Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Актуальные проблемы конструирования и расчета гидротехнических затворов 11
1.1. Конструктивные особенности плоских и сегментных затворов 11
1.2. Основные направления проектирования затворов 14
1.3. Пути повышения надежности затворов 19
1.4. Анализ существующих методов расчета 23
1.4.1. Особенности методик расчета гидротехнических затворов 23
1.4.2. Анализ устойчивости формы конструкций затворов 29
1.4.3. Проблема расчета затворов на сейсмостойкость 32
1.4. 4. Метод конечных элементов в расчетах затворов 35
1.5. Основные направления задач исследований 45
Глава 2 Анализ пространственных моделей гидротехнических затворов на статические нагрузки 46
2.1. Рационализация конструктивных решений ригелей плоских затворов 46
2.2. Оптимизация предварительно назначенных размеров сечений ригелей 54
2.3. Совершенствование методики расчета сдвоенных плоских затворов 59
2.4. Оценка прочности и долговечности коррозионно-изношенных конструкций 7
Глава З Модернизация ранее запроектированной конструкции 81
3.1. Задача совершенствования конструкции 81
3.2. Оценка устойчивости затвора 92
3.3. Анализ напряженно-деформированного состояния сегментного затвора 96
3.4. 0сновные результаты модернизации конструкции 115
Глава 4 Анализ учета присоединенных масс воды при расчете затворов на сейсмостойкость 116
4.1. Концепция определения присоединенных масс воды 116
4.2. Оценка присоединенных масс воды 122
4.3 Анализ сейсмостойкости конструкции 134
4.4 Выводы 138
Глава 5 Заключение 139
5.1. Практические рекомендации по проектированию конструкций
гидротехнических затворов 139
5.2. Основные итоги диссертационной работы 141
5.3. Направления будущих исследований 142
Список литературы
- Основные направления проектирования затворов
- Рационализация конструктивных решений ригелей плоских затворов
- Анализ напряженно-деформированного состояния сегментного затвора
- Концепция определения присоединенных масс воды
Введение к работе
Актуальность работы. Плоские и сегментные затворы входят в состав механического оборудования пиротехнических сооружений, в значительной мере определяя надежность и безопасность гидроузла в целом Многолетний опыт эксплуатации подтверждает, что аварийные ситуации с затворами могут быть сопряжены с материальными, экологическими и социальными ущербами Поэтому работы по совершенствованию методов расчета и конструктивных решений гидротехнических затворов соответствуют требованиям Федерального Закона «О безопасности гидротехнических сооружений» и включены Федеральным агентством по науке и инновациям в Программу развития гидроэнергетики РФ на 2002-2007 г г
В настоящее время проектирование гидротехнических затворов регламентируется нормативно-методическими документами, разработанными в основном в середине ХХ-го века При этом действующие Нормы, обеспечивая в целом достаточно высокий технический уровень проектных решений, не в полной мере соответствуют потребностям современной практики проектирования, строительства и эксплуатации затворов Так, натурные данные по отказам затворов показывают, что в настоящее время сложилась ситуация, когда методологические резервы и возможности традиционных расчетных подходов во многом исчерпаны Вместе с тем, компьютерные технологии позволяют сегодня оперативно решать многовариантные задачи анализа пространственных конструкций гидротехнических затворов с адекватным учетом факторов, ранее не рассматривавшихся, либо учитываемых упрощенно и/или несовместно
Существующие расчетные методики, как правило, основаны на раздельном анализе работы элементов несущего каркаса затворов по балочным схемам в условиях плоского изгиба При этом напорная обшивка затворов рассчитывается на местный изгиб отдельных отсеков как тонких пластин с простейшими условиями загружения и опирання на контуре Подобный фрагментарный подход не отражает действительной работы конструкций, не учитьюая в необходимой мере пространственных эффектов, затрудняя в итоге поиск оптимальных конструктивных решений
В частности, с позиций классической теории стержней не удается достоверно оцеїтвать концентрацию напряжений При этом, в соответствии со статистикой аварий и повреждений затворов с указанным фактором, так или иначе, связана значительная доля нештатных ситуаций В связи с этим в проектной практике остается открытой проблема рационализации конструктивных решений с точки зрения минимизации концентраторов напряжений
Расчеты сдвоенных затворов выполняются без учета совместной работы секций В результате расчетные значения параметров напряженно-деформированного состояния затворов не согласуются с данными натурных наблюдений Как следствие, имеет место снижение безотказности и долговечности таких затворов, существуют методологические препятствия для рационализации конструкции
Учитывая значительные фактические сроки службы, актуальным является определение остаточного ресурса коррозионно-изношенных затворов, решение практических задач реновации эксплуатируемых затворов Вместе с тем, в настоящее время нет единого нормативного подхода к решению этой проблемы
В действующих нормативных документах отсутствует положение по оценке живучести конструкций затворов, нет ограничений по значениям минимальных коэффициентов запаса общей устойчивости затвора.
