Введение к работе
Актуальность темы. Балочные конструкции кольцевого сечения -широко распространенные, эффективные конструктивные формы инженерных сооружений. Они применяются при строительстве инженерных сооружений трубопроводных систем различного назначения (водоводы, тепловые сети, воздуховоды, газопроводы, нефтепроводы, трубопроводы промышленных предприятий и т.п.) при пересечении естественных и искусственных препятствий в виде оврагов, болот каналов, рек в пустынных и горных районах.
В последнее время повысились требования к обеспечению безопасности эксплуатируемых и вновь проектируемых зданий и сооружениях, в том числе и балочных конструкций кольцевого сечения. Отказ балочных конструкций кольцевого сечения в инженерных сооружениях трубопроводных систем приводит к большим материальным потерям и может привести к экологическим катастрофам, вследствие чего к ним предъявляют повышенные требования в обеспечении безопасной работы.
Балочные конструкции кольцевого сечения обладают своеобразной особенностью, сочетая функции несущих конструкций с технологическими функциями. В данной работе рассматриваются вопросы, связанные с функциями несущих конструкций, а именно, работоспособностью балочных конструкций кольцевого сечения при запроект-ных воздействиях. В качестве запроектных, в данном случае, понимаются воздействия, вызванные изменением расположения опорных элементов вследствие оползневых подвижек грунта, термоэрозионных и термокарстовых процессов, а также выключением связей из работы балочного сооружения.
В связи с этим, обеспечение работоспособности инженерных сооружениях трубопроводных систем при указанных запроектных воздействиях является актуальной задачей.
Целью диссертационной работы является создание эффективных конструкций усиления инженерных сооружений трубопроводных сие-
тем при запроектных воздействиях, вызванных изменением расположения опорных элементов, а также выключением связей из работы, и разработка методов их расчета. Автор защищает:
методику определения напряженно деформированного состояния эксплуатируемых балочных конструкций кольцевого сечения при запроектных воздействиях, вызванных изменением расположения опорных элементов, а также выключением связей из работы;
новые конструктивные решения усиления балочных конструкций кольцевого сечения в связи с изменением расположения опорных элементов, а также выключением связей из работы;
методику расчета несущей способности балочных конструкций кольцевого сечения после усиления новыми конструкциями усиления;
функциональные зависимости материалоемкости новых конструкций усиления;
результаты численного анализа несущей способности эксплуатируемых балочных конструкций кольцевого сечения при запроектных воздействиях и рекомендации по повышению их конструктивной безопасности.
Научную новизну работы составляют:
разработка методики определения напряженно деформированного состояния эксплуатируемых балочных конструкций кольцевого сечения при запроектных воздействиях, вызванных изменением расположения опорных элементов, а также выключением связей из работы;
разработка новых конструктивных решений усиления балочных конструкций кольцевого сечения в связи с изменением расположения опорных элементов, а также при выключении связей из работы;
разработка методики расчета несущей способности балочных конструкций кольцевого сечения после усиления новыми конструкциями усиления;
- выявление функциональной зависимости материалоемкости новых
конструкций усиления инженерных сооружений трубопроводных
систем;
результаты численного анализа несущей способности эксплуатируемых балочных конструкций кольцевого сечения при запроект-ных воздействиях и рекомендации по повышению их конструктивной безопасности. Достоверность результатов научных исследований базируется на использовании общепринятых допущений сопротивления материалов и строительной механики, результатах анализа многовариантных численных исследований автора, а также сопоставлением теоретических результатов с экспериментальными.
Практическое значение и реализация. Разработанные методики оценки напряженного состояния балочных конструкций кольцевого сечения позволяют оценить их несущую способность при запроектных воздействиях, вызванных изменением расположения опорных элементов, а также выключением связей из работы, и использовать в практике проектирования предложенные автором новые конструктивные решения усиления.
