ПОСТРОЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ МОДЕЛИ И СТАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО ПОДЗЕМНОГО КОМПЛЕКСА НА ПЛОЩАДИ ТВЕРСКОЙ ЗАСТАВЫ В Г. МОСКВЕ ПРИ ПОМОЩИ КОМПЛЕКСОВ PATRAN - NASTRAN Авторы: Академик РААСН, д.т.н., проф. Александров А.В., к.т.н., доц. Долотказин Д.Б., академик академии проблем качества Р.Ф., д.т.н., проф. Косицын С.Б. Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ), кафедры строительной механики и теоретической механики Докладчик академик академии проблем качества Р.Ф., д.т.н., проф. Косицын С.Б.

Правительством г. Москвы решено произвести реконструкцию площади Тверской заставы около Белорусского вокзала, построив транспортную развязку с размещением в ее подземном пространстве многофункционального многоярусного комплекса, включающего гараж – стоянку, а также торговые и развлекательные центры. Проект этого объекта разработан ГУП «Мосинжпроект». В целях научных исследований вопросов прочности и жесткости потребовалось выполнить расчет проектируемого сооружения как единого целого совместно с фундаментами, окружающей средой и с учетом конструктивных особенностей объекта. Правительством г. Москвы решено произвести реконструкцию площади Тверской заставы около Белорусского вокзала, построив транспортную развязку с размещением в ее подземном пространстве многофункционального многоярусного комплекса, включающего гараж – стоянку, а также торговые и развлекательные центры. Проект этого объекта разработан ГУП «Мосинжпроект». В целях научных исследований вопросов прочности и жесткости потребовалось выполнить расчет проектируемого сооружения как единого целого совместно с фундаментами, окружающей средой и с учетом конструктивных особенностей объекта. ВВЕДЕНИЕ

ПЛАН ПОКРЫТИЯ СООРУЖЕНИЯ

Сооружения подземного комплекса объединены в единую систему с наземными павильонами и конструкциями транспортной развязки, расположенными непосредственно на его покрытии, с восприятием нагрузок и воздействий от них, а также с входами и съездами в него. Подземный комплекс - это пространственная многопролетная многоярусная система колонн, дисков перекрытий с балками одного направления, фундаментных плит, а также несущих стен из монолитного железобетона, зажатая в грунтовом массиве, разделенная деформационными швами на температурно-осадочные блоки. Деформационные швы предусмотрены в местах изменения деформационных характеристик основания или действующих на систему постоянных и временных нагрузок. Всего в составе подземного комплекса выделено шесть температурно-осадочных блоков. Внешние несущие стены по периметру сооружения возводятся способом «стена в грунте» или на отдельных участках из буросекущихся свай, а в процессе строительства используются в качестве ограждающих конструкций котлована. По контуру сооружения дополнительно устраивается внутренняя монолитная несущая стена, жестко объединяемая с фундаментной плитой и промежуточными перекрытиями. Сооружения подземного комплекса объединены в единую систему с наземными павильонами и конструкциями транспортной развязки, расположенными непосредственно на его покрытии, с восприятием нагрузок и воздействий от них, а также с входами и съездами в него. Подземный комплекс - это пространственная многопролетная многоярусная система колонн, дисков перекрытий с балками одного направления, фундаментных плит, а также несущих стен из монолитного железобетона, зажатая в грунтовом массиве, разделенная деформационными швами на температурно-осадочные блоки. Деформационные швы предусмотрены в местах изменения деформационных характеристик основания или действующих на систему постоянных и временных нагрузок. Всего в составе подземного комплекса выделено шесть температурно-осадочных блоков. Внешние несущие стены по периметру сооружения возводятся способом «стена в грунте» или на отдельных участках из буросекущихся свай, а в процессе строительства используются в качестве ограждающих конструкций котлована. По контуру сооружения дополнительно устраивается внутренняя монолитная несущая стена, жестко объединяемая с фундаментной плитой и промежуточными перекрытиями. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СООРУЖЕНИЯ (1)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СООРУЖЕНИЯ (2) Внутренняя стена по верху жестко объединяется с покрытием и «стеной в грунте» путем устройства жесткого обвязочного узла. Она также играет роль прижимной стены для вертикальной гидроизоляции. Конструкции покрытия и промежуточных перекрытий комплекса запроектированы в виде сплошных дисков с ригелями, опирающимися на систему колонн и внутреннюю несущую стену по контуру комплекса. Фундаментная плита – сплошная монолитная железобетонная, жестко объединенная с колоннами. В глубокой части комплекса, а также на отдельных участках малозаглубленной части устраиваются сваи – колонны. Глубина погружения свай - колонн составляет до 40 м из условия опирания их на известняки. Пространственная жесткость конструкции обеспечивается за счет жесткого объединения всех несущих элементов с дисками перекрытий и фундаментной плитой, отпора грунтового массива по внешнему контуру сооружения, а также использования ядер жесткости в местах расположения стен пандусов, лифтовых, лестничных и эскалаторных спусков. Внутренняя стена по верху жестко объединяется с покрытием и «стеной в грунте» путем устройства жесткого обвязочного узла. Она также играет роль прижимной стены для вертикальной гидроизоляции. Конструкции покрытия и промежуточных перекрытий комплекса запроектированы в виде сплошных дисков с ригелями, опирающимися на систему колонн и внутреннюю несущую стену по контуру комплекса. Фундаментная плита – сплошная монолитная железобетонная, жестко объединенная с колоннами. В глубокой части комплекса, а также на отдельных участках малозаглубленной части устраиваются сваи – колонны. Глубина погружения свай - колонн составляет до 40 м из условия опирания их на известняки. Пространственная жесткость конструкции обеспечивается за счет жесткого объединения всех несущих элементов с дисками перекрытий и фундаментной плитой, отпора грунтового массива по внешнему контуру сооружения, а также использования ядер жесткости в местах расположения стен пандусов, лифтовых, лестничных и эскалаторных спусков.

