков постоянны по их длине, но мор.ут быть неодинаковыми у разных участков. Допускается возможность сдвига и поворота участка опоры с номером "к" относительно участка с номером "к-Г' (к=1, 2,...11). Допускается возможность горизонтального перемещения груза с массой Пу ^-1,2..л) относительно точки ого прикрепления к опоре. Коэффициент динамичности задается п табличной форме, позволяющей использовать при расчете но только отечественные, но и зарубежные нормы, а также ' результаты специальных инженерно-сейсмологических исследований п створе мостового перехода.

Упомянутые вьсте и ряд других возможностей программы УСейна" попнолфот выполнять расчеты на сейсмостойкость опор разного типа с учетом взаимодействия фундаментов с основанием, опор с пролетными строениями и пролетных строений с подвижным составом.

5. СККОШРЖ ЗАДАЧИ ДИНАМИКИ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИИ' ПРОтатИРУЕМНХ-ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В СЕЙСМИЧЕСКИХ

•РАЙОНАХ "

'.'отод!1 тгчета балок и плит на импульсные и подвижные нагрузки излг^гчш п работах О.П.Тимотенко, В.В.Болотина, И.М.Рабиновича, А.Ь.Александрова, Н.Г. Бондаря, И.И.Казея, Б.Ф.Лесохина, Ю.Г.Ксзь'.^'.на, Э.А.Сехниа'пвили, 'А.П.Филиппова, А.Г.Барченкова ., В.С.Сзфренопч, М.Р.Диванидзе и др.

Методика расчета мостов как. плоских рам, совершающих колебания из своей плоскости, разработана Г.Н.Карцивадзе. Исследование колебаний балочных пролетных строений как пространственных систем выполнено Л.Д.Коноваловым-. Динамическую реакцию рамных и висячих мостов на сложные силовые й кинематичесние воздействия проанализировал В.М.Осркин. • '

<\иали..1 последствий землетрясений показывает, что при расчете пролети;,гс строений на сейсмостойкость необходимо наряду с сейсмически'! воздействием учитывать импульсные нагрузки от уда-ооп и колебания от прохода транспортных средств. В связи с этим рассмотрено речение' упомянутых задач в рамках единой методики . 'За основу' пг,ч разработке такой-методики принят статический прост-

ранственный расчет пролетных строений по методу сил (И.ЮЬпкошм, Б.Е.Улиикий и др.) и метод интегрального преобразовании Лапласа для решения задач динамики (Я.Г.Пановко, Б.Е.Булгаков и др.) в сочетании с методами матричного исчисления (А.4.Смирнов, Ф.Р.Гантми-хер, П.В.Броыберг и др.).

Собственные пространственные колебания плитно-балочного пролетного строении.

Определение собственных форм пространственных колебаний пролетного строении сводится к отысканию нетривиальных решений однородной системы линейных алгебраических уравнений, содержащих неизвестный параметр. Матрица коэффициентов системы, зависящая от деформатишшх свойств объекта, определяется с использованием пространственного расчета пролетного строения по методу сил. Условно существования нетривиального решения системы заключается в равенстве нулю определителя, составленного из коэффициентов систсмы.

Для проверки методики определения частот и форм пространственных колебаний-был поставлен опыт на модели пролетного строения, состоящей из двух балок и плиты. Модель изготовлена из органического стекла. Концы балок иарнирио закреплены опорными частями . Вибрации модели воспринимались пьезокерамическими виброп.атчиками и записывались с помощью осциллографа.•

Анализ виброграмм показал, что колебания балок в основном определяются изгибной и изгибно-крутильной формами колебаний. Погрешность вычисления этих частот по сравнению с экспериментальными значениями не превыаает 2 %,

Вынужденные пространственные колебания плитно-балочного про-. летного строения. Поперечныз изгибно-крутильнке колебания балочного пролетного строения с деформируемым Контуром поперечного сечения определяются блочной вектор-функцией с компонентами, описывающими колебания отдельных балок. Неизвестная функция отыскивается в виде тригонометрического ряда с переменными коэффициентами .

В работе получено матричное дифференциальное уравнение, описывающее вынужденные пространственные колебания балочного пролетного строения. Дано решение этого уравнения, соответствующее независимым аагружениям всех балок пролетного строения. Рассмотрены задачи о колебаниях пролетного строения, возбуждаемых импульсной, внезапно приложенной, гармонической и подвижной нагрузками. Найденные решения позволяют вычислить в любой момент времени отклонения валок от положения равновесия, а также изгибающие моменты и поперечные силы в их поперечных сечениях.

Методика расчета пролетного строения на удар проверена экспериментально. При анализе сопоставлялись опытные и расчетные значения амплитуд колебаний балок модели из оргстекла в вертикальном и горизонтальном направлениях. Расчетные амплитуды колебаний вычислялись на ЭВН через каждую миллисекунду на отрезке времени 50 мс. Наибольшее значение расчетного прогиба балки № I при вертикальном ударе по середине балки * 2 отличается от измзренной величины примерно на 5 %.

' ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании изложенных в диссертации материалов можно сделать следующие основные выводы:

1. Впервые в отечественной практике осуществлен многолетний ряд натурных наблюдений и массовых обследований мостов!« сооружений в эпицентральных зонах разрушительных землетрясений. Наблюдения позволили выявить не отмечаваиеся ранее причины повреждений

и разрупений мостов, а также разработать акалу уязвимости мостов при сейсмических воздействиях силой от 7 до 10 баллов. .

2. Обосновано применение в мостостроении усовершенствованной концепции сейсмостойкости, согласно которой в несудих конструкциях мостов при землетрясениях расчетной силы допускается появление ограниченных сстаточных местных И общих деформаций, не вызываодих закрытия моста для движения транспортных средств и Но нарупап!|их других основных служебных функций моста.

3. Для исключения случаев разрупения мостовых сооружений при землетрясениях предложены обобщенные принципы обеспечения их сейсмостойкости, включающие в себя основные требования нэ только к проектированию, но также к постройке и к содержанию мостов.

4. Разработаны методики для уточнения расчетных параметров сейсмического воздействия и динамических модулей деформации грунтов при проектировании мостов.в ¡районах сейсмичностью 7, 8 и 9 баллов, позволившие получить:

- корреляционные зависимости между вероятной скоростью поперечных сейсмических волн и условным сопротивлением грунта сжатию;

- формулу для вычисления поправочного коэффициента, учитывающего влиячяе физико-механических свойств грунта на ускорение колебаний покроят1* отложений при землетрясениях;

формулы для определения динамических модулей деформации

нескольких грунтов при сжатии и сдвиге;

- оценки влияния грунтовой воды в слоистых покровных отложениях на плрлметри колебаний оснований опор мостов при земле -трясениях.

5. Разработаны методики для оценки амплитуд тектонических разрывов на поверхности грунта и ускорений колебаний покровных отложений в зонах очагов, землетрясений, позволиввие найти:

- корреляционную зависимость между магнитудой землетрясения и амплитудой разрыва, являющуюся наилучиим приближением к рассмотренным эмпирическим данным;

- двусторонние опенки ускорений колебаний грунта в эпицентрадь-ной зоне землетрясения в Армении (1988 г.) по состоянию конструкций эстакады в г. Спитаке;

- величины расчетных ускорений колебаний грунта в горизонтальном и в вертикальном направлениях для проектирования постов в зонах очагов возможных'землетрясений с магнитудой 7,1.

6. Выполнен инженерный анализ повторяемости сейсмических воздействий в западной части ВАМ, позволивиий оценить средние временные интервалы между сотрясениями силой 7, 8 и 9 баллов по икале МЬК-64 для мостов на участке от Нижнеангарска до.Усть-Нвкжи и предложить процедуру определения расчетной сейсмичности при проектировании мостов.

