вебинар докладсгупс Midas_final

Сибирский государственный университет путей сообщения
Успешный опыт применения midas Civil в
инженерной практике расчета мостов
Вебинар 28.08.2014
Сибирский государственный
Университет путей сообщения
К.т.н., доц. кафедры «Мосты»
С.н.с. НИЛ «Мосты»
Л.Ю. Соловьев

Содержание
Успешный опыт применения midas Civil в
инженерной практике расчета мостов
01 Общая информация об Университете и научно-исследовательской
деятельности
02 Использование midas Civil в дипломном проектировании
03 Применение ПК MIDAS в научных исследованиях
04 Некоторые особенности моделирования мостов в midas Civil

Общая информация об Университете и
научно-исследовательской деятельности
Сибирский государственный университет путей
сообщения (НИИЖТ, г. Новосибирск) основан в
1932г.
Факультет «Мосты и тоннели» создан в 1932 г.
В настоящее время подготовка инженеров
преимущественно для железнодорожного
транспорта ведется по двум специализациям:
- Мосты;
- Тоннели и метрополитены.
Всего на факультете обучается 385 человек
3 Успешный опыт применения midas Civil в
инженерной практике расчета мостов www.MidasUser.com

Научно-исследовательская лаборатория «Мосты»
Создана как отраслевая НИЛ в 1959 г.
Основные направления деятельности:
- обследование и испытание мостов, труб и других
искусственных сооружений на автомобильных и
железных дорогах с оценкой технического состояния
и прогнозом срока службы, разработкой
рекомендаций по устранению неисправностей и
продлению срока безопасной эксплуатации
сооружения;
- разработка технологий ремонта сооружений;
- разработка и внедрение автоматизированных
систем содержания искусственных сооружений на
автомобильных и железных дорогах;
- разработка оборудования для испытания
искусственных сооружений.

Одним из приоритетных направлений деятельности с
момента создания лаборатории и по сегодняшний день
является исследование надежности и долговечности
искусственных сооружений. Специалистами
лаборатории обследованы и испытаны тысячи
конструкций практически во всех регионах России, а
также в бывших союзных республиках. В том числе
такие крупнейшие объекты как:
- плотина Братской ГЭС;
- железнодорожные, автодорожные, коммунальные и
мосты-метро
• через р.Обь в Барнауле и Новосибирске;
• через р.Енисей в Красноярске;
• через р.Ангару в Иркутске и Усть-Илимске;
• через р.Иртыш в Усть-Каменогорске, Павлодаре и
Омске;
• через р.Аму-Дарья, Зея, Бурея, Шилка и т.д.

Начиная с 80-х годов к приоритетным разработкам
относится создание и внедрение
Автоматизированных систем по содержанию
искусственных сооружений и земляного полотна на
автомобильных и железных дорогах:
- Создана и эксплуатируется в ОАО РЖД система
АСУ ИССО;
- Создана и эксплуатируется в территориальных
управлениях автомобильных дорог система АИС
ИССО;
- Создается при участии СГУПС и внедряется
система АБДМ для федерального дорожного
агентства «Росавтодор»

Использование midas Civil в дипломном проектировании
Для обучения студентов в курсах САПР, «Информационные технологии в
строительстве», «Моделирование и сейсмостойкость мостов», «Мосты»,
«Тоннели», а также в исследовательской деятельности СГУПС использует
модуль Midas Civil с 2006 г.
В 2011 году компания MidasIT любезно предоставила вузу лицензии еще
для трех модулей
Midas Civil, Midas GTS, Midas FEA

Пешеходный мост

Поверхность влияния в середине пролета
Деформированный вид схемы Форма потери устойчивости

Автодорожный мост

1 этап монтажа пролетных строений
2 этап монтажа пролетных строений 3 этап монтажа пролетных строений

Арочно-вантовый мост
Расчет на прогрессирующее разрушение
Помечены ванты, которые случайным образом выбраны на удаление из работы конструкции
Главная балка
Ванты Поперечная балка Стрела арки

Применение ПК MIDAS в научных исследованиях
Численное исследование процесса разрушения элемента
мостовой фермы

Состав сечения
Поврежденный элемент

Расчетная модель элемента
КЭ – плита, жесткие связи
Потеря устойчивости
исправного сечения

Потеря устойчивости при одном
разрушенном шве
Потеря устойчивости при последовательном
разрушении сварных швов
Концентрация напряжений в
диагональном шве