Результаты проведенных исследований были использованы при оценке несущей способности балочной конструкции кольцевого сечения, усиленной тросом, перекрывающей р. Валуй, и разработке рекомендаций по её усилению. Методики расчета внедрены в учебный процесс Старооскольского технологического института. Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на:
семинаре молодых ученых с участием докторантов, аспирантов и студентов "Реконструкция" Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета, 1999г;
международной научной конференции "Вопросы проектирования, эксплуатации технических систем в металлургии, машиностроении, строительстве", Старый Оскол, 1999г;
международной научно-практической конференции "Качество, безопасность, энерго- и ресурсосбережение в промышленности строительных материалов и строительстве на пороге XXI века", Белгород 2000 г;
международной научной конференции "Современные сложные системы управления", Старый Оскол, 2002 г;
международном конгрессе "Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии", посвященного 150-летию В.Г. Шухова, Белгород, 2003 г.
международной научной конференции "Образование, наука, производство и управление в XXI веке", посвященной 25-летию Старо-оскольского технологического института, Старый Оскол, 2004 г.
В полном объеме работа доложена и одобрена на заседании кафедры ПГС СТИ МИСиС, г. Старый Оскол, сентябрь 2004 г, на заседании кафедры "Строительные конструкции и материалы" Орловского государственного технического университета, г. Орел, июнь 2004 г. Публикации. По теме диссертации опубликованы 6 работ и получен один патент Российской Федерации на изобретение. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дано обоснование актуальности выбранной темы, сформулированы цель и задачи исследований, кратко освещены основные результаты работы.
В первой главе изложено состояние вопроса, обобщены и проанализированы конструктивные решения, экспериментальные исследования, методы расчета и проектирования балочных конструкций кольцевого сечения для инженерных сооружений в процессе эксплуатации. Сформулированы направления по совершенствованию и снижению их материалоемкости и стоимости на современном этапе. Представлен обзор способов усиления аварийных балочных конструкций кольцевого сечения.
Вопросам проектирования и эксплуатации балочных конструкций кольцевого сечения посвящены работы отечественных и зарубеж-
7 ных ученых Мельникова Н.П., Казакевича И.М., Любина АЕ., Стрелецкого Н.С., Горева В.В., Лунева Л.А., Левенсона Я.С., Беленя Е.И., Колчунова В.И., Корчака М.Д., Азметова Х.А, Березина В.Л., Гумеро-ваАГ., Харионовского В.В., Черний В.П., Быкова Л.И. и других.
Во второй главе разработана методика определения напряженно деформированного состояния эксплуатируемых балочных конструкций кольцевого сечения при запроектных воздействииях. Рассмотрим методику определения напряженно деформированного состояния од-нопролетной балочной конструкции кольцевого сечения (рис. 1).
и Т "щ гЦ 1111111111
111111 ІШІїЛ
і*і
У, У»
К,
Рис. І. Однопролетнаябалочнаяконструкциякольцевогосечения:
а-конструктивнаясхема,
б-расчетная схема.
На расчетной схеме балочной конструкции (рис. 1, б) располагается система узловых точек (от 0 до і+2).
Уравнение изогнутой оси балочной конструкции кольцевого сечения заменяем интерполяционной функцией. Значение функции в узловых точках совпадает с ординатами действительной кривой, получаемой из нивелирования профиля провисающей балочной конструкции кольцевого сечения. Интерполяционная функция используется для вычисления кривизны провисания балочной конструкции кольцевого сечения в узловых точках.
Согласно расчетной схемы (см. рис. 1, б) выразим изгибающие моменты в узловых точках через опорные моменты начальной и ко-
нечной точки провисания балочной конструкции, через действующую нагрузку q и распора Н и, приравнивая их значениям, определяемым из произведения изгибной жесткости EJ на кривизну изогнутой оси балочной конструкции кольцевого сечения, получим следующее векторное уравнение.
AlU.+w;+Wq=0, (1)
0,75 0,25 д., 0,5 0,5 у, 0,25 0,75 ун1
(2)
W =*L
у Я2
W=qX
(л-2и+і+л)
ІУі-Ьн\*У,*г)
(3)
(4)
М.=\Мй М,+г Н(, (5)
Уравнение (1) позволяет по высотному положению точек определить изгибающие моменты на опорах, распор Н, а затем согласно расчетной схемы (см. рис. 1, б) вычислить изгибающие моменты в пролетной части перехода. Уравнение (1) предполагает упругую работу материала трубной стали.