7. 11редложена классификация способов антисейсмической защиты и антисейсмических устройств, наиболее иироко используемых в отечественном и в зарубежном мостостроении. Разработаны оригинальные конструкции, проведены испытания и дана методика расчета антисейсмических устройств с тарельчатыми пружинами и резино-«еталли-ческими элементами. " •

8 . Выполнен анализ расхода материалов и стоимости анти -сейсмических мероприятий в мостостроении. Показано, что удорожание строительства мостов за счет антисейсмического усиления конст- -рукиий обычно составляет 2-3?, % и 8-12 % при расчетной сейсмичности 7, 8 и 9 баллов, соответственно.

. 9. Исследованы колебания опор мостов при землетрясениях', с учетом нагрузок от подвижного состава железных и автомобильных дорог. Найдена величина коэффициента сочетания к нагрузке от авто-< ыобилей, рассматриваемой совместно с сейсмическим воздействием , Предложена формула для учета в расчете жесткости рессорного под в е-* иивания железнодорожного подвижного состава при определении сейсмической нагрузки. '

10. Показано, что динамические схемы опор виадуков должны включать не менее 7 масс. Дана оыенкя влияния высших форм колебаний на параметры напряженно-деформированного состояния опоры. Сделан вывод о том, что сейсмичеокая нагрузка, соответствующая выспим формам колебаний, существенно влияет на поперечные силы в нижней части опоры.

11. Разработана методика определения амплитуд колебаний опор мостов с учетом поперечных трущин в стойках, возникающих при землетрясениях.В основу методики положены результаты испытаний железобетонных моделей балок, плит и плитно-балочннх конструкций с доведенном их до разрушения. По данным расчета опоры путепровода сделана опенка возможного увеличения амплитуды колебаний ригеля опоры при потере начальной жесткости стоек.

12. Создан комплекс алгоритмов и программ, позволяющий выполнить расчеты на сейсмостойкость опор равного типа с учетом взаимодействия фундаментов с основанием, опор с пролетными строениями и пролетных строений с подвижным оставом. ,

13. Построен матричный алгоритм для определения матрицы единичных обобщенных перемещений плитно-балочного пролетного строения по мгтоду сил с учетом деформации контура его поперечного сечения. Составлено и реиенэ частотное уравнение пространственных колебаний конструкции. Выполнена экспериментальная проверка полученного реяения.

14. Дчя широкого класса возмущающих сил получено и речено уравнение вынужденных пространственных колебаний плитно-балочного пролетного строения. Найденные реаения уравнения определяют напряженно-деформированное состояние конструкции при колебаниях, возбуждаемых импульсной, гармонической, подвижной к другими видами динамических нагрузок. Методика расчета на удар проверена экспериментально.

15. Совокупность решенных задач позволяет заключить, что

в диссертации на основе использования методов инженерно-сейсмологического .аызлиза разработана современная экономически эффективная методология проектирования сейсмостойких мостов, реализованная посредствен чклпченля ее в нормативные документы и широкого использовании. в проектной практике. Высокая надежность мостов, запроектированное по 5тим документам, подтверждена данными их обследований н .асах разрушительных землетрясений.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Шестоперов Г.С. Вынужденные колабашш .пролетного строения балочного моста под действием движущегося груза //Сборник трудов аспирантов и соискателей МАД11. Ц.:!ЩИ, 1969. -С. 172-180.

2. Шестоперов Г.С. Собственные колебания балочного пролетного строения железобетонного моста с учетом пространственной работы конструкции //Труды Гмдропроекта. -1970,- fc9.-C.352-364.

3. Шестопоров Г.С. Некоторые задачи динамики пролетного строания балочного моста //Известия вузов. Строительство и архитектура. -1970. - hS.-С.16-22. •

Шистопбров Г.С. Определение сейсмических нагрузок для расчета конструкций мостов на сойсиостойкость //Информационный бюллетень В11Т1Щ. Алгоритмы и программы. U.,1975.- К2.

, 5. Шестоперов Г.С., Климова-Л.П. Программа для определения сейсмических нагрузок "Сейна 7^" //Сойсиостойкость транспортных сооружений. М.:ЦНШ1С, 1975. -C.88-I06.

6. Шестоперов Г.С. К вопросу обобщения нормативной формулы длн определения сейсмической нагрузки //Сейсмостойкость транспортных сооружений. М.:ЦНИИС, 1975. -С.22-30.

7. Шестоперов Г.С., Шульман С.к. Об учете податливости рас-сср подвижного состава при расчете железнодорожных мостов на сейсмостойкость //Сейсмостойкость транспортных сооружений. U.: ЦНИИС, 1975. -С.7И-87.

8. Карцивадэе Г.Н., Шестоперов Г.С., Дориан И.Я. О нормах проектирования дорожных искусственных сооружений в сейсмических районах // Сейсмостойкость транспортных сооружений. М.:ЦНИИС, 1975. -С.4-21.

9. Улицкий Б.Е., Васильев А.И., Шестоперов Г.С. Пространственные расчеты железобетонных иостов с учетом нелинейных деформаций //М.:Транспорт, 1975. 62с.

10. Шастояеров Г.С., Васильев А.И. Об'учете временных вертикальных нагрузок при расчете автодорожных мостов на сейсмостойкость //Сейсмостойкость транспортных, гидромелиоративных и других сетевых инженерных сооружений. Тбилиси: Мецниереба, 1976. -С.18-28.

II. L'acTOiiapOB Г.С., Васильев А.П., ¡Пульман С.А. 00 учото вромешшх рортикалышх нагрузок при расчета мостов на сейсмостойкость //Материалы Всесоюзного совещания в Кишиневе по сойсиостой-кости сооружении. М. :ЦНИИСК, 1976. -С.137-lVd.

IZ. fJheslcpews Damaje to foidjes duting Hotlh. Caucasus Cailh^Ubfos. Seminflt СП, conshfchcns i<> Mi'smic Jones. /Ъгъпмс - Celine (Jlofrj), Ш.

' 13. CiGCTonnpon Г.С., Васильев А.И. Распределение вероятностей сейсмических потрясений на участке БАМ, расположенном мояду Нижие-апгарском н Усть-Нюкяой //Сейсмостойкость транспортных сооружений. М.:ЦНШ;С, 1979. -C.'f-W.

14. Г'остонерол Г.С., Напетввридзе Ш.Г. 0 проекте инструкции по учету сойсмичоских воздействий при проектироранип i.-octob и труб БАМ //Снисмическая опасность и сейсмостойкое строительство райока БАМ. Иркутск, 1979. -С.58-59.

15. Пераселенков Г.С., Шестоперов Г.С. Сейсмическая опасность и пути оптимизации антисейсмической защиты БАМ //Сейсмическая опасность и сейсмостойкое строитальсгво района БАМ. Иркутск, 1979. -C.39-'t3.

1(5. ¡"устоперов Г.С., Казей И.И. Поврездония мостов при землетрясениях и Дагестана //Сейсмостойкость транспортных сооружений. М.:Наука , 19Ш. -С.5-9.

17. Пирсселспков Г.С., Иостопоров Г.С. Учет сейсмических воздействий при строительства и эксплуатации иостов и других соору,solum БАМ и районах сейсмичностью более 9 баллов //Тсзисы докладов 3-uii Всесоюзной конференции по проблемам хозяйственного освоения зоны БАМ. Li., 1981. -С.68-73.

18. Пссгопоров Г.С. Нормативные требования к назначении расчетной сейсмичности при проектировании иостов, труб и подпорных стон на дорогах обсей сети // Тезисы докладов Всесоюзного совещания (Алма-Ата). 1.1. :Стройиздат, 1932. 47с.

19. ['.Чстоиероз Г.С., Проскурня Л.Л. Определение сейсмических нагрузок для расчета- конструкций мостов на сейсмостойкость с использование:,; ЕС ЭВМ //"Информационный бюллетень БНТИЦ. Алгоритмы

и програш:;:. :.!., I9B3. -Х5.

20. Шестоперов Г.С., Дориан И.Н., Целиков Ф.И. Оценка стои-UOCTH антисейсмических мероприятий в транспортном строительстве //Строительство и архитектура. Серия "Сейсмостойкое строительство". I.Í., 1983. -Ы. -С.27-28.

