Материал: Нелинейное деформирование и гидравлический удар в висячих трубопроводных переходах. Доманова Ю.А., Сафронов В.С

2

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Воронежский государственный архитектурностроительный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Сафронов Владимир Сергеевич

Официальные оппоненты: Пшеничкина Валерия Александровна доктор технических наук, профессор; ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет», заведующий кафедрой строительных конструкций, оснований и надежности сооружений.

Бузало Нина Александровна кандидат технических наук, профессор;

ФГБОУ ВО «Южно-российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова» (г. Новочеркасск), профессор кафедры промышленного и гражданского строительства, геотехники и фундаментостроения

Ведущая организация: ФГБОУ ВО Липецкий государственный технический университет

Защита состоится 8 июля 2016 г. в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 212.033.01 при Воронежском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84, корп. 3,

ауд. 3220, тел. (факс): (473) 271-59-05

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного архитектурно-строительного университета, а также на сайте Воронежского государственного архитектурно-строительного университета: http://edu.vgasu.vrn.ru/SiteDirectory/DisSov/D212.033.01.

Автореферат разослан ____ мая 2016 г

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. При проектировании висячих трубопроводных переходов в настоящее время используются методики и расчетные модели, разработанные в теории мостов, несмотря на конструктивные различия этих двух типов сооружений. Для разработки теории расчета висячих трубопроводов с целью транспортировки воды и других жидких продуктов необходим системный анализ их статического и динамического поведения под действием эксплуатационных нагрузок.

Ряд трудностей при расчете висячих трубопроводных переходов связан с большой гибкостью и значительной изменяемостью геометрической формы. При загружении неравновесной нагрузкой в висячих системах возникают большие перемещения, связанные с изменением геометрии расчетной схемы. Возникает необходимость использования нелинейных расчетных схем. Все существующие на данный момент аналитические методы расчета висячих конструкций слишком трудоемки и, в большинстве случаев, сводятся к решению частных задач, применимых только для конкретных конструктивных особенностей сооружений.

В трубопроводных системах для воды, нефти и других жидкостей может возникать явление гидравлического удара – колебательного процесса, возникающего

вупругом трубопроводе с капельной жидкостью при внезапном изменении ее скорости. Помимо резких повышений и снижений давления внутри трубы, этот процесс опасен еще и ввиду возникновения значительных сил инерции, вызванных резким торможением потока жидкости, которые могут приводить к существенным деформациям расчетной схемы и создавать усилия в несущих элементах, сопоставимые и превышающие усилия от статических нагрузок. В настоящее время отсутствуют апробированные методики динамического расчета висячих трубопроводов на воздействия, возникающие при гидравлическом ударе.

Современное состояние теории сооружений позволяет выполнять статические и динамические расчеты конструкции любой сложности с использованием реализующих метод конечных элементов вычислительных комплексов. Несмотря на многообразие нелинейных статических и динамических моделей, реализуемых

всовременных конечно-элементных расчетных комплексах, закрытость коммерческих вычислительных комплексов для пользователя порождают необходимость поверки полученных результатов при помощи экспериментальных испытаний или сравнения их с результатами, полученными с помощью существующих аналитических методик. Кроме того, существующие расчетные комплексы в своей массе являются универсальными и направлены на решение самых разнообразных инженерных задач. Поэтому разработка моделей, методик и расчетных алгоритмов для реализации исследования напряженно-деформированного состояния висячих систем трубопроводных переходов с применением таких комплексов является актуальной.

Степень разработанности проблемы. Диссертационное исследование ос-

новывается на результатах фундаментальных научных работ отечественных и за-

4

рубежных учёных в области висячих и вантовых систем, теории гибкой и жесткой нити: Й. Мелана, Д.Б. Штейнмана, С.П. Тимошенко, С.А. Цаплина, Р.Н. Мацелинского, В.К. Качурина, В.А. Смирнова, А.А. Петропавловского, В.Н. Шимановского, Н.Н. Шапошникова, А.М Масленникова, А.В. Александрова, В. Б. Зылева и др. Проблема нелинейного анализа висячих и вантовых систем при равновесных и неравновесных загружениях изучалась в научной школе Воронежского ГАСУ под руководством проф. Н.М. Кирсанова, расширенной и углубленной в работах И.С. Дурова и его учеников Н.А. Бузало и И.Д. Платоновой. В Воронежском ГАСУ статическое и, особенно, динамическое поведение висячих и вантовых несущих систем мостов и покрытий зданий исследовали В.С. Сафронов, А.И. Ананьин, М.В. Шитикова, А.Н. Аверин, А. А. Свентиков, C. Колодежнов и др. Фундаментальные основы гидравлики и гидродинамики трубопроводных систем заложены

