Введение к работе
Актуальность темы обусловлена следующим состоянием вопроса: 1. комплекс бетонная гравитационная плотина - скальное основание имеет достаточное количество нарушений сплошности ( конструктивные И строительные швы, контакт сооружения с массивом основания, крупные трещины в сооружении и массиве основания ), причем взаимные смещения частей сооружения ( блоков ) по этим нарушениям сплошноо-ти по крайней мере также значительны, как и их собственные деформации, . особенно при анализе статической работы сооружений в предельном состоянии.." Однако, бетонные плотины и их скальные основания при/ расчёте как аналитическими, так и численными методами рассчитываются в основном как сплошные среды, несмотря на то, что трещинообразование в них и нелинейная работа материала в некоторых работах,рассматривается; ; ,
-
разработка численных основ механики дискретных сред, прогресс вычислительной техники позволяют подойти к решению задач о напряженно-деформированном состоянии комплекса "плотина-основание" как системы блоков, ' испытывающих собственные деформации и взаимные смещения ,/";'..; .... 'У !' .'г "- ' '.. '.'
-
аналитическое построение решений МКЭ задач о напряженно-деформированном состоянии сложных систем отличается четкой математической формулировкой и позволяет полностью автоматизировать вычислительный процесс, ..однако,' литературные данные, касающиеся вопросов программирования решений, весьма немногочисленны, а сами программы Применительно-к'- проблемам разупрочнения (раскрытия трещин ) и учета контактного взаимодействия нуждаются в доработке.
Целью диссертационной работы является анализ работы комплекса гравитационная плотина-основание, с учетом нарушений сплошности плотины, основания и контакта и прочностных свойств материала и разработка соответствующего метода расчета.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
-
на основе анализа разработать математическую модель взаимодействий отдельных блоков на контактах в теле плотины и основании, а также модель описания деформирования (в том числе запредельного) самих блоков;
-
разработать алгоритм численной реализации и создать программу для расчета напряженно-деформированного состояния комплекса плотина-основание с учетом нарушений сплошности и прочностных свойств
материала;
-
провести физические и численные эксперименты, позволяющие сделать вывод о применимости выбранной модели и исследовать вопросы, связанные с оценкой сходимости и точностью численных результатов;
-
показать на примерах расчетов напряженно-деформированного состояния и устойчивости бетонных плотин конкретных объектов эффективность разработанной программы расчета, оценить влияние на напряженно-деформированное состояние различных нарушений сплошности и нелинейного поведения материала.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
в усовершенствовс. .ии на базе МКЭ методики расчета напряженно-деформированного состояния бетонных У гравитационных- плотин, включающих различные нарушения сплошности- швы, трещины и т.д., на основе решения контактных задач в упругопластической постановке при статическом и температурном нагружении в плоской и "объемной" постановках;
-
в создании соответствующих алгоритмов и вычислительного комплекса, реализующего эту методику на ЭВМ типа "ЕС" и персональных ЭВМ "IBM-PC/AT" и позволяющих производить расчеты при поэтапном возведении и нагружении сооружений; "У-."";-:^
-
в проведении численных экспериментов, в том числе и на блочных моделях и сопоставлении результатов с результатами модельных исследований для апробирования предложенной методики;
-
в анализе напряженно-деформированного состояния бетонных плотин различных гидроузлов, в выявлении особенностей напряженно-деформированного состояния, обусловленных влиянием нарушений сплошности и нелинейным поведением материала.
Практическая ценность работы заключается в разработанной на базе МКЭ методике расчета напряженно-деформированного состояния гидротехнических сооружений, взаимодействующих со скальным массивом. Предлагаемая методика позволяет с большей точностью, по сравнению с существующими, оценить напряженно-деформированное состояние в исследуемой области при наличии в ней нарушений сплошности, анизотропии, структурной неоднородности. Это, в. свою очередь, дает возможность с большей достоверностью .выявить запасы прочности и устойчивости системы сооружение-скальное основание, а также разработать конструктивно-технологические мероприятия, позволяющие повысить надежность проектируемых конструкций и сооружений.
Практическую ценность представляют также отдельные разделы диссертации, в которых, в частности:
разработана модель упругопластического деформирования горных пород и бетонов, которая дает возможность моделировать в условиях "плоской" задачи поведение материалов при различных напряженных состояниях, что позволяет более достоверно оценить работоспособность бетонных сооружений и скальных массивов;
модифицирован контактный элемент, позволяющий учитывать нарушения сплошности в "объемной" постановке;
разработан алгоритм учета нелинейных эффектов взаимодействия на контактах на основе методов начальных напряжений и начальных деформаций, позволяющий учитывать, в том числе, и влияние шероховатости стенок трещин на напряженно-деформированное состояние окружающего массива при сдвиге, и тем самым, дающий возможность уточнения его сдвиговой прочности.
Внедрение результатов исследований связано с выполнением исследований статически работы высоких бетонных плотин ряда крупных гидроузлов, таких, как - Катунский, Богучанский, Бурейский, гидроузел на р.Капанда, проводимых по заказам проектно-изыскательского института "Гидропроект" и дирекциям строящихся ГЭС и заключается в научном обосновании проектных решений на различных стадиях проектирования сооружений.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на семинаре "Вопросы автоматизированного проектирования" Всесоюзной конференции "Прогрессивные методы в проектировании и строительстве морских берегозащитных сооружений" в г. Сочи, 1984; на V семинаре "Аналитические методы и применение ЭВМ в механике горных пород" СО АН СССР, г. Новосибирск, 1985; на Всесоюзных научно-технических совещаниях "Расчетные предельные состояния бетонных и железобетонных конструкций энергетических сооружений", г. Нарва ( 1986, 1988, 1990 ГОДЫ ).
Объем работы диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы. Общий объем работы 231 стр., в том числе 139 стр. машинописного текста, 77 стр. рисуніюв, 2 таблиц и 13 стр. списка литературы из 126 наименований.
На зашиту выносится методика расчета на базе МКЭ задачи взаимодействия бетонных плотин со скальными основаниями при наличии различных нарушений сплошности имеющих место, как в сооружении, так и
- Б -/
в скальном массиве.
В частности, защищаются: . — .<: -г;-.'./
упругопластическая модель поведения трещин и контактов, учитывающая возможность их раскрытия и закрытия ( в том числе, і при разгрузке), проскальзывания контактов при сдвиговых деформациях о учетом трения и морфологии стенок трещин, что позволяет воспроизводить в расчетах явление дилатансии;-^Л :;:,;.'
упругопластическая модель деформирования горных пород и бе-тонов в условиях различных напряженных состояний ( двухосное ежа тие, сжатие-растяжение, растяжение )," характерных для совместно! работы бетонных плотин и скальных оснований;;':".\Ц;ллУ: -Х-^У':',<;-";
результаты исследований статической работы гравитационны плотин трех крупных гидроузлов, которые позволили выявить особен ности формирования напряженно-деформированного состояния, обуслов ленные влиянием нарушений сплошности и нелинейным поведением мате риала и обосновать отдельные конструктивные и технологические ре шения.