ОПИСАНИЕ РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛИ, ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ СООРУЖЕНИЯ Задача расчета многофункционального комплекса решена в линейной постановке. Геометрическая модель целиком построена в среде MSC.PATRAN. В состав пространственной расчетной схемы всего сооружения включены только основные части изучаемого объекта, определяющие его напряженно-деформированное состояние. Внутренние стены по периметру сооружения и фундаментная плита смоделированы гладкими пластинами, перекрытия – пластинами, подкрепленными ребрами – балками, расположенными с различными эксцентриситетами, колонны и сваи – стержнями. Стены и наклонные съезды рамп представлены оболочками соответственно цилиндрическими и в форме геликоидов (винтовых поверхностей), так же как и криволинейные участки наклонных ходов внутри сооружения. Плоские элементы наклонных ходов и стены внутри периметра смоделированы гладкими пластинами. Задача расчета многофункционального комплекса решена в линейной постановке. Геометрическая модель целиком построена в среде MSC.PATRAN. В состав пространственной расчетной схемы всего сооружения включены только основные части изучаемого объекта, определяющие его напряженно-деформированное состояние. Внутренние стены по периметру сооружения и фундаментная плита смоделированы гладкими пластинами, перекрытия – пластинами, подкрепленными ребрами – балками, расположенными с различными эксцентриситетами, колонны и сваи – стержнями. Стены и наклонные съезды рамп представлены оболочками соответственно цилиндрическими и в форме геликоидов (винтовых поверхностей), так же как и криволинейные участки наклонных ходов внутри сооружения. Плоские элементы наклонных ходов и стены внутри периметра смоделированы гладкими пластинами.

