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

6

плексов статических и динамических расчетных схем висячих трубопроводных переходов, а также новой методики моделирования динамического поведения висячих трубопроводных переходов на возникающие при гидравлическом ударе воздействия. Методика и расчетные схемы апробированы и могут быть рекомендованы для практического применения.

Внедрение результатов работы. Разработанные в диссертации КЭ расчетные модели и методика расчёта на действие гидравлического удара использованы при мониторинге технического состояния и динамических испытаниях висячего водовода через реку Оку в п. Гать Орловской области от станции III подъема до поселка Лужки для выявления причин возникающих при эксплуатации неисправностей и оценки технического состояния сооружения.

Разработанные в диссертации приёмы расчёта и научные положения используются в учебном процессе Воронежского ГАСУ по дисциплине «Динамика сооружений» магистерской подготовки по программе «Теория и проектирование зданий и сооружений» направления 08.04.01 - Строительство. Материалы научных исследований по разработке нелинейных конечно-элементных расчетных схем висячих трубопроводных переходов используются в учебном процессе курса «Динамика и устойчивость искусственных сооружений» при подготовке дипломированного специалиста 08.05.01 «Строительство уникальных зданий и сооружений» по специализации «Строительство высотных и большепролетных зданий

исооружений». Использование результатов работы подтверждено актами о внедрении.

На защиту выносятся:

конечно-элементные статические и динамические модели однопролетных висячих трубопроводных переходов, учитывающие особенности их конструктивных решений для несущих конструкций;

данные о влиянии геометрической нелинейности деформирования висячих трубопроводов при статических равновесных и неравновесных загружениях временной нагрузкой для используемых в строительстве параметров трубопроводных переходов;

данные об особенностях спектра собственных частот и взаимном расположении собственных форм свободных колебаний с перемещениями трубопровода в вертикальной и горизонтальной плоскостях, основанные на результатах численных и экспериментальных исследований;

методика моделирования динамического поведения висячих трубопроводных переходов на возникающие при гидравлическом ударе воздействия, основанная на использовании современных конечно-элементных комплексов, которая может эффективно использоваться при проведении научных исследований

ина стадии проектирования;

данные о динамическом поведении трубопроводных переходов при нестационарных режимах эксплуатации, полученные в ходе численных исследований с применением разработанной методики.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на секции строительной механики и теории сооружений научных конфе-

7

ренций Воронежского ГАСУ (Воронеж, 2011-2015 гг.), а также на международной конференции по механике разрушения (Воронеж, 2013 г.). В полном объеме диссертационная работа рассматривалась на расширенном заседании кафедры строительной механики Воронежского ГАСУ в марте 2016 года.

Публикации. Основные результаты исследования и содержание диссертационной работы изложены в девяти статьях: одной - в научно-техническом журнале «Научный вестник ВГАСУ, серия «Студент и наука», пяти - в научнотехническом журнале «Строительная механика и конструкции», одной - в сборнике статей по материалам 7-й международной научной конференции «Механика разрушения бетона, железобетона и других строительных материалов», двух - в журнале «Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура», входящем в перечень, определённый ВАК РФ.

Структура и объем работы: диссертационная работа содержит введение, пять разделов, общие выводы, список литературы и приложение. Работа изложена на 152 страницах, из которых 92 страницы машинописного текста, 58 рисунков и 10 таблиц; список литературы из 133 наименований на 13 страницах, а также 1 приложение на 3 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, определяются цели и задачи исследований, отмечаются научная новизна выполненных исследований и практическая ценность диссертационной работы.

Первый раздел диссертации посвящён обоснованию актуальности и постановке исследований, анализу истории развития и современного состояния изучаемой проблемы. Отмечается, что до настоящего времени при проектировании висячих трубопроводных переходов используются методики и расчетные модели, разработанные в теории мостов, несмотря на конструктивные различия этих двух типов сооружений. Главной особенностью трубопроводных переходов является совмещение несущих качеств балки жесткости и технологической функции транспортировки движущейся под давлением жидкости. В частности, не получил решения вопрос об инерционных силах, возникающих при возникновении гидравлического удара в висячих трубопроводах со сложным профилем, и их воздействии на НДС таких конструкций.

Объектом исследования диссертации являются висячие однопролетные трубопроводные переходы с классической двухпилонной системой, боковыми оттяжками и вертикальными подвесками (рис. 1). Висячие трубопроводные переходы обладают рядом преимуществ перед надземными трубопроводными переходами других типов: легкость, низкая материалоемкость, высокая эффективность использования прочности материала, малая чувствительность к перегрузкам. Основным недостатком таких конструкций является высокая деформативность.