21. Шестоперов Г.С. О назначении расчетной сейсмичности при проектировании мостов'//Исследование конструкций и технологии изготовления железнодорожных мостов. Ц.:ЦНИИС, 1934. -С.64-89.

22. Шестоперов Г.С., Федотов Б.И. Антисейсмические устройства металлического моста на БАМе //Транспортное строительство. -1984. -КЙ. -С.13-14.

23. Шестоперов Г.С. Расход материалов на антисейсмические мероприятия в мостостроении У/Транспортное строительство. -1984. -Ш. -С. 10-12.

24. Шестоперов Г.С. Усиление мостов в сейсмических районах //Исследование конструктивно-технологических решений пролотних строоннИ и опор железобетонных постов. II.¡Транспорт, 1984. -С. 18-21.

25. Шестоперов Г.С. Сейсмостойкость мостов /At.:Транспорт, 1984. 143с. ' ' '

26. Шестоперов Г.С., Целиков Ф.И., Колоколова Т.Н. Определение силы землетрясения по повреждениям дородных сооружений //Методы расчета и проектирования эффективных мостовых сооружений. М.: Транспорт, 1984. -С.19-22.

27. Шестоперов Г.С., Гроссман А.Б., Корниенко в.П. Воздействие Газлийского землетрясения на мосты //Транспортное строительство. -1985. -N5.-C.20-2I.

28. Шестоперов Г.С.,. Проскурня Л.Л. Расчет сил и моментов

в сечениях опоры моста от сейсмической нагрузки'//Информационный бюллетень ВНТНЦ. Алгоритмы и программы. М., 1985. -Ш. -С.91.

29. Шестоперов Г;С, Особенности определения сейсмичности площадок строительства мостов //Вопросы инженерной сейсмологии. М.:Наука, 1985. -С.180-185. ,

30. Шестоперов Г.С., Проскурня Л.Л. Программа определения поперечных сил и изгибающих моментов при расчете опор мостов на сейсмостойкость //Исследование конструкций опор мостов. Ы.Транспорт, 1985. -С.12-17.

31. Шестоперов Г.С. Влияние скорости движения поезда на напряяенно-до{юрмированноз состоянио наплавного моста //Исследование конструкции опор постов. М.¡Транспорт, 1985. -С.70-74.

32. Шостоперов Г.С., Целиков Ф.И., Гроссман Л.Б., Абдузалиев A.A., Корниенко В.П. Обследование автомобильных и железных дорог в районе КзПраккумского землетрясения //Строительство в особых условиях. СеМсмостойкое строительство. М.:ВНШ1С, 1986. -С.37-39.

33. Алказ В.Г., Шестоперов Г.С., Усачев Е.Т., Штерн А.Я., Сухарев Е.К., Кушнир Г.С. Проблемы проектирования и строительства

'транспортных сооружений в Молдавской ССр //Тезисы докладов республиканского совещания по проектированию и строительству сейсмостойких здани!! в МССР. Кизшш, 1936. -С.55.

34. Йестопсров Г.С. Антисейсмические устройства в мостостроении /Л!.:Л!Тптрзнсстрой, 1986. - 44с.

35. Шестоперов Г.С. Экспериментальные исследования колебаний модели пролетного строения моста //Сейсмостойкость транспортных и сетевых сооружений. М.¡Наука, 1986. -С.59-64.

36. Исрссоленков Г.С., Шестоперов Г.С. Основные принципы обеспечения сейсмостойкости транспортных сооружений в СССР // Сейскостог.костт. транспортных и сетевых сооружений. М. ¡Наука, 1986. -С.4-10.

37. iwcTonepoB Г.С., Тертеров A.C., Хачатуров К).С, Обследование «слезподоро.чяых сооружений'после Параванского землетрясения 1986 г. //Строительство в особых условиях. Сейсмостойкое строительство LI.:BHMÜC, 1987. -С.31-35. .

38. Шестоперов Г.С. Расчет буферных антисейсмических устройств мостов //Исследование конструкций искусственных сооружений для Западной Сибири и районов со сложными -условиями строительства. М.: Транспорт, 1987. -С.30-33.

39. Шестоперов Г.С., Целиков Ф.И., Гроссман'А.Б., Абдуввлиев A.A., Корниенко В.П. Воздействие землетрясения на дородные соору-ненип //Транспортное строительство. -1987. -ПА. -С.14.

40. Еестоперов P.C. Оценка сейсмостойкости мостов в зоне БАМ по данным обследований дорожных искусственных сооружений в сейсмических районах //Сейсмичность, инженерная геология и гидрогеология зоны НАГЛ (т«;;исы докладов всесоюзного совещания). Иркутск, 1987.

-С.57-5S.

41. йорасаленков Г.С., Шестоперов Г.С. Принципы раиаонадид-ности, избыточности и обслуживания при нормировании расчетной сейсмичности для транспортных сооружений //Пути совершенствования транспортного строительства,М.:Наука, 1937. -С.Ш-IIG.

42. Иеросвленков Г .С., Сильвестров С.П., Целиков Ф.И., Иос-топеров Г.С. Повышение адаптивности антисейсмических мероприятий в транспортной строительстве //Пути совершенствования транспортного строительства. М.:Наука, 1987. -C.II6-I2I.

43. Шестоперов Г.С., Пшеничников С.II., Федосеев Б.П., Штерн А.Я. Обследование конструкций мостов после Карпатского землетрясения 1986 г. в Молдавской ССР //Строительство в особпх условиях. Сейсмостойкое строительство. .М.:ВНИИС, 1987. -С.23-26.

44. Шестоперов Г.С. Требования к сейсмостойкости постов в нормах проектирования разных стран //Строительство и архитектура. Ii., 1987. -fc9. -С.8-12.

45. Шестоперов Г.С., Костяов А.П., Демидов д.ц. Исследований возлолности применения резино-ыеталлических элементов в антисейсмических устройствах мостов //Строительство и архитектура. М., 1987. -1,211. С.25-27.

46. Шестоперов Г.С., Бахтадзе М.В., Нечаев А.П., Коновалов А.Д. Ьадачи инженерно-сепсмометрической слудбыиа железнодорожных мостах и особенности ее организации //Тезисы' докладов. Махачкала, 1987. -С.20-22.

47. Шостоперов Г.С. Использование иняенерно-саисыологических данных при разработка основных положений норм проектирования мостов в сейсмических районах //Вопросы инженерной сейсмологии. Ле-нинакан, 1988. -С.172-173,

48. Шестоперов P.C. Повреждения моотов при'землетрясениях и их учет.при проектировании искусственных сооружений (отечественный опыт). М.:ВПТИтрансстрой, 1988. - 16с.

49. Шестоперов Г.С. Коэффициент динамичности в норнах сейсмостойкости мостов //Разработкэ и исследование новых конструкций

и технологии строительства железобетонных мостов и путепроводов. М.:ЦНИИС, 1988. -С.90-93.

50. Шестоперов Г .С. Коэффициент сейсмичности в нормах сейсмостойкости мостов //Исследование и применение безростверковых

опор мостов. М.:ЦНШ1С, 1988. -С.126Д29.

51. Шостопоров Г.С. Основные требования к расчету «остов на сейсмостойкость (советские и зарубежные нормы) *//М. :ВПТ11трансстроИ, 1989. -27с.

52. Шестоперов Г.С., Балаш В.А., Казей И.И. и др. Маршрутное обследование мостов, насыпей, выемок, устройств и объектов ».д. электроснабжения после землетрясения в Армении //Сборник научно-технической информации. М.:БПТИтрансстрой, 1989. -№18. -С.6-33.

53. Шестоперов Г.С., Казей И.И., Кручинкин А.В. и др. Мосты в зоне землетрясения в Армении //Прогноз землетрясений. Сейсмология. Сейсмостойкое строительство. М., 1989..-С.104-107.

54. Бгатов А.П., Суворов Б.Б., Шестоперов Г.С. Прогноз сейсмотектонических воздействий при изысканиях больших мостов с использованном данных космической фотосъемки //Конструкции опор мостов

в экстремальных условиях. М.:ЦНИИС, 1990. -С.20-26.

