Материал: Нелинейное деформирование и гидравлический удар в висячих трубопроводных переходах. Доманова Ю.А., Сафронов В.С
16
основными. Влияние конструктивных параметров на НДС при возникновении гидравлического удара изучалось их варьированием. Силовое воздействие от гидравлического удара приводилось к одному из концов трубопровода. График изменения инерционной силы от гидравлического удара по времени представлен на рис. 11.
Рис. 11. Схема загружения расчетной схемы при гидравлическом ударе
Полученные по результатам динамических расчетов объемлющие эпюры изгибающих моментов и продольных сил по длине трубопровода при действии гидравлического удара представлены на рис. 12. Для всех расчетных схем с различными значениями коэффициента деформативности сооружения очертания эпюр являются подобными. Из анализа различных расчетных схем с разными значениями коэффициента деформативности, относительной стрелы провисания и относительной жесткости кабельной фермы, выявлено, что усилия и деформации практически не зависят от этих величин. Исключение составляют те значения расчетных параметров трубопровода, при которых собственная частота продольных колебаний совпадает с частотой приложения нагрузки, что приводит к возникновению резонанса. Максимальные значения усилий и продольных перемещений, изображенные на рис. 12 в масштабе, при начальном модуле ударной силы 800кН, достигали следующих величин: М=1250кНм, N=675кН, u=30 мм.
M
N
Рис. 12. Объемлющие эпюры изгибающих моментов и осевых сил при гидроударе
При анализе эпюр изгибающих моментов схем с температурными компенсаторами наблюдаются более равномерное перераспределение изгибающих мо-
17
ментов по длине трубопровода и уменьшению их максимумов вблизи изгибов; также отмечено значительное уменьшение осевой силы и амплитуд перемещений.
Апробация рассмотренной методики расчета висячих трубопроводов на действие гидравлического удара осуществлена для фактических условий эксплуатации трубопроводного водовода через р. Оку в г. Орле. В натурной конструкции реализован неподвижный узел опирания трубы на анкерную опору с помощью приварки металлических ребер-фиксаторов. Сильфонные компенсаторы температурных деформаций установлены с внутренней стороны от опорного узла. При натурном обследовании водовода установлено, что за время эксплуатации его пролетное строение испытало значительные деформации в продольном направлении. При этом на одной из опор произошли срез фиксаторов с внутренней стороны диафрагмы и смещение узла в наружную сторону с остаточными деформациями около 20 см. Одновременно в трубопроводе произошло разрушение сварного шва, которое было устранено заваркой образовавшейся в металле трещины. Картина деформирования и величина остаточных перемещений и усилий, достаточных для срезки фиксаторов и разрушения материала трубы, могут быть объяснены возникновением в системе гидравлического удара.
Для оценки возможности возникновения на водоводе через Оку ударных сил, способных вызвать перемещения сопоставимой величины, был произведен расчет данного трубопровода по разработанной в диссертации методике. Результаты динамических расчетов в виде объемлющих эпюр усилий по длине трубопровода и график перемещения точки приложения нагрузки см. рис. 13.
а)
б)
Перемещения u, м
M
N
0,1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,05 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
Закрепление с |
-0,05 |
|
|
|
|
|
|
|
фиксаторами |
-0,1 |
|
|
|
|
|
|
|
Скользящее |
-0,15 |
|
|
|
|
|
|
|
|
-0,2 |
|
|
|
|
|
|
|
закрепление |
0 |
2,5 |
5 |
7,5 |
10 |
12,5 |
15 |
17,5 |
20 |
|
|
|
|
Время, с |
|
|
|
|
Рис. 13. Результаты динамического расчета: а) усилия в трубопроводе, б) продольные перемещения точки приложения ударной нагрузки
18
Для анализа представленных на рис.13, а эпюр приведем характерные величины: максимальные изгибающие моменты в трубопроводе вблизи правого конца - 7355 кНм, у противоположного конца водовода -325 кНм, максимальный пролетный момент - 450 кНм, максимальная продольная сила - 4555 кН. На рис.13, б графики расчетных продольных перемещений (сплошная линия) закрепленного трубопровода сравниваются с аналогичными величинами (штриховая линия), полученными для расчетной схемы без закрепления опорных узлов трубопровода. Видна существенная разница, особенно в первые моменты времени. Развивающиеся в трубопроводе усилия достаточны для разрушения установленных закреплений трубопровода, что имело место на реальном объекте. Кроме того, график свидетельствует о возникновении слабозатухающих колебаний с высокой частотой (2.5 Гц) и амплитудой, достигающей 5 см на протяжении длительного времени после прекращения воздействия. Такие колебания могут приводить к усталостному разрушению материала трубопровода, и должны устраняться путем увеличения гибкости и усиления демпфирующих свойств трубопроводной системы.