В расчетах гидротехнических затворов на сейсмостойкость определение гидродинамического давления в прямой форме не регламентируется, поэтому здесь необходимо уточнение практической методики определения присоединенных масс воды
Перечисленные проблемы являются существенным препятствием на пути повышения надежности и безопасности гидротехнических затворов
Цель работы. Повышение надежности гидротехнических затворов путем совершенствования их конструктивных решений и методов расчета
Задачи работы:
-
Анализ существующих методов расчета и принципов конструирования гидротехнических затворов Обобщение опыта эксплуатации, статистики аварий и повреждений
-
Исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) и рационализация профиля ригелей плоских затворов
-
Совершенствование методики статического и прочностного расчета сдвоенных плоских затворов
-
Разработка инженерной методики оценки остаточного ресурса коррозионно-изпошепных затворов
-
Совершенствование конструкции сегментного затвора на основании многопараметрического анализа НДС и оценки живучести
-
Уточнение методики определения присоединенных масс воды в расчетах гидротехнических затворов на сейсмостойкость по линейно-спектральной теории (ЛСТ)
-
Разработка практичесиїх рекомендаций по проектированию и эксплуатации плоских и сегментных затворов
Методы исследования. Исследования конструкций затворов выполнялись с помощью программного комплекса COSMOS/M, реализующего метод конечных элементов (МКЭ) Научную новизну работы составпяют
методика определения рационального профиля ригелей плоских затворов,
методика расчета напряженно-деформированных состояний сдвоенных плоских затворов,
инженерный способ определения остаточного ресурса коррозионно-изношенных конструкций,
предложения по оценке живучести и рационализации конструкции сегментного затвора,
способ определения присоединенных масс воды при оценке сейсмостойкости гидротехнических затворов
Достоверность результатов работы обеспечивается
положительными результатами сопоставления расчетных значений с данными натурных исследований,
качественным и количественным согласием в области возможного сравнения с результатами решения задач по существующим методам расчета,
анализом полученных результатов с точки зрения их физической достоверности
Практическое значение работы заключается в разработке расчетных методик и усовершенствовании конструктивных решений гидротехнических затворов, повышающих их надежность и безопасность
Внедрение результатов Результаты исследований использованы при
проектировании новых и реконструкции эксплуатирующихся гидротехнических затворов (основного сегментного и аварийно-ремонтного секционного на береговом водосбросе Саяно-Шушенской ГЭС на р Енисей, основного сегментного и ремонтного плоского секционного на эксплуатационном водосбросе Ирганайского гидроузла на р Аварское Койсу, сегментных водосливной плотины Усть-Илимской ГЭС, сдвоенного затвора Краснодарского водохранилища) в СПКТБ "Ленгидросталь"и ОАО "Институт Ленгидропроект" (г Санкт-Петербург)
Личное участие автора состоит в постановке задач, разработке и внедрении инженерных методик и практических рекомендаций по расчету, самостоятельном выполнении расчетных исследований
Апробация полученпьга результатов
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях "Неделя Науки СПбГПУ», Санкт-Петербург, (2004,2005,2006 г г), на Научно-технической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения НЯ Панарина (СПбГАСУ, Санкт-Петербург, 2005г), на
заседаниях кафедры СКиМ СПбГПУ, 2006г Материалы диссертации опубликованы в шести печатных работах, в том числе 2 статьи из списка изданий, рекомендованных ВАК
Структура и объем диссертации
Основные направления проектирования затворов
Применение принципиально новых конструкций без натурных испытаний существенно снижает надежность работы затворов. Вследствие этого первое направление может быть осуществлено только при наличии достаточного финансирования и времени на разработку расчетной и конструкторской документации. Поэтому сегодня более актуально второе направление проектирования.