55. 'шестоперов Г.С., Ильинская Л.К. Об опыте разработки программных средств расчета опор мостов на сейсмостойкость /Донструк-цин опор мостов в экстремальных условиях. М.:ЦИИПС, 1990.-С.86-92.

56. Шестоперов Г.С., Лапшин Л.Л., Ильинская Л.К. Расчетные ускорения колебаний грунта в эпицентральной зоне Спитакского землетрясения по данным анализа состояния мостов //Исследования сейсмостойкости мостов. М.:ЦНИИС,. 1991. -С.7-Ъ.

' 57. Шостопоров Г.С., Лапшин-Л.Л.Оценка амплитуд сейсмотектонических разрывов на земной поверхности при проектировании мостов //Исследования сейсмостойкости постов. 1.1.:ЩШ!С, 1991.-С.38-44.

58. Шестоперов Г.С., Лапшин Л.Л. Скорости поперечных сейсмических волн и динамические модули деформации грунтов в основаниях опор мостоз //Исследования сейсмостойкости мостов, М.:цНШС, 1991. -С.45-53.

59. Шестоперов Г.С., Кугько Б.П., Пшеничников С.Н. и др. Мосты на автодорогах //Карпатское землетрясение 1986 г. Кишинев, Штиинца, Ъ90. -С.285-289.

60. Шестоперов Г.С. Инженерно-сейсмологические оценки в мостостроении /Д!.:ВПТКтранЬстрой, 1991. -31с.

61. Пзстоперов Г.С., Ронин'3.3. Оценки погрешностей применяемых программ расчета на .сейсмостойкость путец сопоставления с данными динамических испытаний опор мостов //Экспериментальные иссле-

дования шизперных сооружений. Суш, 1991. -С.132-133.

62. Шестоперов Г.С. Мосты повышенной сейсмостойкости //Мосты. Взаимосвязь иекду технологией возведения и конструкциями. 1Д.: БПТИ-трансстрой, 1991. -С.28-38.

63. Шестопоров Г.С., Казей И.И., Платонов A.C. и др. Обследование мостов после землетрясения в Армении /Д'.осты. Взаимосвязь между технологией возведения и конструкциями. М.:В11ТИтрансстрой, 1991. -С.123-124.

64. $liesiope7o\,' ¿J.S, ñtidqtt ol incteaiCíl ¿Ш-mic ¿Ш^Ы (¡ PcctecMntiS of tie Synaouu/n ¡л &птчкяЛ,

mi. ''

65. Шестоперов Г.С., Расчет колебаний балочных пролетных строений, проектируемых для применения в сейсмических районах //1.1.: ВПТИтрансстрой, 1991. -40с.

66. Шестоперов Г.С. Расчет колебаний опор мостов при землетрясениях //М.:ЫГО1трансстрой, 1991. -37с.

67. Shedopczo* Cj.í, Shedíübs ИД, Те Jo lo v bJ./^^n J.¿, /3t<W|e tcccnsi-tochon ¿>i seismic Xiiions// FkvceecfaßS óf {he Second ffus^cui, - Chinese, xcrícnat ¿emúrnt on eaiíkfuake. eaüwcunj . <m.: mz. -P. V3- П. '

68. Шестоперов Г.С., Шестериков В.И., Федотов Б.И.,.Лапшин Л.Л. Реконструкция мостов в сейсмических районах //Автомобильные дороги. -I992.-IÜ2.-C.I6-I7.

Патентные документы (в соавторстве)

69. A.c. II62886 от 22.Ú2.85. Опорная часть сооружения.

70. A.C. 1427020 от 8.06.88. Мост.

71.. A.c. 1445282 от 15.08.88. Неподвижная опорная часть моста.

Нормативно-технические документы (в соавторстве)

72. СНиП П-7-81. Строительство в сейсмических районах //М.: Стройиздат, 1982. -47с.

73. СНиП 2.05.03-84. Мосты и трубы //М.:ЦИТП Госстроя СССР, 1985. -200с. ' ' '

74. Рекомендации по учету сейсмических воздействий при проектировании мостов /Д1.:ЦНИИС, 1983. -21о.

88КВ8 97 . Тираж ака. • Ротапринт ЦшШСв

Содержание диссертации, доктора геолого-минералогических наук, Шестоперов, Герман Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПОВРЕЖДЕНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ МОСТОВ ПРИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯХ

1.1. Общие сведения о повреждениях мостов при землетрясениях в СССР.

1.2. Землетрясение в Дагестане (1975 г.).

1.3. Землетрясение в Киргизии (1978 г.)

1.4. Землетрясение в Азербайдаане (1981 г.).

1.5. Землетрясение в Узбекистане (1984 г.).

1.6. Землетрясение в Таджикистане (1984 г.).

1.7. Землетрясение в Таджикистане (1985 г.).

1.8. Землетрясение в Грузии (1986 г.).

1.9. Землетрясение в Молдавии (1986 г.)

IДО.Землетрясение в Армении (1988 г.).

1.11. Краткие сведения о разрушениях мостов при землетрясениях за рубежом.

1.12. Общие требования к проектированию сейсмостойких мостов.

Введение Диссертация по геологии, на тему "Инженерно-сейсмологический анализ в методологии проектирования сейсмостойких мостов"

Актуальность проблемы. Россия принадлежи® к числу государств, подверженных разрушительным землетрясениям. В частности, крупнейшие сейсмические события происходили в прошлом в таких регионах страны как Байкальская рифтовая зона, Камчатка, Северный Кавказ. Значительная уязвимость мостов при землетрясениях, большая тяжесть последствий их разрушения и возможность возникновения в ряде регионов сейсмических воздействий разрушительной силы позволяют отнести обеспечение сейсмостойкости мостов к числу актуальных социально экономических и крупных научно-технических проблем, имеющих важное народно-хозяйственное значение.

Постановка задач исследования» В начале исследований по проблеме сейсмостойкости мостов ГЛ. Карцивадзе была разработана концепция неповреждаемости их конструкций при расчетном сейсмическом воздействии. 8та концепция четко определила цель антисейсмических мероприятий, однако вопрос о принципиальной возможности и технических средствах достижения поставленной цели, а также стоимости соответствующих антисейсмических мероприятий в значительной мере оставайся открытым.

Попытка реализовать упонянутую концепцию относится к началу 1960-х годов, когда кафедрой мостов и железобетонных конструкций Грузинского политехнического института были разработаны требования к проектированию мостов, вошедшие в гл. СНиП П-А.12-62 "Строительство в сейсмических районах'1. Особенностью этих норм было жесткое ограничение строительства моетов на площадках, представляющих наибольшую опасность при землетрясениях, что отвечало принятой концепции, но далеко не всегда было достижимо на практике. Следует также отметить, что выполнение требований упомянутых норм во многих случаях приводило к существенному увеличению расхода строитель ных материалов и к усложнению производства работ, В частности, да данным опытного проектирования, выполненного Тбилисским филиалом Сою8дорпроекта, размеры фундаментов опор мостов при учете сейсмических воздействий увеличивались на 30-40 % от их размеров в обычном исполнении.

В начале 1980-х годов ЦНЙИС Минтраясстроя принимал участие в составлении гл. СНиП П-7-8Т "Строительство в сейсмически районах" В связи с отмеченными недостатками действующих норм автором диссертации была проанализирована существовавшая концепция сейсмостой кости мостов в свете современных данных об уязвимости мостов при землетрясениях и сведений об удорожании их строительства за счет антисейсмических мероприятий.

При анализе последствий землетрясений были рассмотрены многочисленные случаи обрушения мостов в Японии, СМ, Чили и других странах, описанные в работах С.М.ЯЫ'е у 2К,\/.$1еиъ-ёгиудеу ^^атаАу в.КасЬйс/ооит, и!.^.ЬопМа^ ТЬъа^а} М. РеЬсап^и > О). Т1о£а\л/си и др. Однако, поскольку мосты в разных странах имеют неодинаковые запасы прочности, зарубежная информация не могла быть достаточной для оценки уязвимости мостов отечественной постройки яри землетрясениях.