При работе балочной конструкции кольцевого сечения за пределом упругих деформаций материала труб оценка несущей способности балочной конструкции выполнялась с учетом переменных параметров упругости с использованием итерационной схемы вычисления. Начальное приближение итерационного процесса принималось по значениям, полученным из уравнения (1).
При запроектном воздействии на многопролетную балочную конструкцию кольцевого сечения изменение её положения в пространстве может произойти:
при изменении расстояния между опорами;
при выключении опор из работы конструкции.
Разработанная методика определения напряженно деформированного состояния для однопролетной эксплуатируемой балочной конструкции кольцевого сечения применима и для многопролетной балочной конструкции кольцевого сечения. Для каждого і-го пролета составляется уравнение (1) и из совокупности всех уравнений определяются возникающие силовые факторы (изгибающие моменты, распор).
При запроектном воздействии на эксплуатируемую однопролет-ную балочную конструкцию кольцевого сечения с поддерживающими элементами в виде троса (вант) изменение положения конструкции в пространстве может произойти:
-
из-за не учета вытяжки троса (вант),
-
из-за увеличения расстояния между опорами.
На рисунке 2 показана балочная конструкция кольцевого сечения с поддерживающим тросом при запроектном воздействии.
,< ^ У—1 J"—4 )г—1 )f-J. ,-
Рис.2Висячаяоднопролетнаябалочнаяконструкциякольцевогосечения
Разработанная методика определения напряженно деформированного состояния для однопролетной эксплуатируемой балочной конструкции применима и для висячей балочной конструкции кольцевого
сечения.
Специфика конструкции учитывается в нахождении усилий в поддерживающем элементе в виде троса.
Для определения усилий в тросе разбиваем его на (т+2) шарнирно-сочлененных стержней, к которым примыкают нерастяжимые подвески, передающие сосредоточенные силы R,+j от балочной конструкции. Усилия в сочлененных стержнях находим из равновесия сил в их узлах:
\у„.
N--
Л-1
R,
Но ;
-Ук
а
(Ук-Уы)2+<>2 (Ук+\-Ук)2+* 2-Ук+і)2+а'
(УІ2+*І2Г
(6)
_q\ qX t M,-MlA t M0-MlA
1 2 2 А Л
HK tf-i N. *.+\ Nm+2f,
(7) (8)
Л/, - изгибающий момент в і-той точке балочной конструкции;
Nm - продольное усилие в тросе на ш-ном участке;
q - действующая нагрузка на балочную конструкцию;
Ук - ординаты к-той точки шарнирно-сочлененных стержней;
а, Эо - проекции шарнирно-сочлененных стержней на горизонтальную
ось.
Однопролетная балочная конструкция кольцевого сечения с поддерживающим элементом в виде трубы (кожуха) имеет свою специфику запроектных воздействий. В этой конструкции при разрушении берегов препятствия усиляющий элемент (кожух) превращается в дополнительную нагрузку для балочной конструкции. Хотя в диссертации и
разработана методика расчета несущей способности однопролетной балочной конструкции кольцевого сечения усиленной кожухом при запроектном воздействии, здесь и без аналитической диагностики видно, что необходимо принимать меры для ликвидации аварийной ситуации. Методика расчета несущей способности нужна только для того, чтобы оценить изменение уровня напряжения при усилении балочной конструкции кольцевого сечения.
В третьей главе разработаны принципиально новые конструкции усиления инженерных сооружений трубопроводных систем при запро-ектных воздействиях.
Рассмотрены варианты схем усиления:
для глубоких препятствий, более 3 метров;
для неглубоких препятствий, менее 3 метров.
Для балочных конструкций кольцевого сечения, пересекающих глубокие препятствия (свыше 3 м), конструкции усиления по предложенным схемам устраивают на берегу препятствия. Рассмотрены различные схемы усиления с помощью консольных конструкций, к которым подвешивается аварийная балка кольцевого сечения. Разработана методика расчета несущей способности однопролетных балочных конструкций кольцевого сечения с учетом конструктивной нелинейности, вызванной изменением расположения опорных элементов, а также выключением связей из работы.