ОБЩИЙ ВИД ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОКРЫТИЯ

ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ 1-ГО ЭТАЖА

ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ 2-ГО ЭТАЖА

ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ 3-ГО ЭТАЖА

ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ 4-ГО ЭТАЖА

ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ 5-ГО ЭТАЖА

ОПИСАНИЕ РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛИ, СТЕНА В ГРУНТЕ Стена в грунте, окружающая сооружение по всему периметру, представлена системой вертикальных стержней различной длины, взаимодействующих с горизонтальными ребрами – пластинами в уровнях перекрытий. Эти ребра, не работающие на изгиб и сдвиг при изгибе (им намеренно приданы свойства мембран), обеспечивали взаимодействие стены в грунте с основной частью объекта, а также взаимодействие элементов стены в грунте между собой. Аналогичные компоненты расчетной схемы моделируют места контактов блоков сооружения между собой в местах расположения деформационных швов. В уровне перекрытия над первым этажом по периметру расчетной области предусмотрено горизонтальное ребро – пластина, испытывающее все виды деформаций и предназначенное для соединения стены в грунте со стеной объекта. Стена в грунте, окружающая сооружение по всему периметру, представлена системой вертикальных стержней различной длины, взаимодействующих с горизонтальными ребрами – пластинами в уровнях перекрытий. Эти ребра, не работающие на изгиб и сдвиг при изгибе (им намеренно приданы свойства мембран), обеспечивали взаимодействие стены в грунте с основной частью объекта, а также взаимодействие элементов стены в грунте между собой. Аналогичные компоненты расчетной схемы моделируют места контактов блоков сооружения между собой в местах расположения деформационных швов. В уровне перекрытия над первым этажом по периметру расчетной области предусмотрено горизонтальное ребро – пластина, испытывающее все виды деформаций и предназначенное для соединения стены в грунте со стеной объекта.

СТЕРЖНЕВАЯ МОДЕЛЬ СТЕНЫ В ГРУНТЕ

ОПИСАНИЕ РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛИ, ГРУНТОВОЕ ОСНОВАНИЕ Грунтовое основание под вертикальными стержневыми элементами расчетной схемы (стена в грунте и сваи) смоделировано вертикальными пружинами, жесткость которых определялась значениями соответствующих площадей поперечных сечений стержней и коэффициентов постели, различных на разных отметках. Нижние сечения свай элементов стены в грунте в модели закреплены от поступательных перемещений в горизонтальной плоскости. Грунт под элементами плит смоделирован эквивалентным объемным слоем с основными свойствами, соответствующими модели основания Фусса – Винклера. Это соответствие достигалось путем выбора таких значений Е и µ для среды, которые дают приемлемое совпадение решений задачи о деформации пластин, лежащих на Винклеровом основании, с решением для основания в виде объемного слоя. Нижняя поверхность эквивалентного объемного слоя считалась жестко закрепленной в трех направлениях. Грунтовое основание под вертикальными стержневыми элементами расчетной схемы (стена в грунте и сваи) смоделировано вертикальными пружинами, жесткость которых определялась значениями соответствующих площадей поперечных сечений стержней и коэффициентов постели, различных на разных отметках. Нижние сечения свай элементов стены в грунте в модели закреплены от поступательных перемещений в горизонтальной плоскости. Грунт под элементами плит смоделирован эквивалентным объемным слоем с основными свойствами, соответствующими модели основания Фусса – Винклера. Это соответствие достигалось путем выбора таких значений Е и µ для среды, которые дают приемлемое совпадение решений задачи о деформации пластин, лежащих на Винклеровом основании, с решением для основания в виде объемного слоя. Нижняя поверхность эквивалентного объемного слоя считалась жестко закрепленной в трех направлениях.