К середине Т970-х годов были опубликованы также некоторые сведения о состоянии небольших балочяых раврезных мостов после землетрясений в России, Туркмении и Узбекистане (й.К. Ивановский, aur. Напетваридзе, H.O. Оразымбетов, M.M. Сердюков, С.А. Шанин, С.А. Федотов, Г.Н. Карцивадзе и др.)* Однако эти данные не позволяли оценить уязвимость современных мостов различных систем ври землетрясениях.

В инженерной сейсмологии для оценки возможных повреждений сооружений при землетрясениях применяются сейсмические шкалы (М. Рос-си, Ф. Форель, Д. Ыеркалли, C.B. Медведев, В. Шпонхойер, В. Карник и др.). В последние годы разработан ряд новых версий и дополнений сейсмических шкал (Н.В. Шебалин, Т.Р. Рашидов, А.С. Гехман и др.).

В известных сейсмических шкалах описания повреждений мостов крайне скудны или вообще отсутствриг. В наиболее важном для строительства диапазоне 7-9 баллов существующие шкалы вообще не позволяют оценить вероятные повреждения мостов, а для землетрясений силой 10 баллов такие оценки крайне неопределенны. Отсюда возникает задача разработки шкалы уязвимости мостов при землетрясениях разной силы*

Таким образом, для объективной оценки существовавшей концепции сейсмостойкости мостов и разработки предложений по ее существенному улучшению было необходимо:

- проанализировать сведения о разрушениях мостов при землетрясениях за рубежом, включая современные мосты в сейсмостойком исполнении;

- обследовать в зонах сильных землетрясений мосты отечественной постройки, разные по назначению, величине, системе, возрасту и степени защ|щенности от сейсмических воздействий;

- составить шкалу для оценки уязвимости мостов при сейемичее-ких воздействиях силой от 7 до 10 баллов;

- заново сформулировать цель антисейсмических мероприятий в мостостроении, определись основные технические средства достижения поставленной дели (принципы сейсмостойкости), дать оценку стоимости соответствующих антисейсмических мероприятий.

Указанная на карте сейсмического районирования балльность относится к участкам с инженерно-геологическими и геоморфологическими условиями, характерными для территорий населенных пунктов, т.е. к удаленным от разломов, сравнительно ровным участкам местности, сложенным полого залегающими слоями песчаных и глинистых грунтов при низком уровне воды в грунте. При других природных условиях сила землетрясения будет более или менее отличаться от указанной на карте сейсмического районирования.

Строительство мостов ведется преимущественно в особых природных условиях. Для мостовых переходов через большие реки характерны значительное различие физико-механических свойств грунта береговых склонов, пойм и русла, наклонное залегание и выклинивание отдельных пластов грунта, сильная нарушенность подстилающих скальных пород выветриванием. В сейсмических районах долины рек нередко совпадают с тектоническими разломами, а крутизна береговых склонов намного превышает 15°. Поэтому при изысканиях внеклассных сооружений необходимо выполнять специальные инженерно-сейсмологические исследования. Основными задачами &тих исследований в районе предполагаемого строительства являются определение положения тектонических разломов, выявление зон возможных оползней (обвалов), а также уточнение сейсмичности оснований опор с учетом свойств слагающего их грунта и рельефа местности.

Работы по сейсмическому микрорайонирование в створах мостов выполняют специалисты по инженерной сейсмологии с использованием методов, изложенных в работах С.В. Медведева, 1*1. Вересова, Е.Г. Бугаева, О.В. Павлова и др* Следует отменить» что исследования с использованием инструментальных методов инженерной сейсмологии требуют значительных затрат средств и времени. Поэтому при изысканиях обычных сооружений сейсмичность площадок строительства опор мостов определяют пользуясь гораздо более простыми (неинструментальными) методами.

Начиная с 1962 г. указания по уточнению сейсмичности площадок строительства сооружений неоднократно включались в гл. СНиП "Строительство в сейсмических районах". Существо нормативной методики заключается в подразделении используемых в качестве основания грунтов на три категории по сейсмическим свойствам. В зависимости от категории грунта сейсмичность площадки принимается равной сейсмичности района (для грунтов второй категории), меньше или больше сейсмичности района на один балл (соответственно для грунтов первой и третьей категории).

Основной недостаток методики состоит в замене непрерывных зависимостей между физико-механическими характеристиками грунта и ускорением его колебаний при землетрясении на зависимости разрывные (постоянные в пределах принятых категорий гвуата и имеющие скачки на границах категорий). Вследствие этого методика приводит к увеличению (или уменьшению) расчетной сейсмической нагрузки на сооружение в два рава при самых незначительных изменениях характеристик грунта вблизи границ категорий. Особенно сильно недостаток принятого способа сейсмического микрорайонирования но данным общих инженерно-геологических изысканий ухудшает технико-экономические показатели опор мостов, поскольку обводненность основания рассматривается нормами как фактор, понижающий категорию большинства грунтов.

В связи с изложенным имеется необходимость улучшить нормативные оценки сейсмичности площадок строительства опор мостов. С этой цель» в диссертации рассматривается решение следующих задач:

- найти в виде непрерывной функции соотношение между условным сопротивлением грунта сжатию и скорость» поперечных сейсмических волн;

- получить формулу для определения приращения ускорения колебаний покровных отложений в основании мостовой опоры в зависимости от условного сопротивления и плотности грунта;

- найти корреляционное уравнение, связывающее динамические модули деформации нескальных грунтов, условное сопротивление грунтов сжатию и силу землетрясения;

- исследовать колебания оснований мостовых опор жри различных уровнях грунтовой воды, оценить влияние грунтовой вода на амплитуда перемещений, скорости и ускорений колебаний покровных отложений при землетрясениях*

На карте сейсмического районирования СР-78 показаны зоны наиболее вероятного возникновения очагов разрушительных землетрясений (зоны ВОЗ). В эти зоны включены наиболее опасные в сейсмическом отношении территории, расположенные в районах сейсмичностью У баллов. При землетрясениях в зонах ВОЗ образуется мощные обвале, оползни, лавины и сеж, на поверхности грунта появляются тектонические разрывы, вблизи которых возникав! колебаний грунта особенно большой интенсивности, наблюдаются другие опасные для сооружений природные явления.

В последние годы транспортным строителям нередко приходится возводить крупные сооружения в зонах ВОЗ. Эта особенность современного строительства предъявляет повышенные требования к инженерно-сейсмологической информации об экстремальных природных воздействиях и к методам их учета при проектировании Поскольку строительные нормы не содержат информации о возможных сейсмотектонических, сейемогравитационных и сейсмовибрационных явлениях в зонах ВОЗ, а также указаний по расчету сооружений в этих зонах, то при решении возникающих при проектировании вопросов приходится обращаться непосредственно к трудам геологов и сейсмологов.

В работах геологов ^В.П. Солоненко, B.C. Хромовских, A.A. Никонов, jU. Cj,ßo/bM& и др.; имеются различные соотношения между вероятными параметрами разрывных тектонических движений и магни-тудой землетрясения. Однако полученные на базе ограниченного статистического материала для разных регионов мира количественные оценки амплитуд разрывов значительно различаются между собой.

Сейсмологами ^Б. Болт, П.И. Крамынин, Ю.К. Чернов, В.В. Штейнберг, 1.Я. йптекман, В.М. Грайзер, К.Г. Плетнев,¿7WHousnet и др.; изучены колебания грунтов при многих разрушительных землетрясениях и дан прогноз максимальных ускорений грунта в ближней к разрыву зоне. Однако число полученных в непосредственной близости от разрыва записей пока что невелико. Поэтому для проектирования сооружений в зонах ВОЗ значительный интерес представляют оценки параметров колебаний грунта по состоянию конструкций, испытавших разрушительное сейсмическое воздействие.