Исследование работы пролетных строений конструкции ОАО
«Институт Гипростроймост»

Расчетная модель
Схема загружения
испытательной нагрузкой

Напряжения в верхнем поясе Напряжения в нижнем поясе
Напряжения в
ребрах жесткости

Местополо-
жение (схема
нагружения)
Элемент
Расчетные
напряжения,
кг/см2
Средние напряжения по
результатам измерений, кг/см2:
Конструктивные коэффициенты
К:
левая ферма правая ферма левая ферма правая ферма
Схема 3
Элемент Н3–Н4, ВЛ 22/22 36,7 10,3 1,1 0,5
Элемент Н3–Н4, НЛ 418/418 355,0 386,0 0,8 0,9
Верхний поясВ3–В4 -507/-507 -456,1 -469,0 0,9 0,9
Раскос В0 – Н1 -314/-314 -203,7 -191,1 0,6 0,6
Раскос Н3-В4 339/339 332,9 283,3 1,0 0,8
Схема 4
Элемент Н3–Н4, ВЛ -24/-24 22,3 17,0 0,9 0,9
Элемент Н3–Н4, НЛ 350/350 277,0 289,5 0,8 0,8
Верхний поясВ3–В4 -425/-425 -404,4 -413,4 1,0 1,0
Раскос В0 – Н1 -409/-409 -260,4 -287,7 0,6 0,7
Раскос Н3-В4 295/295 289,3 296,0 1,0 1,0

Идентификация модели:
1. По результатам измерений выявилось неудовлетворительное
совпадение рассчитанных и измеренных частот колебаний.
2. Расчет выполнялся с граничными условиями типа «шарнирно-
подвижная опорная часть» и «шарнирно-неподвижная ОЧ».
Такое предположение оказалось неверным.
3. Введение упругих связей вместо первоначальных граничных
условий и подбор жесткостей таких связей позволил получить
хорошее совпадение с экспериментальными данными

Совершенствование методов оценки технического состояния эксплуатируемых
сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ
Эксперимент
Слабое импульсное воздействие
сбрасывание груза массой 80кг с
высоты 30-40 см

Совершенствование методов оценки технического состояния эксплуатируемых
сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов
0
-10
-20
-30
-40
-50
-60
-70
-80
-90
-100
Определение Еs/c поврежденного шва
Es=2,06xE5 Es=2,06xE4 Es=2,06xE3
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
f=3,64
f=2,94
-58,8
f=3,23
вп
Условный модуль упругости Es/c
Условный модуль
упругости шва,
Es/c
Моделирование повреждения в шве
Результаты расчета
Конечные элементы
моделирующие рельс, Еs
Поврежденный шов,
Еs/c = Est / Еb
7 12 25 40
Модуль упругости
рельса Es, МПа
2,06Е5 2,06Е4 2,06Е3 2,06Е5 2,06Е3 2,06Е5 2,06Е3 2,06Е5 2,06Е3
Напряжение ,
МПа -21,9 -21,9 -21,9 -21,9 -35 -21,2 -56,2 -73,4 -91,9
Частота, Гц 4,52 4,37 4,06 4,23 4,22 4,74 3,64 2,36 2,21
Расчетное
поперечное
сечение
Напряжения, МПа
Измеренные величины:
частота f1 = 3,59 Гц;
напряжения в ВП балки вп = -
58,8 МПа;
толщина балласта под шпалой
hб=33…35см.

Исследование грузоподъемности железобетонных пролетных строений
мостов, усиленных композиционными материалами

Поврежденное железнодорожное пролетное строение

Экспериментальные исследования
1) U-образная обойма без закреплений
на приопорных участках или с ними
2) U-образная обойма поверх полосы
ламели, расположенной на нижней
грани
3) Холст, расположенный на нижней
грани, закрепленный хомутами под
углом 10-15° к продольной оси балки
4) Для наклонного сечения. Хомуты под
углом 45° к продольной оси балки

Испытание усиленного пролетного строения
Датчики измерительной
аппаратуры
Композиционный
материал
усиления

Численный анализ в Midas FEA

Способы объединения узлов элементов
Диаграммы деформирования

График изменения деформаций в
материале усиления при проходе
испытательной нагрузки
Фактор Эксперимент/ Расчет
Конструкт.
коэффициент
Прогиб балок, мм 1,50 / 1,72 0,88
Деформации на нижних гранях балок, усл.ед. 45,82 / 49,13 0,99
Напряжения в материале усиления, МПа 99,9 / 107,1 0,94

Опытное пролетное строение под пешеходную нагрузку
В 2011 году сотрудниками ООО «Сибирские проекты» (г. Новосибирск) и НИЛ «Мосты» СГУПС
было разработано опытное гибридное по материалу пролетное строение. Элементы ферм
изготовлены из стеклопластика марки СППС-240. Железобетонная плита выполнена из бетона
класса В25

Испытания опытного пролетного строения
Испытательная нагрузка из
блоков ФБС 12.4.6 составила 7,8 т
против максимального веса
расчетной пешеходной нагрузки
7,62 т.