При прокладке балочных конструкций кольцевого сечения через овраги и реки небольшой глубины, менее 3 м, конструкции усиления целесообразно осуществлять с помощью опор, расположенных в пролетной части балочной конструкции.
Предложено принципиально новое конструктивное решение для уменьшения изгибных напряжений в пролетной части балочной конструкции в виде адаптированной системы.
На рисунке 3 показана одна их таких систем усиления в виде рычажной балки, на которую автором получен патент на изобретение №2172442.
У -fi—У —в J-
й/с J Устройство усиления адаптированной системой в виде рычажной балки
Предлагаемое устройство усиления (рис. 3) состоит из стоек 1, на которые опирается рычажная балка 2 с помощью поперечен 3. Поперечины лежат на оголовках стояков так, чтобы они были способны вращаться по оси поперечин, но не смогли перемещаться ни в продольном, ни в поперечном направлении, то есть они выполняют роль шарнирно неподвижной опоры.
На рычажной балке на одном конце прикреплено приспособление 4, поддерживающее балочную конструкцию кольцевого сечения, а на другом конце подвешивается груз 5. На концах балочной конструкции 6 устанавливается бандаж 7 из разрезанной на две половины трубы диаметром большим, чем диаметр балочной конструкции, и соединенных между собой на болтах, а в пустоту между бандажом и балочной конструкцией нагнетается бетон 9 на расширяющемся цементе.
Предлагаемое устройство адаптированной системы в виде рычажной балки работает следующим образом. Груз 5 через рычажную
13 балку 2 передает усилие на приспособление 4 и тем самым разгружает балочную конструкцию трубопроводной системы. В зависимости от размеров А и Б рычажной балки можно менять разгружающее усилие.
Особенность предложенных адаптированных систем в том, что после уменьшения изгибных напряжений в пролете увеличивается напряжение в опорных точках балки. Поэтому в этих точках предложено увеличить сечения балочной конструкции кольцевого сечения бандажом большего диаметра, чем действующая балочная конструкция кольцевого сечения, и в пространство между бандажом и балочной конструкцией нагнетается бетон на расширяющемся цементе, т. е. получается трубобетонный бандаж.
В аварийных балочных конструкциях кольцевого сечения с поддерживающим элементом в виде трубы, проходящих через глубокие препятствия (свыше 3 м), можно применять те же схемы усиления, что и для однопролетных балочных конструкций кольцевого сечения, но с учетом своей специфики расчета. Кроме составления в точках опирання балочной конструкции уравнений неразрывности деформаций, необходимо учитывать отпорность кожуха. Для нахождения отпорно-сти составляется дополнительное уравнение, исходя из того, что прогибы в балочной конструкции и кожухе равны между собой.
Для балочных конструкций с кожухом и глубиной препятствия меньше 3 м предложены конструкции усиления подобные адаптированным системам. Отличие заключается только в том, что на рычажной конструкции груз 5 заменяется гибкой опорой с талрепом и, таким образом, превращается в жесткие регулируемые опоры, легко включающиеся в работу балочной конструкции.
Для подтверждения методики расчета несущей способности эксплуатируемых однопролетных балочных конструкций при запроект-ных воздействиях после их усиления проведены экспериментальные исследования на модели. Размеры модели и величины нагрузок определялись в соответствии с требованиями теории подобия. Эксперимент проводился на модели пролетом 120 см. В качестве несущего элемента
для модели перехода принимался стержень равный 10 мм из круглой проволоки. Загружение модели постоянной нагрузкой осуществлялось с помощью стержня диаметром 18 мм, а для временной нагрузки, применялся стержень диаметром 24 мм. По замеренным значениям перемещений в точках 1, 2, 5 определись изгибающие моменты по формулам главы 2.
Для вычисления теоретических значений изгибающих моментов в точках 1, 2, 5 составлялись уравнения по методу упругих грузов '
Теоретические и экспериментальные изгибающие моменты усиливаемой балочной конструкции кольцевого сечения показаны в табл.1.