В связи с неполнотой имеющейся геологической и сейсмологической информации о поражающих факторах землетрясений в зонах ВОЗ было необходимо:

- разработать методику оценки вероятных амплитуд тектонических разрывов с использованием данных о сейсмотектонических дислокациях в основных сейсмоопасных регионах мира;

- получить аналитическую зависимость между магнитудой землетрясения и амплитудой тектонического разрыва на поверхности грунта;

- разработать методику и получить количественные оценки ускорений колебаний грунта по состоянию конструкций мостов после землетрясений.

В среднем за достаточно длительный промежуток времени землетрясения наносят примерно такой же ущерб, как наводнения. Следовательно, антисейсмическую защиту мостов можно проектировать с той же степенью риска, что защиту от паводков. Надежность последней определяется частотой прохода критического (разрушительного) паводка, которая для средних и больших мостов составляет примерно ОД % (при вероятности превышения расчетного расхода I %). Поэтому среднюю частоту критического (с некоторым запасом расчетного) сейсмического воздействия для мостов можно принять один раз за IOOO лет. Таким образом, для определения расчетной сейсмичности при проектировании моста в идеале нужно иметь распределение вероятностей сейсмических воздействий разной силы в выбранном створе.

По проблеме сотрясаемости выполнено много специальных исследований (Ю.В. Ризниченко, С.С. Сейдузова, A.B. Друмя, С.И. Голенецкий и др.). В 1970-е годы для инженеров путей сообщения особый интерес представлял сейсмический режим Байкальской рифтовой зоны. В связи с проектированием крупных сооружений на БАМе нужно было оценить средние периоды повторения землетрясений силой от 7 до 9 баллов на наиболее опасном в сейсмическом отношении участке трассы длиной около 1000 км. Для этого требовалось решить следующие задачи:

- разработать методику оценки повторяемости сейсмических воздействий применительно к осевой части Байкальской рифтовой зоны, расположенной к востоку от оз. Байкал;

- проанализировать данные о повторяемости сейсмических воздействий в других регионах;

- оценить повторяемость сейсмических воздействий силой 7-9 баллов для площадок строительства мостов на участке БАМ от Нижне-ангарска до Усть-Нюкжи.

При строительстве мостов применяют разнообразные технические приемы защиты от подземных толчков. Во многих случаях эффективным оказывается использование специальных антисейсмических устройств, увеличивающих сопротивление несущих конструкций или уменьшающих сейсмические силы.

Значительный опыт создания антисейсмических устройств накоплен в Новой Зеландии, США, Японии и других странах. В последние годы в Японии большое внимание уделяют выбору рациональных схем горизонтальных связей между пролетными строениями и опорами. Имеются также разработки по сейсмоизоляции пролетных строений, гашению колебаний и ударов, резервированию необходимых запасов прочности и устойчивости несущих конструкций (К. УцпъиЪэ^ 3. Зпота 1д , 9^71ойис1г1 ^ И.Ки^о} 7. К&то и др).

В США антисейсмические мероприятия в мостостроении стали осуществлять после Калифорнийского землетрясения 1906 г. Американскими инженерами запатентованы устройства, поглащающие энергию колебаний моста за счет пластического деформирования демпферов, а также предложены разнообразные динамические гасители колебаний. Для повышения сейсмостойкости мостов применяются также ограничители колебаний и другие антисейсмические устройства {Я.ё.МсСоппеР у Л- и др.).

Г.Н. Карцивадзе, В.П. Чуднецовым, В.А. Словинским, Ю.В. Словинским и др. созданы надежные конструкции облегченных пролетных строений, сейсмостойких опор и опорных частей. Использование этих конструкций существенно уменьшает расход материалов на антисейсмические мероприятия при сохранении высокой надежности сооружений.

Экспериментальные и теоретические разработки по конструкциям буферных и распорных антисейсмических устройств выполнены в ЦНЙИСе и в Союздорнии. Образцы амортизаторов для опытного строительства запроектированы Гипротрансмостом и Ленгипротрансмостом. При проведении исследований по сейсмостойким конструкциям и антисейсмическим устройствам мостов перед автором диссертации стояли следующие задачи:

- классифицировать применяемые на практике антисейсмические устройства мостов по выполняемым ими функциям;

- разработать конструкцию, провести испытания и дать методику расчета буферных и распорных антисейсмических устройств;

- оценить удорожание строительства мостов в сейсмических районах по данным типового и опытного проектирования.

Спектральная методика определения сейсмических сил для расчета мостов утверждена в качестве нормативной в 1962 г. Требования главы СНиП П-А.12-62 включали основные положения (принципы) сейсмостойкого строительства, указания по определению сейсмических сил и требования к конструкциям сооружений, разработанные в трудах Air. Назарова, Ш.Г. Напетваридзе, ИЛ. Корчинского, C.B. Медведева и др. Требования к конструкциям мостов учитывали результаты исследований, выполненных в Грузинском политехническом институте.

Переход на спектральную методику расчета создал необходимые предпосылки для существенного прогресса в теории и практике сейсмостойкого строительства. Однако нерешенность ряда вопросов инженерной сейсмологии и теории сейсмостойкости не позволяла на первых порах с необходимой детальностью определить величины различных коэффициентов, учитывающих особые условия работы конструкций и грунтов оснований при сейсмическом воздействии. В связи с этим за последние 30 лет большое внимание уделялось испытаниям оснований и конструкций различных сооружений с помощью взрывов, сейсмоплатформ и вибромашин, а также анализу их повреждений при землетрясениях (И.Л. Кор-чинский, T.S. Жунусов, Г.В. Беченева, 1.Д. Баркан, Ю.Г. Трофименков М.Н. Голубцова, В.А. Ильичев, Ю.В. Монголов, C.B. Поляков и др.).

Расчет мостов на сейсмостойкость имеет существенные отличия от расчета конструкций зданий и гидротехнических сооружений. Эти отличия определяются прежде всего необходимостью учитывать на мосту при землетрясении нагрузку от подвижного состава, а также спецификой конструкции современных больших мостов, как протяженных и высоких сооружений, имеющих существенно неравномерное распределение массы по высоте. Вместе с тем, железобетонные опоры мостов имеют сравнительно небольшие размеры поперечных сечений. Поэтому в мостах при землетрясениях обычно возникают интенсивные вынужденные колебания, нередко появляются неупругие деформации в основаниях и в опорах. Отмеченные особенности требуют внесения в спектральную методику расчета применительно к мостам ряда дополнений и уточнений. В связи с этим требовалось решить следующие задачи:

- разработать методику учета нагрузок от подвшного состава железных и автомобильных дорог при расчете опор мостов на сейсмостойкость;

- уточнить динамические расчетные схемы опор мостов в части учитываемого числа масс и форм колебаний;

- разработать методику определения амплитуд колебаний опор мостов с учетом поперечных трещин в стойках, возникающих при землетрясениях;

- разработать комплекс алгоритмов и программ к ЭШ, учитывающих результаты новых исследований по инженерной сейсмологии и теории сейсмостойкости, увеличить информативность программ, определяющих напряженно-деформированное состояние опор при сейсмическом воздействии.

Колебания пролетных строений возбуждаются разнообразными воздействиями (проходящим по мосту транспортом, сейсмическими колебаниями грунта, ударами и др.). В теоретических работах но динамике сооружений при изучении реакции пролетного строения на динамические воздействия используют разнообразные приемы расчета.

Методы расчета балок и плит на кратковременные (импульсные) нагрузки изложены в работах С.И. Тимошенко, И.М. Рабиновича, А.П. Филиппова и др. Значительный вклад в развитие методов расчета колебаний мостов внесли A.B. Александров, В.В. Болотин, Н.Г. Бондарь, И.И. Казей, Ю.Т. Козьмин, Э.А. Сехниашвили, А.Г. Барченков,

B.C. Сафронов, M.P. Диванидзе и др.

Методика расчета сейсмических колебаний балочных разрезных мостов из своей плоскости разработана Г.Н. Карцивадзе. Исследование колебаний балочных пролетных строений с учетом их пространственной работы при сейсмических воздействиях выполнено А.Д. Коноваловым. Динамическую реакцию мостов рамной и висячей систем на сложные силовые и кинематические воздействия проанализировал В.М, Осокин.

