Учебное пособие 1659

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-

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.