Численные исследования работы конструкций покрытия

Геометрические и жесткостные параметры данной комбинированной системы редактировались на основе многовариантных численных исследований.

Ставилась задача минимизировать горизонтальные и вертикальные перемещения конструкции с целью уменьшения изгибающих моментов в элементах козырька и продольных усилий в связях. Для этого в вариантах расчетов варьировались различные параметры и их влияние на работу конструкций покрытия:

· жесткость пилонов и оттяжек и их наклоны;

· стрелы провисов гибких нитей, расположенных вдоль длинных сторон покрытия;

· варианты отклонений плоскости продольных гибких нитей в пролетах от вертикали;

· схемы расположения подвесок парных вант к консольным балкам;

· форма поверхности консольного навеса;

· схемы опирания консольных балок на железобетонные стойки (рамные или шарнирные узлы).

Результаты выполненных численных исследований указали на следующие решения:

· необходимость отклонения от вертикальной плоскости гибких нитей в плоскости длинных сторон покрытия на 27,9°;

· углы наклона парных подвесок между собой не должны быть более 90° (рис. 3.8, б); при этом переменные длины этих подвесок должны м;

· касательные к проекциям продольных гибких нитей в плане должны совпадать с линией (в плане) положения одного из направлений оттяжек пилонов; вторые оттяжки от пилонов располагаются в плоскостях провисания коротких нитей;

· форма провисания гибких нитей принята на основе анализа полиномов с очертанием: для коротких нитей полином в степени 1,5; для длинных нитей полином в степени 1,8; при этом проектное очертание гибких нитей достигалось подбором длин парных подвесок.

В качестве основного метода расчета принят МКЭ; расчеты выполнялись в упругой стадии с учетом геометрической нелинейности; конструкция рассматривалась как единая пространственная система, включающая:

· все элементы покрытия над трибунами;

· вантово-висячую систему;

· угловые пилоны с оттяжками;

· железобетонные консольные стойки каркаса трибун, на которые опирается козырек покрытия.

Основным расчетам предшествовали численные исследования работы системы при анализе более 40 вариантов расчетных схем. При этом варьировались жесткости, геометрические характеристики; выполнялись сходимости результатов нелинейных расчетов и их погрешности; обеспечивалась надежность расчетов контролем получаемых результатов.

Основной проверочный расчет выполнялся на 10 вариантах сочетаний нагрузок, включая 4 схемы снеговой и 3 схемы ветровой нагрузок, а также 2 варианта температурных воздействий.

Дополнительно были выполнены расчеты на стадии монтажа: в процессе натяжения канатов и раскружаливания покрытия (освобождение от временных опор); рассматривалась расчетная схема с временными монтажными опорами; во всех расчетах принимался коэффициент .

 Проверка сечений по прочности и устойчивости показала, что при принятых сечениях максимальные расчетные напряжения составили:

· в элементах из стали С20 МПа < МПа;

· в элементах из стали С345 МПа < МПа;

· в элементах из стали С390 МПа < МПа.

Анализ результатов расчетов перемещений показал следующее:

· вертикальные перемещения кольцевой коробчатой балки от полной расчетной нагрузки не превысили 130 см при строительном подъеме 300 мм; если для их определения учитывать только временные длительные нормативные нагрузки, а постоянную нагрузку исключить за счет строительного подъема, то прогиб от временной длительной нагрузки должен быть меньше , т.е. м (с. 161 [6]); как отмечено в [6], это требование СНиП по второй группе предельных состояний для козырька выполняется.

Анализ динамической работы конструкций покрытия над трибунами (включая гибкие нити, парные ванты и оттяжки пилонов) показал следующее.

Первый этап расчета показал, что вторые от пилонов парные ванты-подвески имеют низкие собственные частоты (» 1,3 Гц), заметно отличающиеся от частот остальных подвесок – поэтому было рекомендовано увеличить их предварительное натяжение для повышения собственных частот и, следовательно, понижения расчетной амплитуды колебаний   .

Выявлено, что резонансное вихревое возбуждение навеса, обусловленное срывом ограждающих конструкций козырька, невозможно при реальных скоростях ветра.

Критические скорости ветра, при которых возникает резонансное вихревое возбуждение на основных собственных частотах, составляют:

· для гибких нитей-подвесок Æ140 мм м/с;

· для парных вант-подвесок Æ50 мм м/с.

Такие скорости не вызывают заметных усилий и перемещений как в канатах, так и в основных стержневых несущих элементах сооружения.

Аэродинамические неустойчивые колебания типа галопирования возникают в случае, если скорость ветра превысит его критическое значение. С учетом данных модельных аэродинамических испытаний [6, ссылка на 3.11, с. 200] показано, что появление подобных колебаний невозможно. Возбуждение подобных колебаний (см. [6, с. 162]) козырька может быть только при другом угле наклона его при колебаниях, обусловленных действием пульсации ветровой нагрузки.

 При учете пульсационной составляющей ветровой нагрузки в сжимах гибких нитей-канатов с парными вантами-подвесками наибольшие напряжения не превышают 5 МПа для усталостных повреждений сжимов и результатов расчета вантово-висячей системы. Как отмечено в [6, с. 162], эти динамические напряжения достигаются при скоростях ветра, близких к расчетным для метеоусловий города Москвы с периодом повторения 25-30 лет. При сроке эксплуатации уникального сооружения 100 лет общее число циклов не превысит  (по нормам для проведения проверки усталостной прочности стальных элементов).