Таблица 1. К определению изгибающих моментов усиливаемой балоч-
ной конструкции кольцевого сечения
Расхождение, %
Из табл. 1 видно, что теоретические значения изгибающих моментов качественно совпадают с экспериментальными величинами, и имеют небольшие количественные расхождения в пределах 7,5...9,7%. Таким образом, предлагаемая методика расчета однопролетной балочной конструкции после усиления подтверждена экспериментальными исследованиями на модели, при этом количественное расхождение находится в пределах 7,5.. .9,7%.
В четвертой главе получены функциональные зависимости обобщающего параметра материалоемкости предлагаемых конструкций усиления. Для выявления функциональных зависимостей обобщающего параметра материалоёмкости принята предпосылка, что нагрузки, действующие на балочную конструкцию кольцевого сечения, полностью передаются на поддерживающие элементы. Исходя из этих предпосылок, был определен погонный вес поддерживающих элементов. Выразив вес поддерживающих элементов балочной конструкции
15 кольцевого сечения в относительных единицах (отношение веса поддерживающих элементов к весу постоянной и временной нагрузок), получим безразмерную характеристику материалоемкости поддерживающих элементе».
В пятой главе по разработанным в работе алгоритмам исследованы процессы деформирования и разрушения эксплуатируемых балочных конструкций кольцевого сечения при запроектных воздействиях до и после их усиления. Проведено численное исследование определения материалоемкости конструкций усиления в зависимости от пролета эксплуатируемой балочной конструкции кольцевого сечения.
На основании полученных данных о состоянии ряда (более 5) балочных конструкций кольцевого сечения, эксплуатирующихся при запроектных воздействиях в Острогожском районе Воронежской области, произведены численные исследования оценки их несущей способности с помощью предложенной в главах 2 и 3 методик. Результаты исследования показаны на рисунке 4. /«ні А
30 33 36 <5 511 г
Г (см>
Рис. 4. Максимальные изгибающие моменты в балочных конструкциях кольцевого сечения при запроектных воздействиях
1-приупругойработематериалабалкикольцевогосечения;2-приработематериала балкикольцевогосечениязапределомупругостщЗ-допускаемыепредельныеизги-бающиемоментысучетомработыматериалазапределомупругости.
Из рисунка 4 видно, что большинство обследованных балочных конструкций кольцевого сечения, эксплуатирующихся при запроект-
ных воздействиях, не удовлетворяют условию прочности даже с учетом работы материала за пределами упругости. Таким образом необходимы мероприятия по увеличению их несущей способности.
Проведены численные исследования усиления однопролетной балочной конструкции кольцевого сечения диаметром 1220 мм с помощью описанных в работе конструкций. Результаты исследований показаны на рис 5.
4,2810
Рис. 5. К оценке НДС однопролетной балочной конструкции кольцевого сечения до и после усиления консольными балочными конструкциями:
I- изгибающие моменты послеусиления консольными балками; 2 -тоже, после усиленияподдерживающей,балкойусиленнойтросом;3-тоже,доусиления.
Из рисунка 5 видно, что консольные конструкции снижают величину изгибающих моментов в 3 и более раз.
На основании методики и алгоритмов, приведенных в главе 4, проведены численные исследования материалоемкости конструкций усиления и получены функциональные зависимости обобщенного параметра материалоёмкости.
Результаты исследований приведены в таблице 2. Из таблицы 2 видно, что наименьшей материалоемкостью обладают конструкции усиления в виде консольных балок с поддерживающим тросом, а наибольшей - конструкции в виде консольных стоек с поддерживающим тросом. Для малых пролетов (меньше 20 наружных диаметров балочной конструкции кольцевого сечения) металлоемкость в виде консольных балок с поддерживающим тросом имеет практически одинаковые показатели. Поэтому для этих пролетов лучше применять усиление в
виде консольных балок из-за конструктивной и технологической простоты изготовления. Таблица 2. К определению обобщающего параметра материалоемкости
схем усиления балочных конструкций кольцевого сечения.