Экспериментальное и численное сравнение напряженно-деформированного состояния арки и комбинированной арочной конструкции

Введение. Экспериментальные исследования натурных строительных конструкций покрытий трудоемки, имеют высокую стоимость, не предполагают размещение в лабораториях из-за больших габаритов. В связи с этим часто
испытания строительных конструкций проводятся на масштабных моделях. Работа комбинированных арочных систем малоизучена, расчетным моделям таких систем требуется экспериментальное подтверждение. Представленное экспериментальное исследование направлено на получение данных о действительной работе арки и комбинированной арочной конструкции с лучевыми затяжками для последующего сопоставления экспериментальных данных с расчетными моделями.

Материалы и методы. Экспериментальная модель разработана с использованием смешанного подобия
в масштабе 1:10. Физико-механические характеристики материалов модели определены по стандартным методикам. Разработаны и описаны способ создания заданного преднапряжения в затяжках арки и методика ее испытания. Расчетные модели реализованы в программном конечно-элементном комплексе ЛИРА-САПР с учетом геометрически нелинейного характера работы конструкции, напряжения в сечениях установлены с помощью процессора «Конструктор сечений».

Результаты. По результатам экспериментальных исследований и численных расчетов получены напряжения и перемещения в сечениях арок. Показаны перемещения схемы, графики соответствия экспериментальных данных и результатов расчета. Проанализированы направления для улучшения экспериментальных моделей подобных комбинированных систем с затяжками.

Выводы. Арочная комбинированная система с лучевыми затяжками позволяет выровнять значения напряжений в поясе арки в сравнении с аркой без затяжек. Максимальные напряжения в сечениях арки и максимальные прогибы в середине пролета арки снижаются в 3 раза при устройстве затяжек.

1. Суворовцев Б.А. Особенности проектирования пролетных строений мостов комбинированных систем с гибкими наклонными подвесками // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2017. № 1 (53). С. 219–224. EDN YKRLYD.

2. Юнусов А.С. Арочные конструкции, востребованные временем, в строительной науке и архитектуре // Инженерный вестник Дона. 2016. № 1 (40). С. 44. EDN WCNSXV.

3. Arslan A. Bridges as City Landmarks: A Critical Review on Iconic Structures // Journal of Design Studio. 2020. Pp. 85–99. DOI: 10.46474/798072

4. Danciu A.D., Guțiu Ș.I., Moga C., Dragomir M.L., Ciotlăuș M., Marusceac V. A Review of the Network Arch Bridge // Applied Sciences. 2023. Vol. 13. Issue 19. P. 10966. DOI: 10.3390/APP131910966

5. Lai Y., Wu Y., Wang G. Novel long-span cable-stayed deck arch bridge: Concept and structural characteristics // Engineering Structures. 2024. Vol. 308. P. 118026. DOI: 10.1016/j.engstruct.2024.118026

6. Li Y., Lai Y., Lu G., Yan F., Wei P., Xie Y.M. Innovative design of long-span steel–concrete composite bridge using multi-material topology optimization // Engineering Structures. 2022. Vol. 269. P. 114838. DOI: 10.1016/j.engstruct.2022.114838

7. Xie X.L., Huang Y., Qin X. Conceptual design of a new type of single-tower cable-stayed arch bridge and study of its mechanical properties // Advances in Structural Engineering. 2021. Vol. 24. Issue 11. Pp. 2500–2511. DOI: 10.1177/13694332211001506

8. Ибрагимов А.М., Гнедина Л.Ю., Долгушева В.В. Проблемы применения и проектирования арочных комбинированных систем // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Материалы. Конструкции. Технологии. 2021. № 2. С. 25–35. DOI: 10.25686/2542-114X.2021.2.25. EDN PKRRXZ.

9. Burford N.K., Smith F.W., Gengnagel C. The Evolution of Arches as Lightweight Structures: A History of Empiricism and Science // Proceedings of the Third International Congress on Construction History. Cottbus, 2009. P. 267274.

10. Трянина Н.Ю., Тестоедов П.С. Исследование вопроса живучести стальных сетчатых покрытий // Приволжский научный журнал. 2015. № 1 (33). С. 9–14. EDN TMJZXV.

11. Трянина Н.Ю., Карзанов М.А. Исследование работы арочных конструкций с системой наклонных тяг // Приволжский научный журнал. 2011. № 2 (18). С. 16–19. EDN NURPZJ.