Выполненные расчеты показывают, что при гидравлическом ударе в трубопроводах большого диаметра со сложным профилем могут возникать ударные нагрузки, вызывающие усилия и перемещения, значительно превышающие усилия и перемещения от статических нагрузок.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
По итогам выполненных в диссертационной работе теоретических и экспериментальных исследований сделаны следующие выводы:
на основе анализа современного состояния рассматриваемой проблемы расчета в нелинейной постановке висячих трубопроводных переходов выявлено, что при разработанности теории висячих систем для применяемых в мостостроении сооружений отсутствуют системные исследования нелинейного деформирования висячих трубопроводных сооружений при статических нагружениях и динамических нагрузок при гидравлическом ударе;
разработаны и сопоставлены различные варианты конечноэлементных статических и динамических моделей однопролетных висячих трубопроводных переходов, учитывающих особенности их конструктивных решений;
обоснована применимость принятых в теории висячих мостов основных безразмерных параметров висячих несущих систем: коэффициента деформативности в вертикальной и горизонтальной плоскостях, относительной жесткости кабельной системы и изгибной жесткости трубопровода, относительной стрелы провисания несущего кабеля; введен дополнительный безразмерный – параметр, характеризующий относительную жесткость температурных компенсаторов.
выполнены численные исследования влияния геометрической нелинейности деформирования висячих трубопроводов при статических равновесных
инеравновесных загружениях временной нагрузкой для используемых в строительстве параметров трубопроводных переходов.
19
анализ динамических параметров применяемых в строительстве конструкций висячих трубопроводных переходов выявил особенности спектра собственных частот и взаимное расположение собственных форм свободных колебаний с перемещениями трубопровода в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
выполненные на эксплуатируемом висячем трубопроводе экспериментальные исследования динамической реакции на кратковременные силовые воздействия позволили выявить особенности колебаний, которые различаются в зависимости от возбуждаемых собственных форм; наряду обычной реакцией на возбуждение могут возникать резонансные колебания с повышенными амплитудами; благодаря повышенной деформативности сооружения и наличия плотного спектра собственных частот и возможных кратных частот, могут возникать неустойчивые колебания типа биения с перекачкой энергии из одних форм движения в другие;
разработана основанная на использовании современных конечноэлементных комплексов 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.
Выполненные исследования динамического поведения трубопроводных переходов при нестационарных режимах эксплуатации показали, что усилия, возникающие при гидравлическом ударе в трубопроводе, существенно увеличиваются с ростом жесткости системы в продольном направлении и могут приводить к разрушительным последствиям; приводится пример такого явления на эксплуатируемом сооружении.
Основные положения диссертации опубликованы в работах:
Публикации в журналах, входящих в перечень ВАК:
1.Доманова Ю.А. Нелинейный статический анализ висячего трубопроводного перехода на действие вертикальной временной нагрузки / Ю.А. Доманова, В.С. Сафронов // Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура – Воронеж, 2014. – Вып. 3 (35) – С. 118 – 127
2.Доманова Ю.А. Динамические характеристики висячих двухпилонных трубопроводных переходов с вертикальными подвесками / Ю.А. Доманова, В.С. Сафронов // Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура – Воронеж, 2015. – Вып. 1 (37) – С. 112 – 123
Публикации в других изданиях:
3.Доманова Ю.А. Исследование влияния ветровых связей на динамические параметры и оценка возможности возникновения вихревого резонанса при эксплуатации трубопроводного перехода / Ю.А. Суханова // Научный вестник ВГАСУ. Студент и наука – Воронеж, 2010. – Вып. 6, С. 24-28
20
4.Доманова Ю.А. Прочностной анализ несущих конструкций висячего трубопровода через реку Ока в г. Орел / Ю.А. Суханова, В.С. Сафронов, // Строительная механика и конструкции – Воронеж, 2010. – Вып. 1, С. 59 – 64
5.Доманова Ю.А. Динамический расчет висячего трубопровода при гидравлическом ударе / Ю.А. Суханова, В.С. Сафронов, // Строительная механика и конструкции. – Воронеж, 2011 – Вып. 1 (2), 2011, С. 67 – 77
6.Доманова Ю.А. Нелинейный статический анализ трубопроводного перехода с вантовой несущей системой / Ю.А. Доманова, В.С. Сафронов // Строительная механика и конструкции. – Воронеж, 2012 – Вып. 1 (4), С. 91 – 97
7.Доманова Ю.А. Предотвращение разрушения висячих трубопроводных переходов при внезапной остановке насоса / Ю.А. Доманова, В.С. Сафронов // Механика разрушения бетонов, железобетонов и других строительных материалов. Сборник статей по материалам 7-й международной научной конференции: в двух томах – Воронеж, 2013 – С. 39 – 46
8.Доманова Ю.А. Расчетная схема висячего трубопровода для статического анализа несущей системы на действие вертикальной нагрузки / Ю.А. Доманова, В.С. Сафронов, // Строительная механика и конструкции – Воронеж, 2014. – Вып. 1 (8) – С. 49 – 56
9.Доманова Ю.А. Расчетный анализ натурных измерений резонансных колебаний висячего водовода / Ю.А. Доманова // Строительная механика и кон-
струкции – Воронеж, 2015. – Вып. 1 (10) – С. 37 – 47
Подписано в печать |
мая 2016г. Формат 60х84 1/16. Бумага писчая. |
Уч.-изд. л. |
. Усл.-печ. л. . тираж 120 экз. Заказ No . |
_________________________________________________________________
__
Отпечатано: отдел оперативной полиграфии издательства учебной литературы и учебно-методических пособий Воронежского ГАСУ
394006 Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84