Исходные данные для проектирования затвора 1. Инженерно-геологические условия, возможные деформации бетонных сооружений, сейсмичность в районе строительства гидротехнического сооружения; 2. Назначение проектируемого затвора (основной или аварийно-ремонтный, поверхностный или глубинный); 3. Форма и размеры водопропускного отверстия (высотные отметки порога, отводящих тоннелей, дна бассейна перед затвором), для сегментных затворов дополнительно задаются отметки осей шарниров, центра кривизны обшивки, радиус кривизны обшивки; 4. Количество перекрываемых отверстий, количество затворов на сооружении; 5. Условия эксплуатации, режим работы затвора; 6. Эксплуатационные нагрузки на затвор, грузоподъемность обслуживающего механизма; 7. Условия изготовления, транспортировки, монтажа конструкций; 8. Сроки проектирования, изготовления и монтажа. С начала 1990 - х годов проектирование и строительство практически всех гидроузлов в России оказалось в "замороженном" состоянии. Этот факт негативно отразился на развитии отечественной энергетики. Например, в районе Северного Кавказа назревает энергетический кризис. В Сибири, на Саяно-Шушенской ГЭС в период весеннего паводка происходит размыв бетона водобойного колодца водосливной плотины. В связи с этим, Министерством энергетики и электрификации "ЕЭС России" принято решение о возобновлении строительных работ на Ирганайской ГЭС и строительстве нового берегового водосброса Саяно-Шушенской ГЭС. В СПКТБ "Ленгидросталь" в период с 2003 по 2005годы под руководством главного конструктора проекта И.М.Кузнецова были выполнены работы по проектированию механического оборудования глубинного берегового водосброса Саяно-Шушенской ГЭС и поверхностного эксплуатационного водосброса Ирганайского гидроузла (см. рис.1.2.3.).
Особенность требований по надежности затворов водосбросных сооружений заключается в том, что отказы в работе грозят тяжелыми последствиями, с возможными человеческими жертвами. К основным направлениям повышения надежности затворов следует отнести: 1) усовершенствование методов расчета затворов; 2) улучшение качества проектирования, изготовления, монтажа и эксплуатации затворов; 3) применение высокопрочных и долговечных материалов; 4) выбор типа затвора.
Обычно причинами отказа плоских затворов в процессе эксплуатации являются: заклинивание в пазах, повреждение опорно-ходовых частей, недостаточная грузоподъемность обслуживающего механизма. Сегментные затворы, вследствие отсутствия пазов, обладают повышенной надежностью, поэтому их используют только в качестве основных. За последние 50 лет на гидроузлах России крупные аварии с сегментными затворами не происходили[2]. Однако в практике известны случаи повреждения и полного разрушения плоских затворов из-за некачественного проектирования и изготовления металлоконструкций.
К разрушениям металлоконструкций затворов приводят: низкая пластичность применяемой стали, концентрация напряжений, усталостные разрушения [2]. Так, в Польше на плоском затворе пролетом 24,2м произошел разрыв низового пояса в месте соединения ригеля с опорным узлом. Причиной аварии стал недостаток конструкции, в которой ригели имели резкое изменение сечений от опоры к пролету[2]. В России на Свирской ГЭС-П основной плоский колесный затвор был вырван из пазов и упал в нижний бьеф. Причиной аварии явился разрыв пояса ригеля, вследствие концентрации напряжений и неполного провара стыкового шва. При этом произошло хрупкое разрушение металлоконструкции, из-за низкой пластичности стали марки Ст.З. Аналогичная авария случилась с плоским колесным затвором водосливной плотины Новосибирского гидроузла.