восновополагающих работах Н.Е. Жуковского, А.А. Сурина, Т. М. Башты и др. Проблема нелинейного деформирования висячих трубопроводных переходов и особенности их поведения при возникновении гидравлического удара до настоящего времени системно не изучались.

Цели исследования:

исследование напряженно-деформированного состояния висячих трубопроводных переходов с различными конструктивными параметрами сооружения под действием постоянных и временных вертикальных статических нагрузок

вгеометрически нелинейной постановке;

динамический анализ поведения висячих трубопроводных переходов с различными конструктивными параметрами при свободных и вынужденных колебаниях;

изучение причин возникновения, механизма воздействия и возможных последствий явления гидравлического удара, наблюдаемого в трубопроводных системах большого диаметра, применительно к висячим трубопроводным переходам.

Задачи исследования:

выбор и верификация современных конечно-элементных комплексов, имеющих нелинейные кабельные конечные элементы для выполнения статических и динамических расчетов висячих трубопроводных переходов;

создание статических и динамических расчетных схем висячих трубопроводных переходов, адекватно описывающих нелинейное деформирование и колебания под действием статических и динамических нагрузок, включая возникающие при гидравлическом ударе воздействия;

численные исследования влияния геометрической нелинейности деформирования висячих трубопроводов при статических равновесных и неравновесных загружениях временной нагрузкой для используемых в строительстве параметров трубопроводных переходов;

экспериментальные исследования на натурном сооружении динамической реакции на кратковременные силовые воздействия в разных сечениях для изучения особенностей колебаний трубопроводных переходов и сопоставление их с данными, полученными в результате численных расчетов;

5

разработка и апробация основанной на использовании современных конечно-элементных комплексов методики моделирования динамического поведения висячих трубопроводных переходов на возникающие при гидравлическом ударе воздействия, которая может эффективно использоваться при проведении научных исследований и на стадии проектирования.

Научная новизна. При решении поставленных задач получены следующие новые результаты:

новые варианты КЭ статических и динамических моделей однопролетных висячих трубопроводных переходов, учитывающих их конструктивные особенности;

результаты численных исследований влияния геометрической нелинейности деформирования висячих трубопроводов при статических равновесных

инеравновесных загружениях временной нагрузкой для используемых в строительстве параметров трубопроводных переходов;

новые данные, описывающие динамические параметры конструкций висячих трубопроводных переходов, позволяющие оценить особенности спектра собственных частот и взаимное расположение собственных форм свободных колебаний конструкции в вертикальной и горизонтальной плоскостях;

результаты выполненных на эксплуатируемом висячем трубопроводе экспериментальных исследований динамической реакции на кратковременные силовые воздействия в разных сечениях, которые позволили установить возможность и причины развития резонансных колебаний трубопроводов при эксплуатации;

новая методика моделирования динамического поведения висячих трубопроводных переходов на возникающие при гидравлическом ударе воздействия, которая может эффективно использоваться при проведении научных исследований и на стадии проектирования;

новые данные, описывающие динамическое поведение трубопроводных переходов при нестационарных режимах эксплуатации, которые показали, что усилия, возникающие при гидравлическом ударе в трубопроводе, существенно увеличиваются с ростом жесткости системы в продольном направлении и могут приводить к разрушительным последствиям.

Достоверность научных положений и результатов, сформулированных в диссертации. Основные принципы разработанных методик основаны на непротиворечивых положениях строительной механики, гидравлики и гидродинамики, теории гибких и жестких нитей. Обоснованность используемых конечноэлементных расчетных статических и динамических моделей рассматриваемых в диссертации висячих трубопроводных переходов и достоверность полученных в диссертации выводов подтверждается сходимостью результатов на ряде расчетных примеров с данными других авторов и результатами натурных экспериментов.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в разработке основанных на положениях строительной механики, теории гибких и жестких нитей, гидродинамики и использовании современных конечно-элементных ком-