12. Dolgusheva V.V., Ibragimov A.M. Operation Analysis of the Main Arch-Cable-Stayed Systems When Operating Under Unevenly Distributed and Asymmetrically Working Loads // Lecture Notes in Civil Engineering. 2022. Pp. 44–54. DOI: 10.1007/978-3-030-91145-4_5

13. Долгушева В.В., Ибрагимов А.М., Долгушев Т.В. Рациональное конструктивное решение комбинированной арочной системы с наклонными тягами // Academia. Архитектура и строительство. 2023. № 2. С. 168–174. DOI: 10.22337/2077-9038-2023-2-168-174. EDN GCKCKR.

14. Guo X., Li Q., Zhang D., Gong J. Structural Behavior of an Air-Inflated Fabric Arch Frame // Journal of Structural Engineering. 2016. Vol. 142. Issue 2. DOI: 10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0001374

15. Alegria Mira L., Thrall A.P., De Temmerman N. Deployable scissor arch for transitional shelters // Automation in Construction. 2014. Vol. 43. Pp. 123–131. DOI: 10.1016/j.autcon.2014.03.014

16. Trenz J., Zlatuška K., Necas R. Experimental model of plan curved footbridge supported by arch // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 960. Issue 4. P. 042070. DOI: 10.1088/1757-899x/960/4/042070

17. Han Q.H., Xu Y., Lu Y., Xu J., Zhao Q.H. Failure mechanism of steel arch trusses: Shaking table testing and FEM analysis // Engineering Structures. 2015. Vol. 82. Pp. 186–198. DOI: 10.1016/j.engstruct.2014.10.013

18. Clarke M.J., Hancock G.J. Tests and Nonlinear Analyses of Small-Scale Stressed-Arch Frames // Journal of Structural Engineering. 1995. Vol. 121. Issue 2. Pp. 187–200. DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9445(1995)121:2(187)

19. Misseri G., Rovero L., Stipo G., Barducci S., Alecci V., De Stefano M. Experimental and analytical investigations on sustainable and innovative strengthening systems for masonry arches // Composite Structures. 2019. Vol. 210. Pp. 526–537. DOI: 10.1016/j.compstruct.2018.11.054

20. Lu P., Zhang J., Li D., Zhou Y., Shi Q. Conceptual design and experimental verification study of a special-shaped composite arch bridge // Structures. 2021. Vol. 29. Pp. 1380–1389. DOI: 10.1016/j.istruc.2020.12.018

21. Ferrero C., Calderini C., Roca P. Experimental response of a scaled dry-joint masonry arch subject to inclined support displacements // Engineering Structures. 2022. Vol. 253. P. 113804. DOI: 10.1016/j.engstruct.2021.113804

22. Mentese V.G., Gunes O., Celik O.C., Gunes B., Avsin A., Yaz M. Experimental collapse investigation and nonlinear modeling of a single-span stone masonry arch bridge // Engineering Failure Analysis. 2023. Vol. 152. P. 107520. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2023.107520

23. Liu A.R., Huang Y.H., Fu J.Y., Yu Q.C., Rao R. Experimental research on stable ultimate bearing capacity of leaning-type arch rib systems // Journal of Constructional Steel Research. 2015. Vol. 114. Pp. 281–292. DOI: 10.1016/j.jcsr.2015.08.011

24. Mora-Gómez J. Historical iron tie-rods in vaulted structures: parametrical study through a scaled model // WIT Transactions on The Built Environment. 2015. Vol. 1. Pp. 669–680. DOI: 10.2495/STR150561

25. Киселёв Д.Б. Работа комбинированной арочной системы с учетом геометрической нелинейности и последовательности монтажа : дис. … канд. техн. наук. М., 2009. 120 с.

26. Dolgusheva V., Ibragimov A., Dolgushev T. Robustness of the combined arch system with radial ties // E3S Web of Conferences. 2023. Vol. 389. P. 01053. DOI: 10.1051/e3sconf/202338901053

27. Еремеев П.Г. Справочник по проектированию современных металлических конструкций большепролетных покрытий. М. : Ассоциация строительных вузов, 2011. 256 с. EDN QNPJIX.

28. Драгунов Ю.Г., Зубченко А.С., Каширский Ю.В. Марочник сталей и сплавов. М., 2014. 1215 с.