Анализ последствий землетрясений показывает, что на пролетные строения одновременно с кинематическим (сейсмическим) воздействием могут действовать другие динамические нагрузки (импульсные нагрузки, возникающие при ударах конструкции, колебания при проходе транспортных средств и др.). В связи с этим представляется целесообразны рассмотреть решение упомянутых задач в рамках единой методики. В качестве математической основы при разработке такой методики автор принял метод интегрального преобразования Лапласа для решения дифференциальных уравнений, описывающих колебания пролетных строений.

Для разработки методики динамического пространственного расчета пролетных строений плитно-балочной конструкции было необходимо:

- построить матричный алгоритм для вычисления частот и форм пространственных колебаний плитно-балочных конструкций с учетом деформации контура их поперечного сечения;

- разработать методику расчета колебаний плит но -ба ло чно го пролетного строения, возбуждаемых импульсными, периодическими и подвижными нагрузками;

- выполнить эксперимент на модели пролетного строения с целью проверки результатов теоретических исследований.

Основными задачами исследования в целом являлись:

- усовершенствование концепции и обобщение принципов проектирования сейсмостойких мостов;

- существенное уточнение методики определения расчетных параметров сейсмического воздействия и динамических модулей деформации несйальных грунтов при проектировании мостов в районах сейсмичностью 7, 8 и 9 баллов;

- разработка методики определения расчетных параметров тектонического и сейсмического воздействий при проектировании мостов в зонах очагов возможных землетрясений с магнитудой М^ 7,1 (силой более 9 баллов);

- развитие методов расчета на сейсмостойкость мостовых сооружений и способов их защиты от поражающих факторов землетрясений.

Практическая цель работы заключалась в создании новой экономически эффективной методологии проектирования сейсмостойких мостов, реализованной посредством включения ее в нормативные документы и использования в проектной практике.

Фактический материал. Исследования по сейсмостойкости мостов проводились автором в ЦНИИСе Минтрансстроя с 1971 г. по 1991 г. Результаты исследований представлены в научно-технических отчетах, соответствующих государственной научно-технической программе 0,74.03 "Сейсмология и сейсмостойкое строительство", планам НИР Минтрансстроя и ЦНИИСа. Все работы выполнялись под научным руководством и при непосредственном участии автора.

Полученный в полевых условиях материал включает данные обследований мостов после землетрясений в Дагестане (1975 г.), в Киргизии (1978 г.), в Азербайджане (1981 г.), в Узбекистане (1984 г.), в Таджикистане (1984 и 1985 гг.), в Грузии (1986 г.)» в Молдавии (1986 г.) и в Армении (1988 г.).

В лабораторных условиях выполнены испытания железобетонных моделей балок, плит и плитно-балочных конструкций статической нагрузкой с доведением их до разрушения, проведены испытания на прочность и выносливость антисейсмических устройств с тарельчатыми пружинами и резино-металлическими элементами, выполнен эксперимент по изучению пространственных колебаний модели плитно-балочного пролетного строения, возбуждаемых импульсными нагрузками.

При разработке практических рекомендаций по учету сейсмических воздействий при проектировании мостов в диссертации использованы опубликованные различными авторами материалы инструментальных наблюдений на сейсмических станциях, сведения о сейсмодислокациях, данные по скоростям сейсмических волн, динамическим модулям деформации грунтов и другие фактические инженерно-сейсмологические материалы.

При анализе особенностей конструкций мостов,сооружаемых в сейсмических районах, рассмотрены многие типовые и индивидуальные проекты опор, пролетных строений и опорных частей. Для выявления технико-экономических показателей сейсмостойких конструкций рядом проектных организаций по техническим заданиям ЦНШСа было выполнено опытное проектирование железнодорожных, автодорожных и городских мостов.

Фактический материал,использованный в диссертации включает также данные о разрушениях мостов при землетрясениях в США, Японии и других странах, об антисейсмических устройствах зарубежной проектировки, нормах проектирования мостов в сейсмических районах ряда зарубежных государств.

Методы исследования. Работа выполнена с привлечением современных методов расчета колебаний грунтов и конструкций мостов при землетрясениях. Для нахождения наилучших корреляционных зависимостей между характеристиками грунта и расчетными параметрами сейсмического воздействия применялись линейные и нелинейные математические модели, параметры которых определялись методами регрессионного анализа. Для расчета колебаний конструкций использовались методы матричного и операционного исчислений,строительной механики и теории упругости с реализацией полученных алгоритмов на современных компьютерах.

На защиту выносятся:

1. Результаты инженерно-сейсмологического анализа повреждений мостов при землетрясениях;

2. Методика уточнения расчетных параметров сейсмического воздействия и определения динамических модулей деформации нескальных грунтов при проектировании мостов в районах сейсмичностью 7, 8 и

9 баллов;

3. Методика определения расчетных параметров тектонического и сейсмического воздействий при проектировании мостов в зонах очагов возможных землетрясений с магнитудой Л>1Г1 (силой более 9 баллов);

Разработки по конструкциям антисейсмических устройств, обеспечивающих эффективную защиту мостов от землетрясений;

5.Усовершенствованная методика расчета колебаний опор мостов при землетрясениях;

6. Методика решения задач о пространственных колебаниях плит-но-балочных пролетных строений, возбуждаемых импульсными, гармоническими и другими динамическими нагрузками.

Научную новизну работы составляют:

- таблица характерных повреждений мостов при землетрясениях силой от 7 до 10 баллов по шкале

- разработанная применительно к мостостроению классификация поражающих факторов землетрясений;

- усовершенствованная концепция и обобщенные принципы проектирования сейсмостойких мостов;

- корреляционные зависимости вероятной скорости поперечных сейсмических волн от условного сопротивления грунта сжатию;

- формула для вычисления поправочного коэффициента, учитывающего влияние физико-механических свойств грунта на ускорение колебаний покровных отложений при землетрясениях;

- формулы для определения динамических модулей деформации нескальных грунтов при сжатии и сдвиге;

- корреляционная связь между магнитудой землетрясения и амплитудой тектонического разрыва на поверхности грунта;

- методика оценки расчетного ускорения колебаний грунта по состоянию конструкций мостов в зоне разрушительного землетрясения;

- расчетные ускорения колебаний грунта в горизонтальном и в вертикальном направлениях для проектирования мостов в зонах очагов возможных землетрясений с магнитудой ^¿£-7,1;

- примененные в мостах конструкции буферных антисейсмических устройств с тарельчатыми пружинами и резино-металлическими элементами;

- методика определения расчетной сейсмичности при проектировании мостов;

- методика учета нагрузок от подвижного состава железных дорог и автомобилей при расчете мостов на сейсмостойкость;

- методика учета поперечных трещин в стойках опор при определении амплитуд колебаний ригелей при землетрясении;

- комплекс алгоритмов и программ, позволяющих выполнять расчеты на сейсмостойкость опор разного типа с учетом взаимодействия фундаментов с грунтом, опор с пролетными строениями и пролетных строений с транспортными средствами;

- решения по методу сил задачи о частотах и формах собственных пространственных колебаний шштно-балочных пролетных строений с деформируемым контуром поперечного сечения и задачи об их вынужденных колебаниях, возбуждаемых импульсными и другими динамическими нагрузками.

Достоверность научных положений и выводов работы доказывается:

- многолетними наблюдениями мостов в сейсмических районах и данными их обследований в эпицентральных зонах разрушительных землетрясений;

- экспериментальными исследованиями в лабораторных условиях моделей балок, плит и плитно-балочных конструкций;

- испытаниями антисейсмических устройств;

- опытным проектированием конструкций мостов с привлечением ведущих проектных институтов страны в области мостостроения;

- сопоставлением результатов исследований с требованиями зарубежных норм;

- апробацией результатов работы на конференциях и совещаниях по инженерной сейсмологии и сейсмостойкому строительству.