Расчеты пролетного строения на пешеходную и испытательную нагрузки проведены в
программном комплексе MIDAS Civil. Элементы ферм моделировались стержневыми, а плита -
плоскими конечными элементами. Раскосы встречных направлений считались расположенными
в одной плоскости. Плита связана с главными фермами в узлах верхних поясов жесткими
элементами, моделирующими упоры. Все узлы пролетного строения считались жесткими.
Воздействие пешеходов моделировалось в виде подвижной нагрузки путем построения и
загружения соответствующих поверхностей влияния.
Расчетная модель пролетного строения

Результаты испытаний показали хорошую сходимость с результатами
расчетов.
График изменения продольных сил в
верхнем поясе в середине пролета
График изменения изгибающих
моментов в верхнем поясе в
середине пролета

Гибридное пролетного строения под нагрузки А14 и Н14
Фасад половины пролетного строения
Поперечное сечение пролетного строения

Гибридное пролетного строения под автодорожную нагрузку А14 и Н14
Расчеты конструкции выполнялись с учетом стадийного характера ее работы
1-ая стадия – нагрузку воспринимают только
стеклопластиковые фермы
2-ая стадия – в работу главных ферм включена
железобетонная плита

Модель опорного узла в осях элементов

Модель узла соединения фермы с плитой
проезжей части в осях элементов

Пример загружения поверхности влияния продольной силы в нижнем поясе средней главной
фермы в середине пролета временной подвижной нагрузкой
Расчетные комбинации внутренних усилий линейных элементов:
• максимальная N и соответствующие ей Qz, My и Mz;
• максимальная Qz и соответствующие ей N и My и Mz;
• максимальный My и соответствующие ей N и Qz и Mz.
В плите рассматривались только нормальные напряжения по соответствующим фибрам.

При требуемом габарите проезда 4,5м и полной длине пролетного строения 18м
определяющей во всех проверках оказалась подвижная нагрузка Н14
Схема расстановки временной нагрузки

Схема фермы с указанием наиболее нагруженных узлов
êî í öåâàÿ ñòî éêà
Â1 Â2 Â3 Â4 Â5
Í 1 Í 2 Í 3 Í 4 Í 5
ï ðî ì åæóòî ÷í àÿ
ñåðåäèí à Ï Ñ
Â18 ñòî éêà ñòî éêà
Â30 ñòî éêà
Â36
Í 18 Í 30 Í 36
í èñõî äÿù èé
ðàñêî ñ
âî ñõî äÿù èé
ðàñêî ñ
Схема расположения упоров и график изменения усилий в них по длине пролетного строения

В качестве объекта для реализации экспериментального пролетного строения был выбран
аварийный мост через реку Пашенку на автодороге V категории с. Красный Яр – с Сосновка в
Новосибирском районе. Научное сопровождение проектных и строительных работ выполняли
сотрудники НИЛ «Мосты». Мост сдан в эксплуатацию.
Общий вид моста
Конструкция
пролетного строения

Выполненные статические и динамические испытания пролетного строения показали соответствие
фактической работы пролетного строения расчетной схеме, и подтвердили возможность
применения композитов в автодорожных мостах. По итогам испытаний было установлено, что мост
может эксплуатироваться нагрузками А14 и Н14 без ограничений массы и скорости.
Вид пролетного строения под
испытательной нагрузкой с левого
фасада (полная масса испытательной
нагрузки – 106 т)
испытательной нагрузкой с правого

Третий городской мост в г. Новосибирске «Бугринский»
Май 2012 Февраль 2013

Третий городской мост в г. Новосибирске «Бугринский»
Модель затяжки пролетного строения
Поперечные сечения
Общий вид модели
испытательной нагрузкой с левого
Этап надвижки на стадия II-III