ОПИСАНИЕ КОНЕЧНОЭЛЕМЕНТНОЙ МОДЕЛИ В составе конечноэлементной модели почти все плиты и оболочки представлены плоскими четырехугольными четырехузловыми конечными элементами (КЭ) с шестью степенями свободы в узле. Исключение составляют КЭ для соединительных ребер стены в грунте: они реагируют на воздействия только в своей плоскости и имеют по две линейные степени свободы в узле в плоскости КЭ. Стержни расчетной схемы представлены в конечноэлементной модели стержневыми двухузловыми КЭ с шестью степенями свободы в узле, пружины – элементами с одним узлом и с одной степенью свободы в узле. Эквивалентный объемный слой моделировался объемными КЭ с тремя степенями свободы в узле. При генеральных размерах многофункционального комплекса в плане м характерный размер конечного элемента составил 1 м. Общее число степеней свободы в конечноэлементной модели всего сооружения оказалось равным Конечноэлементная модель также построена при помощи препроцессора MSC.PATRAN. В составе конечноэлементной модели почти все плиты и оболочки представлены плоскими четырехугольными четырехузловыми конечными элементами (КЭ) с шестью степенями свободы в узле. Исключение составляют КЭ для соединительных ребер стены в грунте: они реагируют на воздействия только в своей плоскости и имеют по две линейные степени свободы в узле в плоскости КЭ. Стержни расчетной схемы представлены в конечноэлементной модели стержневыми двухузловыми КЭ с шестью степенями свободы в узле, пружины – элементами с одним узлом и с одной степенью свободы в узле. Эквивалентный объемный слой моделировался объемными КЭ с тремя степенями свободы в узле. При генеральных размерах многофункционального комплекса в плане м характерный размер конечного элемента составил 1 м. Общее число степеней свободы в конечноэлементной модели всего сооружения оказалось равным Конечноэлементная модель также построена при помощи препроцессора MSC.PATRAN.

ВОЗДЕЙСТВИЯ НА СООРУЖЕНИЕ Вертикальными воздействиями на сооружение являются: собственный вес несущих конструкций, постоянная и временная полезные нагрузки (в том числе и от вышележащих частей сооружения, не вошедших в расчетную схему), а также временная подвижная нагрузка (А11, А14, НК-80, НК-176 и др.). Горизонтальные воздействия включают давление грунта и гидростатическое давление на стену в грунте по всему периметру расчетной области. Кроме того, рассмотрено температурное воздействие. Произведено несколько вариантов расчета: – только глубокой части на эксплуатационные воздействия; – всего сооружения на эксплуатационные воздействия; – всего сооружения на температурные воздействия; – строительный случай. Вертикальными воздействиями на сооружение являются: собственный вес несущих конструкций, постоянная и временная полезные нагрузки (в том числе и от вышележащих частей сооружения, не вошедших в расчетную схему), а также временная подвижная нагрузка (А11, А14, НК-80, НК-176 и др.). Горизонтальные воздействия включают давление грунта и гидростатическое давление на стену в грунте по всему периметру расчетной области. Кроме того, рассмотрено температурное воздействие. Произведено несколько вариантов расчета: – только глубокой части на эксплуатационные воздействия; – всего сооружения на эксплуатационные воздействия; – всего сооружения на температурные воздействия; – строительный случай.

НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ Расчеты произведены при помощи конечноэлементного комплекса MSC.NASTRAN. В результате расчетов средствами постпроцессора MSC.PATRAN представлены поля распределения интенсивностей внутренних усилий в плитах фундаментов, перекрытий, стен, наклонных ходов, рамп и т. д., а также эпюры внутренних силовых факторов в подкрепляющих ребрах, колоннах, сваях и элементах стены в грунте для различных расчетных случаев. В качестве примера показано огибающее поле распределения интенсивностей максимальных изгибающих моментов Mx в плитах перекрытия второго этажа. Кроме того, получены соответствующие картины деформированных состояний сооружения. Одна из таких картин изображена на плакате. Рисунок позволяет визуально оценить принятую густоту сетки. Расчеты произведены при помощи конечноэлементного комплекса MSC.NASTRAN. В результате расчетов средствами постпроцессора MSC.PATRAN представлены поля распределения интенсивностей внутренних усилий в плитах фундаментов, перекрытий, стен, наклонных ходов, рамп и т. д., а также эпюры внутренних силовых факторов в подкрепляющих ребрах, колоннах, сваях и элементах стены в грунте для различных расчетных случаев. В качестве примера показано огибающее поле распределения интенсивностей максимальных изгибающих моментов Mx в плитах перекрытия второго этажа. Кроме того, получены соответствующие картины деформированных состояний сооружения. Одна из таких картин изображена на плакате. Рисунок позволяет визуально оценить принятую густоту сетки.

ПОЛЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТЕЙ МАКСИМАЛЬНЫХ ИЗГИБАЮЩИХ МОМЕНТОВ Mx В ПЛИТАХ ПЕРЕКРЫТИЯ ВТОРОГО ЭТАЖА

ДЕФОРМИРОВАННЫЙ ВИД ПЕРЕКРЫТИЯ ПЕРВОГО ЭТАЖА В СТАДИИ ЭКСПЛУАТАЦИИ

АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТОВ Анализ результатов показал, что на стадии эксплуатации часть внутренних стен по периметру сооружения оказывается растянутой за счет взаимодействия сооружения со стеной в грунте в вертикальном направлении. Несмотря на стеснение стеной в грунте деформаций перекрытий, в некоторых областях подкрепляющих ребер возникают растягивающие продольные силы. При форсмажорных обстоятельствах (выключение наиболее нагруженных колонн нижних этажей из работы) в большинстве случаев вышележащие колонны оказываются растянутыми и перераспределяют внутренние усилия в перекрытиях, а колонны, близлежащие к выключенным, оказываются перегруженными. Анализ результатов показал, что на стадии эксплуатации часть внутренних стен по периметру сооружения оказывается растянутой за счет взаимодействия сооружения со стеной в грунте в вертикальном направлении. Несмотря на стеснение стеной в грунте деформаций перекрытий, в некоторых областях подкрепляющих ребер возникают растягивающие продольные силы. При форсмажорных обстоятельствах (выключение наиболее нагруженных колонн нижних этажей из работы) в большинстве случаев вышележащие колонны оказываются растянутыми и перераспределяют внутренние усилия в перекрытиях, а колонны, близлежащие к выключенным, оказываются перегруженными.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ Чтобы правильно толковать изополя усилий при установлении их расчетных значений, авторами настоящей работы проведены дополнительные исследования. Для этого изучалось распределение изгибающих моментов в плите в области сопряжения с колонной. Были использованы две расчетные схемы. В первой схеме колонна представлена трехмерным телом, а во второй – осью стержня. Плита перекрытия в обеих схемах представлена срединной поверхностью изгибаемой пластины. На ее кромках поставлены связи типа скользящих заделок. Характерные размеры элементов расчетной схемы: пролет плиты – 8,2 м; ее толщина – 0,3 м; высота колонны – по 3 метра вверх и вниз от плиты; сечение колонны – 0,8 х 0,8 м. Размер конечных элементов (стержневых, двумерных и объемных) во всех направлениях – 0,1 м. Плита загружалась равномерно распределенными по ее четвертям нагрузками различных интенсивностей. Чтобы правильно толковать изополя усилий при установлении их расчетных значений, авторами настоящей работы проведены дополнительные исследования. Для этого изучалось распределение изгибающих моментов в плите в области сопряжения с колонной. Были использованы две расчетные схемы. В первой схеме колонна представлена трехмерным телом, а во второй – осью стержня. Плита перекрытия в обеих схемах представлена срединной поверхностью изгибаемой пластины. На ее кромках поставлены связи типа скользящих заделок. Характерные размеры элементов расчетной схемы: пролет плиты – 8,2 м; ее толщина – 0,3 м; высота колонны – по 3 метра вверх и вниз от плиты; сечение колонны – 0,8 х 0,8 м. Размер конечных элементов (стержневых, двумерных и объемных) во всех направлениях – 0,1 м. Плита загружалась равномерно распределенными по ее четвертям нагрузками различных интенсивностей.