8

В разделе приводится краткое описание и обоснование принятых расчетных схем, основных расчетных нагрузок и безразмерных конструктивных параметров висячей системы

Рис. 1. Конструктивная схема одноцепного висячего трубопроводного перехода:

1 – балка жесткости (трубопровод); 2 – несущий кабель; 3 – боковые оттяжки; 4 – вертикальные подвески; 5 – пилоны; 6 – анкерные опоры; l – главный пролет; lбок – боковые пролеты, f – стрела провисания несущего кабеля

При создании конечно-элементной расчетной схемы (РС) висячего трубопроводного перехода несущие кабели и подвески моделируются в двух вариантах: как обыкновенные пространственные стержни или при помощи специального типа КЭ «Cable», реализующего геометрически нелинейную модель упругой цепной линии. Жесткостные характеристики КЭ «Cable» зависят от его натяжения, при расчете учитываются эффекты, связанные с большими перемещениями. Требуется проведение нелинейного статического расчета. Трубопровод, пилоны и вспомогательные конструкции моделируются пространственными стержневыми КЭ ли- нейно-упругими с соответствующими характеристиками поперечных сечений и материалов. В расчетной схеме предусмотрены свайные фундаменты пилонов и анкерных опор. Взаимодействие свай с грунтом представлено в виде упругих связей. В расчетной схеме реализована возможность учета температурных компенсаторов, которые моделируются введением на некотором участке трубопровода упруго податливой связи по направлению оси трубопровода.

Во втором разделе диссертации выполняется оценка достоверности нелинейных расчетов при статических воздействиях в известных конечно-элементных расчетных комплексах, выбор оптимальной расчетной схемы висячего трубопроводного перехода для выполнения статических расчетов на вертикальную нагрузку, описание безразмерных конструктивных параметров висячего трубопроводного перехода с оценкой их влияния на нелинейные свойства висячей системы.

При использовании современных коммерческих конечно-элементных вычислительных комплексов (ВК), ввиду закрытости программного кода, а зачастую, и аналитических предпосылок, лежащих в основе расчетных моделей специальных конечных элементов и применяемых в нелинейных расчетах итерационных алгоритмов, возникает проблема оценки достоверности полученных результатов и необходимость верификации ВК. В настоящей работе в целях оценки достоверности определения изгибающих моментов и прогибов, полученных с помощью статических расчетов в ВК Midas Civil и SAP 2000, рассматривались две модельные задачи: поэтапное загружение провисающей трубы сосредоточенной силой и загружение висячего моста вертикальной временной нагрузкой. Результаты расчетов по ВК сопоставлены с теоретическими и экспериментальными дан-

9

ными, полученными разными авторами. По результатам анализа был сделан вывод о достоверности полученных данных. Для выполнения дальнейших исследований принят ВК SAP 2000, обладающий наименьшими погрешностями.

С помощью библиотеки КЭ SAP 2000 было сформировано четыре варианта статической расчетной схемы однопролетного трубопроводного перехода с вертикальными подвесками. Принятые РС различаются степенью подробности отображения действительных конструктивных особенностей конструкций и принятыми допущениями (рис. 2). Сопоставление результатов нелинейного статического расчета трубопровода на действие временной нагрузки, равномерно распределенной на крайнем правом и половине среднего пролета, показало, что различие результатов, полученных по схемам «а» и «г» пренебрежимо мало. В дальнейшем для статических расчетов применялась упрощенная схема «г».

Рис. 2. Принятые в расчетах варианты расчетных схем «а», «б», «в» и «г» висячего трубопроводного перехода с нумерацией расчетных сечений

При анализе НДС висячих комбинированных систем большую роль играет учет влияния их разнообразных конструкционных характеристик на общую деформативность таких систем. Для висячего трубопровода важными являются следующие количественные характеристики: площадь сечения несущего кабеля и стрела его провисания, изгибная жесткость балки жесткости (трубы), длина пролета, а также их взаимное соотношение. Для описания конструкционных характеристик висячего трубопровода по аналогии с используемыми в теории висячих мостов использованы следующие безразмерные параметры: коэффициент деформативности висячей несущей системы r, относительная стрела провисания несущего кабеля f/l, относительная жесткость растяжения несущего кабеля по сравнению с изгибной жесткостью подвешенного трубопровода n0. Для висячих трубопроводов вводится дополнительный параметр cs, характеризующий относительную продольную жесткость температурных компенсаторов. Наиболее значимым является предложенный Н.М. Кирсановым параметр деформативности:

изгибная жесткость трубопровода, l – основной пролет трубопровода.