Надвижка затяжки пролетного строения Стадия II-III
Перемешение конца аванбека
77 82 87 92 97 102107112117122127132137142147152157162167
Горизонтальные перемещения, м
Нормативная нагрузка Расчетная нагрузка Надвижка
Контроль
положения
аванбека
Деформированный вид при длине надвижки 88 м
0.2
0.1
0
-0.1
-0.2
-0.3
-0.4
-0.5
-0.6
-0.7
-0.8
-0.9
-1
-1.1
-1.2
Вертикальные перемещения, м

А) Главные балки
Б) Продольные балки
Графики изменения напряжений в контрольном сечении № 4 в процессе надвижки затяжки

Некоторые результаты верификации Midas Civil 2014

Некоторые результаты верификации Midas Civil 2014 на примере проекта
станции Новосибирского метрополитена
Армирование балок
В пролете на опоре

Некоторые результаты верификации Midas Civil 2014 на примере проекта
станции Новосибирского метрополитена
Параметр Расчет Midas Контроль
Высота
0,182 0,179
сжатой зоны
Несущий
момент
сечения
1,1535 МHм 1,1252 МНм
Поперечная
сила
1,520 Мн 1,532 Мн

Некоторые особенности моделирования мостов в midas Civil
Расчет балочных пролетных строений
Наиболее рациональные типы расчетных схем:
1. Балочная стержневая. Область применения – получение усилий в поперечных
сечениях главных балок, фибровых напряжений. Возможно применять для
моделирования плиты проезжей части автодорожных мостов. Для
моделирования пространственной работы используется прием известный как
«балочная клетка» или «балочный ростверк».
2. Плитные элементы. Область применения – получение усилий (главным образом
– моментов), распределенных по длине элемента – расчет плиты проезжей части;
получение фибровых напряжений в поперечных сечениях; расчет ортотропных
плит; локальные эффекты (концентрации напряжений в особых зонах и т.д.)
3. Комбинированная схема – основные элементы – балочные стержневые, в зонах
локальных эффектов – плитные (прием рекомендован Midas).

Балочная стержневая модель
- Схема в осях
- Схема в теле

– Поперечное сечение условных
поперечных балок
– Поперечное сечение главных балок

Для построения поверхностей влияния в балочных моделях следует вводить
дополнительные плитные элементы с малой (фиктивной) жесткостью.
Поверхности влияния позволяют избежать дополнительной работы по расчету
коэффициентов поперечной установки.
Применение поверхностей влияния вполне оправданно, т.к. для автодорожных мостов
по нормам СП 35.13300.2011 коэффициенты надежности и динамический теперь не
зависят от длин загружения.

Объединение продольных (главных) и поперечных балок может быть выполнено
несколькими способами:
- По центрам тяжести элементов
- С применением смещения (оффсета в англ версии) по какой-либо фибре
(например, верхней или по любой произвольной точке)
- Без применения смещения путем объединения центров тяжести элементов,
расположенных в разных плоскостях, с помощью жестких или упругих связей.

Объединение по центрам тяжести элементов и с применением смещения по какой-
либо фибре будет давать сравнительно небольшие различия в результатах при
относительно небольших величинах смещения (например, как в рассматриваемом
случае для балочных мостов).
Однако следует иметь ввиду, что при назначении смещения жесткостные
характеристики сечения будут по-прежнему вычисляться относительно
геометрического центра тяжести, в то время как закрепления и усилия будут
прикладываться относительно вновь назначенной оси элемента с учетом его
смещения.

Схема «в
осях»
Модель со
смещением «в теле»
Напряжения и усилия в модели со смещением

Плитная модель балочных конструкций
Использование плитных моделей создает затруднения в получении усилий по
сечениям, но позволяет получать напряжения в любой точке сечения с учетом
локальных эффектов.
Поэтому нам представляется целесообразным применение обеих моделей при расчете
конструкций.
В плитных моделях необходимо обращать внимание на локальные эффекты в зонах
приложения сосредоточенных сил. Здесь могут быть напряжения значительно
завышенными (особенности КЭ реализации). Если это не соответствует
действительности (например, в зонах опирания, где точечное опирание как раз и даст
огромный всплеск напряжений), то можно для сглаживания эффекта применять
распределяющие жесткие вставки (либо просто не обращать на это внимание).