РАСЧЕТНЫЕ МОДЕЛИ ФРАГМЕНТА ПЛИТЫ И КОЛОННЫ КОЛОННЫ: ТРЕХМЕРНАЯ И В ВИДЕ СТЕРЖНЯ

РЕЗУЛЬТАТЫ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Графики изменения интенсивности изгибающего момента Мх вдоль линии пересечения плиты с плоскостью симметрии, параллельной плоскости ZX, показаны на следующем слайде. Две пары вертикальных линий на слайде представляют границы колонны. Как видно из графиков значения Мх на краях колонны по обеим расчетным схемам достаточно близки. Из тех же графиков следует, что внутренние усилия на участке плиты, расположенном внутри колонны, в первой модели существенно меньше, чем в модели со стержневой колонной. Пиковые ординаты эпюры моментов последней модели имеют лишь условные значения и порождены ее несовершенством. Поэтому достоверными результатами расчета сооружения являются значения Мх и Му на изополях по внешним границам колонн и за их пределами, поскольку они получены с использованием стержневой модели для колонн. Графики изменения интенсивности изгибающего момента Мх вдоль линии пересечения плиты с плоскостью симметрии, параллельной плоскости ZX, показаны на следующем слайде. Две пары вертикальных линий на слайде представляют границы колонны. Как видно из графиков значения Мх на краях колонны по обеим расчетным схемам достаточно близки. Из тех же графиков следует, что внутренние усилия на участке плиты, расположенном внутри колонны, в первой модели существенно меньше, чем в модели со стержневой колонной. Пиковые ординаты эпюры моментов последней модели имеют лишь условные значения и порождены ее несовершенством. Поэтому достоверными результатами расчета сооружения являются значения Мх и Му на изополях по внешним границам колонн и за их пределами, поскольку они получены с использованием стержневой модели для колонн.

ПИКИ ИЗГИБАЮЩИХ МОМЕНТОВ НАД КОЛОННОЙ КОЛОННЫ: ТРЕХМЕРНАЯ И В ВИДЕ СТЕРЖНЯ

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ – на основе комплексов MSC.PATRAN – NASTRAN разработана пространственная расчетная модель многофункционального подземного сооружения, позволяющая исследовать его напряженно- деформированное состояние по схеме «конструкция – фундамент – основание» как единой системы на различных этапах строительства и эксплуатации в линейной постановке задачи; – с целью выяснения соответствия усилий, перемещений, просадок и других факторов, установленных расчетом и наблюдаемых в действительности, желательно в процессе строительства предусмотреть сеть измерительных устройств и датчиков, позволяющих проводить непрерывный мониторинг действительного напряженно-деформированного состояния сооружения; – следует провести специальное исследование устойчивости сжатых областей подземной части объекта как минимум в линейной постановке задачи, а желательно и в нелинейной; – особое внимание следует уделить проработке некоторых специфических деталей, например, соединению по верхнему контуру стены в грунте с каркасом подземной части сооружения, работе плит перекрытий в областях отверстий с весьма сложными вырезами и острыми углами, устройствам съездов в гаражные помещения и т. п. – разработанная модель в целом или ее отдельные части могут быть использованы при решении поставленных выше задач. – на основе комплексов MSC.PATRAN – NASTRAN разработана пространственная расчетная модель многофункционального подземного сооружения, позволяющая исследовать его напряженно- деформированное состояние по схеме «конструкция – фундамент – основание» как единой системы на различных этапах строительства и эксплуатации в линейной постановке задачи; – с целью выяснения соответствия усилий, перемещений, просадок и других факторов, установленных расчетом и наблюдаемых в действительности, желательно в процессе строительства предусмотреть сеть измерительных устройств и датчиков, позволяющих проводить непрерывный мониторинг действительного напряженно-деформированного состояния сооружения; – следует провести специальное исследование устойчивости сжатых областей подземной части объекта как минимум в линейной постановке задачи, а желательно и в нелинейной; – особое внимание следует уделить проработке некоторых специфических деталей, например, соединению по верхнему контуру стены в грунте с каркасом подземной части сооружения, работе плит перекрытий в областях отверстий с весьма сложными вырезами и острыми углами, устройствам съездов в гаражные помещения и т. п. – разработанная модель в целом или ее отдельные части могут быть использованы при решении поставленных выше задач.

БЛАГОДАРИМ ЗА ВНИМАНИЕ!