Численный анализ напряженно-деформированного состояния секции железобетонного моста

Введение. В Российской Федерации принята долгосрочная программа по масштабному строительству автомобильных дорог, что потребует возведения большого количества мостов малых, средних и больших пролетов. Международный опыт говорит, что автодорожные мосты целесообразно строить из преднапряженного железобетона. Причем наиболее эффективными являются пролетные мостовые секции коробчатого поперечного сечения, отличающиеся от балочных конструкций лучшей аэродинамикой, меньшими трудозатратами при возведении и более привлекательной внешней эстетикой. В литературе, посвященной численному анализу напряженнодеформированного состояния монолитных железобетонных конструкций, приведено крайне мало сведений о расчете пролетных мостовых строений с учетом ползучести бетона. Целью исследования являлась разработка методики конечно-элементного моделирования длительного деформирования пролетной секции коробчатого сечения, с помощью авторизированного программного комплекса. Данные вычислительных экспериментов верифицированы с использованием программного комплекса ANSYS Mechanical.

Материалы и методы. В качестве математического аппарата для моделирования процесса длительного деформирования исследуемой железобетонной конструкции применен метод конечных элементов в форме метода перемещений в сочетании с теорией линейной вязкоупругости. Для формализации процесса ползучести бетона использована модель упруго-ползучего тела С.В. Александровского. Вычислительный процесс численного интегрирования результирующего операторно-матричного уравнения базируется на принципе наложения воздействий и использовании формулы трапеций. Вычислительные эксперименты выполнены на платформе Microsoft Visual Studio и компиляторе Intel Parallel Studio XE с встроенным текстовым редактором Intel Visual Fortran Composer XE. Для визуализации результатов моделирования в виде картин распределения полей перемещений и напряжений применена дескрипторная графика системы Matlab.

Результаты исследования. Разработана и верифицирована программа для конечно-элементного расчета железобетонных балочных конструкций в трехмерной постановке с использованием дискретной схемы армирования, согласно которой армирующий каркас моделируется двухузловыми балочными, а массив бетона — объемными полилинейными конечными элементами. Установлено, что для рассматриваемой типовой мостовой секции коробчатого сечения принятая схема предварительного напряжения малоэффективна, так как не обеспечивает требуемого выгиба.

Обсуждение и заключение. Выполнено сравнение результатов расчетов коробчатой секции в линейно упругой постановке, полученных с помощью разработанного пакета программ и программного комплекса  ANSYS Mechanical. Установлено удовлетворительное совпадение значений перемещений и напряжений в исследуемых точках. Исследовано напряженно-деформированное состояние коробчатой секции на этапе создания предварительного напряжения и последующего нагружения. Сделан вывод о целесообразности научного сопровождения на этапе проектирования подобных мостовых секций с целью повышения их несущей способности.

1. Тамразян А.Г., Есаян С.Г. Механика ползучести бетона. Москва: МГСУ; 2012. 524 с.

2. Александровский С.В. Расчет бетонных и железобетонных конструкций на изменения температуры и влажности с учетом ползучести. М.: Стройиздат; 1973. 432 с.

3. Bazant ZP, Yu Q, Li G.-H., Klein GJ, Krístek V Excessive Deflections of Record-Span Prestressed Box Girder. ACI Concrete International. 2010;32(6):44–52. URL: https://www.researchgate.net/publication/285841130_Excessive_deflec-tions_of_record-span_prestressed_box_girder (accessed: 31.01.2026).

4. Shi J-X, Ran Z-H Calculation of Creep Effect of Extradosed Cable-stayed bridge based on Midas Civil. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2018;423:012113. https://doi.org/10.1088/1757-899X/423/1/012113

5. Гайджуров П.П, Исхакова Э.Р., Савельева Н.А. Численное моделирование объемного напряженно-деформированного состояния предварительно напряженных железобетонных конструкций с учетом ползучести бетона. Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2023;2:17–24. http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2023-2-17-24

6. Савельева Н.А. Решение пространственной задачи вязкоупругости методом конечных элементов в приложении к бетонным и железобетонным конструкциям. Дис. канд. техн. наук. Ростов-на-Дону: ДГТУ; 2024. 177 с.

7. Mensink JJ Deformation Limits to be Used to Evaluate Deformation Measurements of Concrete Bridges. Eindhoven: University of Technology; 2017. 138 p.

8. Long X, Lee CK Modelling of Two Dimensional Reinforced Concrete Beam-Column Joints Subjected to Monotonic Loading. Advances in Structural Engineering. 2015;18(9):1466–1467. https://doi.org/10.1260/1369-4332.18.9.1461