Напряжения в ригелях увеличились из-за резкого понижения температуры наружного воздуха и недостаточной ударной вязкости стали Ст.З. Таким образом, разрушение металлоконструкций наиболее часто происходило от следующих факторов: 1. Применение хладноломкой и недостаточно пластичной стали; 2. Концентрация напряжений в узлах с резкими изменениями сечений. Предложения по замене марок стали для затворов, работающих при температурах ниже - 40 , с применением специальной технологии сварки, термообработки, были высказаны в работах Г.А. Полонского [47], Е. И Залькиндсона [22]. В исследовании и внедрении современных способов сварки деталей, выполненных из листовой стали, внесли предложения инженеры С.А. Болынев, В.Н. Сиднее, и др. [22].
Сегодня в изготовлении металлоконструкций в основном используются низколегированные стали, имеющие высокие механические характеристики и пластические свойства по сравнению со сталью марки Ст. 3. (см. табл.1.3.1.)[61].
Для металлоконструкций затворов приварка несущих элементов обшивки и балочной клетки осуществляется с полным проваром и физическим контролем.
Однако применение сталей, обладающих стабильными механическими свойствами, не решает проблему концентрации напряжений в несущих элементах гидротехнических затворов. При этом в зонах концентрации интенсивнее происходит коррозия металла, активнее проявляются дефекты сварных соединений, существенно влияние кавитационных явлений, что снижает прочность и долговечность конструкции в целом.
Об актуальности исследования зон концентрации напряжений свидетельствуют данные ежегодных обследований для более 400 затворов при участии инженеров СПКТБ "Ленгидросталь" Н.И. Иванова, В.Н. Комиссарова , которые указывают на значительные повреждения металла в местах резкого перехода сечений несущих деталей пролетного строения. Важность этой задачи также отмечается в работах А.Р. Фрейшиста, И.В. Мартенсона, И.Д. Розиной [78], где приведены примеры разрушений металлоконструкций плоских затворов.
Особенно опасно явление концентрации напряжений в местах резкого изменения геометрии сечения ригеля. Под действием гидростатической нагрузки ригели испытывают изгиб. При этом опорные стойки приобретают угол поворота \j/, который определяется изгибной жесткостью пролетной части ригеля.
Рационализация конструктивных решений ригелей плоских затворов
Задача иллюстрируется на примере конструкции глубинного аварийно-ремонтного колесного затвора берегового водосброса Саяно-Шушенской ГЭС. Аварийно-ремонтный затвор устанавливается перед основным сегментным затвором на случай аварии или ремонта основного затвора [46]. Затвор состоит из 4-х геометрически подобных секций сварной конструкции. Отношение высоты ригеля в пролете к высоте ригеля в пазу hnp/hna3=2,7 [56]. Металлоконструкция секции включает в себя обшивку, расположенную с безнапорной стороны и балочную клетку. Балочная клетка состоит из трех ригелей, двух стрингеров, поперечных диафрагм и опорных стоек. В ригелях и диафрагмах организованы отверстия с обрамлениями для сквозного осмотра и уменьшения веса конструкции. Ввиду того, что гидростатическая нагрузка на секции распределяется неравномерно, нижняя секция является наиболее нагруженной.
Результаты расчетов напряжений и перемещений представлены на рис. 2.1.2, 2.1.3. Максимальное приведенное напряжение в ригелях находится в районе перелома верхнего ригеля и составляет 298МПа, что соответствует предельному значению [а]=295МПа для стали 09Г2С. Следует заметить, что погрешность напряжений при уменьшении размера элемента в 2 раза составляет 2-3%, поэтому в исследованиях используется модель со средним размером элемента. Деформированная модель нижней секции, мм заметить, что решение задачи в трехмерной постановке методом конечных элементов, в отличие от традиционных методов расчета, подтверждает наличие концентрации напряжений в зоне перелома высоты ригеля.Расчетный диапазон изменения отношения углов 0/0с принят 1,0-КЗД так как 0/0с =1 соответствует ригелю постоянного сечения 0=0С, а при 0/0c =3 имеем исходную однопараметрическую схему сопряжения сечений ригеля.