Плитная модель балочных конструкций

Применение упругих и жестких связей
Упругие связи используем при :
- Моделировании продольных и поперечных связей в балочных стержневых
расчетных схемах;
- Опорных частей при моделировании опирания пролетных строений на опоры;
- Моделирования взаимодействия фундаментов с грунтом.
Жесткие связи могут быть эффективно использованы
- вместо смещений (оффестов) геометрических осей элементов относительно их
центров тяжести при объединении, например, плиты проезжей части и главных
балок;
- Для избежания нежелательных эффектов от точечного приложения нагрузки или
точечного закрепления.
И те и другие требуется использовать при стыковке элементов с разным числом
степеней свободы (например, стрежневых и плитных элементов) для исключения
ошибок сингулярности.

Применение упругих и жестких связей
Иногда вместо жестких связей целесообразно применять упругие связи с параметрами
абсолютно жестких соединений. Это связано с особенностями реализации жестких
связей – они фактически присваивают граничные условия главного узла жесткой связи
подчиненному, отменяя его граничные условия (закрепления) , если они были.
Продольные связи оказывают существенное влияние на обеспечение
пространственной работы балочных конструкций, поэтому при составлении
пространственных схем их необходимо включать в состав таких схем.
Такие связи обычно лежат не в плоскости центров тяжести главных балок и поэтому
для их соединения с главными балками и необходимо использовать элементы упругих
или жестких связей.

Моделирование продольных связей в
сталежелезобетонном пролетном строении
Полная схема с плитой, балками и
связями
Схема «в осях»
Схема без плиты, с
балками и связями

Моделирование сталежелезобетонных пролетных строений
В примере были использованы балочные и плитные элементы, однако есть
возможность задавать непосредственно сталежелезобетонное (составное) сечение
главных балок или применять собственное сечение (если нет среди готовых
шаблонов), созданное, например, в Автокаде и после обработки в калькуляторе
сечений Midas готовое к использованию в расчетных схемах.
Использование шаблонов позволяет задавать армирование плиты, получать
напряжения не только по крайним фибрам стального элемента, но и в любом месте по
высоте плиты, а также использовать в расчетах с учетом стадийности работы.

Моделирование опорных частей
Необходимость моделирования опорных частей в нашей практике возникала при
обработке данных испытаний пролетных строений, а также при получении параметров
поверхностей влияния усилий в сечениях элементов опор и фундаментов.
В частности при обработке данных динамических испытаний железнодорожных
пролетных строений с ездой на балласте по ортотропной плите на новых мостах линии
Адлер – Курорт «Альпика –Сервис» путем изменения жесткостей в элементах связей
опорных частей была получена информация о степени подвижности установленных
конструкций.
Построение поверхностей влияния усилий в элементах опор и фундаментов
потребовалось для решения задачи об условиях пропуска транспортных средств по
существующим автодорожным мостам.

Моделирование опорных частей
В частности резинометаллические опорные части задавались через упругие связи
общего вида с следующими характеристиками жесткостей:
- В вертикальном направлении – бесконечно большой;
- В продольных направлениях – используя преобразованную формулу 6.33 СП
35.1330.2011 в виде
SD SD AG a , x y  
где а – суммарная толщина слоев резины, м; А – площадь резиновой опорной части,
м2; G – модуль сдвига резины, кПа.

Моделирование взаимодействия с грунтом
Расчетная схема фундамента с плитой и
вертикальными сваями:
а) общий вид схемы с узлами;
б) нагрузки и упругие связи;
в) вид в плане

Моделирование взаимодействия свай с грунтом
Для моделирования использовалась специальная упругая связь в узле с следующими
характеристиками:
- Продольные жесткости определялись на основании коэффициента постели по
формуле
кэ р кэ р кэ , SD SD С l C b l K z b l x y b z    
где lкэ – длина сбора нагрузки на узел конечного элемента, м; bр – расчетная ширина
сваи, м; z – положение упругой опоры от поверхности грунта, м; К – коэффициент
пропорциональности грунта на глубине z, МН/м4.
- Вертикальная жесткость для связей под нижними концами свай принималась
бесконечно большой (здесь величина зависит от вида свай).

Для сравнения были выполнены расчеты по методике Руководства по расчету
фундаментов глубокого заложения ВНИИТС 1980 г.
Эпюры Мz и Qz и z, полученные:
1 – по Руководству, 2 – Midas
а) Эпюра z б) Эпюра Mz в) Эпюра Qz

СПАСИБО
ЗА ВНИМАНИЕ

вебинар докладсгупс Midas_final

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (6)

Viewers also liked

Viewers also liked (6)

Similar to вебинар докладсгупс Midas_final

Similar to вебинар докладсгупс Midas_final (15)

вебинар докладсгупс Midas_final