Реализация работы в строительстве: Результаты исследований по теме диссертации включены в СНиП П-7-81 "Строительство в сейсмических районах", СНиП 2.05.03-84- "Мосты и трубы" и в "Рекомендации по учету сейсмических воздействий при проектировании мостов" (М., ЦНИИС, 1983 г.). Предложенные конструктивные решения и методы расчета антисейсмических устройств использовались при разработке проектов многих мостов. Разработки по методам расчета опор на сейсмостойкость широко применялись при проектировании ряда крупных мостовых сооружений, расположенных в сейсмических районах, в том числе на БАМе, Северном Кавказе, в Армении, на Украине, в Азербайджане, в Таджикистане, в Алжире, Монголии, Вьетнаме и др.

Экономический эффект от внедрения предложений соискателя по конструкциям и методам расчета мостов и от использования разработанных норм и рекомендаций оценивается суммой 45-50 млн. руб. в ценах 1981-1985 гг.

Апробация работы. Основные результаты выполненных исследований были доложены на научно-технических советах Минтрансстроя и ЦНИИСа, а также на научно-технических конференциях, совещаниях и семинарах, в том числе в Кишиневе (1976 г.), Бергамо (1978 г.), Иркутске (1979 г.), Улан-Удэ (1991 г.), Алма-Ате (1982 г.), Махачкале (1987 г.), Ленинакане (1988 г.) и др.

Публикации. По теме диссертации опубликовано более 70 работ и получено 3 авторских свидетельства.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав и заключения, имеющих общий объем 359 машинописных страниц и включающих 115 рисунков, 17 таблиц и списки использованных публикаций на русском и на иностранных языках. Диссертация имеет три приложения общим объемом 35 страниц.

Библиография Диссертация по геологии, доктора геолого-минералогических наук, Шестоперов, Герман Сергеевич, Москва

1. Газлийские землетрясения 1976 г. Инженерный анализ последствий. Отв. ред. Поляков C.B., Мартемьянов А.И., Килимник Л.Ш., Жаров A.M., M., "Наука", 1982, 196 с.

2. Горшков Г.П. Землетрясения Туркмении. М., изд. АН GCCP, 1947, 63 с.

3. Дагестанское землетрясение 14 мая 1970 г. Отв. ред. Амирханов Х.И. М., "Наука", 1981, 260 с.

4. Землетрясения в СССР в 1975 г. Отв. ред. Горбунова И.В., Кондорская Н.В., Шебалин Н.В. М., "Наука", 1978, 310 с.

5. Землетрясения в СССР в 1978 г. Отв. ред.Кондорская Н.В., М., "Наука", 1982, 232 с.

6. Землетрясения в СССР в 1981 г. Отв. ред. Кондорская Н.В. М., "Наука", 1984, 256 с.

7. Землетрясения в СССР в 1986 г. Отв. ред. Кондорская Н.В. М., "Наука", 1989, 364 с.

8. Ивановский И.К. О землетрясении и песчаных заносах на Закаспийской железной дороге. "Железнодорожное дело", № 40,1896г., с. 327-334.

9. Карпатское землетрясение 4 марта 1977 г. и его последствия. Отв. ред. Друмя А.В. М., "Наука", 1980, 272 с.

10. Карцивадзе Г.Н. Повреждения дорожных искусственных сооружений при сильных землетрясениях. М., "Транспорт", 1969, 56 с.

11. Новый каталог сильных землетрясений на территории GCGP. Отв. ред. Н.В. Кондорская, Н.В. Шебалин. М., "Наука", 1977,535 с.

12. Оразымбетов Н.О., Сердюков М.М., Шанин С.А.Ашхабадскоеземлетрясение 1948 г. М., Госстройиздат, i960, с. 225-226.

13. Поляков C.B. Последствия сильных землетрясений. М., Стройиздат, 1978, 311 с.

14. Шестоперов Г.С., Казей И.И. Повреждения мостов при землетрясениях в Дагестане. В сб. "Сейсмостойкость транспортных сооружений". М., "Наука", 1980, с. 3-9.

15. Шестоперов Г.С. Сейсмостойкость мостов. М., "Транспорт", 1984, 143 с.

16. Шестоперов Г.С., Тертеров A.C., Хачатуров Ю.С. Обследование железнодорожных сооружений после Параванского землетрясения 1986 г. В экспресс-информации "Строительство и архитектура". Серия 14, выпуск I. М., ВНИИС, 1987, с. 31-35.

17. Шестоперов Г.С., Пшеничников С.Н., Федосеев В.Н., Штерн А.Я. Обследование конструкций мостов после Карпатского землетрясения 1986 г. в Молдавской ССР. В экспресс-информации "Строительство и архитектура". Серия 14, вып. 6. М., ВНИИС, 1987, с. 23-26.

18. Шестоперов Г.С. Повреждения мостов при землетрясениях и их учет при проектировании искусственных сооружений (отечественный опыт). В экспресс-информации "Строительство инженерных сооружений", выпуск 6. М., ВПТИтранестрой, 1988, 16 с.

19. Шестоперов Г.С., Балаш В.А., Казей И.И. и др. Маршрутное обследование мостов, насыпей, выемок, устройств и объектов железнодорожного электроснабжения после землетрясения в Армении. В сборнике ВПТИтрансстроя № 18, M., 1989, с. 6-33.

20. Braga F., Petrangeli M. Terremoto del 6 Maggio 1976 nel Friulli. Considerazioni sul compartamento di ponti, viadotti ©d altre opere stradalli. "Ind. ital. cem.", 1976, N 7-8, p. 525 540.

21. Davison C. The Japanese earthquake of 1923, London. T. Murby, 1931, 125 p.

22. Duke C.M. , Leeds D.Y. Response of soils, foundations and earth structures to the Chilean earthquakes of 1960. Bull, of the Seism, soc. of Am., 1963, v. 53, No.2, p. 309-357.

23. Jamada J. Damage to earth structures and foundations by the Niigata earthquake June 16, 1964 in JNK. In.: " Soil and Foundation", v . VI, Jan. 1966, No 1, p. 1-13.

24. Kachadorian R. Effects of the earthquake of March 27, 1964, on the Alaska highway system. Washington, United States Gov.1.Print. Off., 1968, 66 p.

25. Katayama S., Fujii T., Takahashi J. Damage caused by the Niigata earthquake and the geological features of national highway in the suburbs of Niigata city. In.: "Soil and Foundation", v. VI, Jan. 1966, N 6, p. 54-70.

26. McCulloch D.S., Bonilla M.G. Effects of the earthquake of March 27, 1964 on the Alaska Railroad, Washington, United States Gov. Print. Off., 1970, 161 p

27. Michailov V. Friuli earthquake 1976. Strong motion accelerograf records. In.: Preprints of seminar on constructions inseismic zones ( Bergamo Udine, Italy ). 1978.

28. Nasu N. The Great Indian earthquake of January 15, 1934. Bulletin of the earthquake research instituite. Tokyo Imperial university, v. XIII, 1935, p. 417 432.

29. Pardacci A., Braga F., Brancalioni F., Casallo R. , Cipollini A., Petragelli M. Terremoto del 6 Maggio. 1976 nel Friulli. Considerazioni generali. "Ind. ital. cem.", 1976, N 7-8, p. 447 464.

30. Penzien J., Clough R.W. Damage to highway bridge structures. In. San Fernando, California, Earthquake of 9 February 1971. Bulletin 196. California Division of Mines and Geology, 1975, p. 381 394.

31. Railway Gazette, 1934, N 26.

32. Repports of the Imperial eartquake investigation committe, N 100, Japan, Tokyo, 1926.

33. San Fernando, California earthquake of February 9» 1971, v.2, Washington, OS Dep. of Commerce, 1973, 325 p.

34. Steinbrugge K.V., Flores R.A. The Chilean earthquakes of May ,1960. A structural eng. view point. Bull. Seism. Soc. of Am., 1963, v. 53, p. 225 307.

35. The California earthquake of April 16, 1906. Report of the State earthquake investigation com. Washington, 1908, 451 p.

36. The Fukui earthquake. Hokuriku region, Japan, 28 June, 1948, v.2, Eng. Far East Command, 1949, p. 25 26.