Расчетная схема нижней секции (безнапорная сторона) Граничные условия заданы на оси симметрии секции, в узлах опирання конструкции на порог и на закладные части. Максимальные напряжения в начальном варианте локализуются в небольшой области перелома ригеля. Поэтому в процессе эксплуатации требуется особое внимание к данному элементу конструкции (более частые профилактические осмотры, специальные методы диагностики, особенно на зарождение и распространение трещин). В связи с этим выполнено исследование математической модели конструкции с целью оптимизации формы и минимизации возникающих напряжений согласно зависимости, представленной на рис.2.1.10. В этом случае уменьшение высоты сечения ригеля в пролете, возможно, определить как АН = ALtg 0с, принимая отношение углов 0/0с, при этом уменьшение высоты ригеля, заданный угол наклона смежных сечений - 0 сохраняется (L2 - расстояние от угла перехода высоты ригеля до поперечной диафрагмы, величина постоянная) 5) применение указанных методов обнаружило снижение концентрации напряжений в исследуемой зоне ригеля, а также экономический эффект за счет уменьшения веса конструкции. 6) данное конструктивное решение может найти применение как во вновь проектируемых, так и в работающих коррозионно-изношенных затворах, при необходимости их реконструкции с наименьшими затратами [33], [34].
В настоящее время нередки случаи перепроектирования конструкции с сохранением исходных параметров и заменой марки стали на более прочную. Как правило, замена затвора диктуется истечением срока эксплуатации, вследствие значительного коррозионного износа металлоконструкции. В частности, эта проблема затрагивает сдвоенные плоские затворы, работающие на шлюзах России более 30лет. При этом следует отметить, что расчетные методики сдвоенных затворов не учитывали совместность работы секций и являлись несовершенными. Например, натурные наблюдения за работой сдвоенного колесного затвора Краснодарского водохранилища не однократно указывали на несовпадение прогибов ригелей со значениями, полученными в раздельном расчете секций, выполненном по ведомственным Нормам в 1969г. [25]. В связи с этим, методом конечных элементов выполнен сравнительный анализ напряженно-деформированного состояния в совместном и раздельном расчете секций сдвоенного колесного затвора Краснодарского водохранилища. Сдвоенный затвор представляет собой геометрически сложную конструкцию, состоящую из двух секций. Затвор предназначен для пропуска паводка из - под и поверх затвора. Маневрирование затвором осуществляется четырьмя гидроприводами. Нижняя секция имеет обшивку с напорной стороны и балочную клетку, состоящую из двух ригелей сплошной конструкции, шести стрингеров, системы поперечных диафрагм с отверстиями, дополнительных ребер жесткости и опорных стоек. Для пропуска воды через нижнюю кромку, обшивка секции имеет уклон.
Анализ напряженно-деформированного состояния сегментного затвора
В инженерной практике нередко возникает необходимость модернизации ранее разработанной конструкции. Исходные данные изменяются заказчиком или конструкция затвора устарела и требует доработки из-за перерыва в строительстве. Анализ работы многочисленных затворов показывает, что конструкции нередко запроектированы нерационально, имеют необоснованно большой вес, грузоподъемность обслуживающих механизмов и сложны в изготовлении. Проблема модернизации особенно важна потому, что в России сегодня имеется ряд недостроенных гидроузлов.
Задача модернизации иллюстрируется на примере основного сегментного затвора, входящего в состав вновь разрабатываемого механического оборудования водосброса Ирганайского гидроузла на р. Аварское Койсу в Дагестане. Перепроектирование конструкции затвора, технический проект которого был разработан в 1990году, было обусловлено рядом причин
После первоначально обозначенной эскизной схемы следовал этап построения пространственной модели сегментного затвора и выполнение комплекса предварительных статических расчетов конструкции методом конечных элементов.
Важнейшим этапом решения задачи является составление расчётной схемы затвора. Моделирование конструкции методом конечных элементов базируется на равенстве потенциальной энергии деформации исходной конструкции и дискретной расчетной модели.
При расчете объёмных тел используются зависимости для трёхмерного напряжённого состояния. Эти зависимости наиболее общие, так как лишены гипотез и предпосылок, характерных для некоторых частных задач. Так, теория изгиба пластин построена на основе гипотез Кирхгофа о пренебрежимо малой величине напряжений, перпендикулярных к срединной поверхности пластины, и прямых нормалях к той же поверхности. Таким образом, дискретная модель, состоящая из оболочечных элементов, приближённо отражает поведение исходной металлоконструкции затвора, выполненной из листовой стали.
Ось подъема задана стержневыми элементами круглого сечения. Ось опорного шарнира - объемными восьми узловыми элементами. Использование в расчетной модели сопряжения элементов оболочки с балочными, влечет за собой необходимость введения связующих элементов
повышенной жесткости. Во избежание таких решений стрингеры таврового сечения заменены элементами тонкой оболочки, толщиной, соответствующей проектной.
Учитывая симметрию конструкции и действующей нагрузки, конечно-элементная модель построена для половины затвора. В ходе предварительных статических расчетов уточнены конструктивные размеры деталей.
Задачей статического расчета являлось исследование напряженно -деформируемого состояния металлоконструкции сегментного затвора в сочетании различных сил и нагрузок, действующих на затвор.
Расчетные комбинации действующих сил рассматривались для следующих характерных положений затвора: 1) затвор находится в рабочем положении (опирается на порог); 2) маневрирование затвором в момент отрыва затвора от порога, 3) аварийная ситуация с анкерным болтом при отрыве затвора. Расчётные эксплуатационные нагрузки на затвор определены согласно действующим Нормам [67].
Конечно-элементная модель симметричной половины сегментного затвора при виде с напорной стороны при опираний затвора на порог (эксплуатационный режим) представлена на рис.3.1.10.
Обязательным условием надежной работы затвора по первой группе предельных состояний, в соответствии с [64], является определение устойчивости его элементов. При задании форм потери устойчивости методом одновременных итераций на подпространстве получены коэффициенты устойчивости Ку, представленные в таблице 3.2.1. Для анализа плавного увеличения положительных коэффициентов запаса в расчет введено 10 форм потери устойчивости.
Вторым этапом статического расчета является определение НДС в момент начала отрыва затвора от порога. В этом расчетном случае граничные условия конечно - элементной модели были изменены следующим образом: 1) узлы опирания металлоконструкции на порог освобождены при перемещении относительно оси Z; 2) узел подвески закреплен от перемещений относительно оси, совпадающей с линией натяжения каната при маневрировании затвором в момент отрыва затвора от порога; 3) имитирован начальный момент поворота оси с помощью задания зазора 2 мм между осью и металлоконструкцией с моделированием в зазоре балочных элементов нулевой плотности, имеющих незначительное поперечное сечение по сравнению с продольным. Для уменьшения величины подсоса в сегментных затворах используют ножевое уплотнение, имеющее незначительную ширину нижней кромки ножа. Трение в уплотнениях и подсос равномерно распределяются в узлах металлоконструкции, примыкающих к уплотнению.
Наибольшее усилие в болте на отрыв от бетона составляет 5.36х105Н=53.6тс. Исключив в конечно-элементной модели затвора (без учета симметрии) закрепление этого болта, определено напряженно - деформированное состояние в конструкции и распределение осевых усилий в остальных работающих болтах. Результаты расчета по 3-ей расчетной комбинации представлены на рис.3.3.21-3.3.25.
ТЗДЗсм - площадь поперечного сечения болта, диаметром 080мм. Результаты прочностного расчета по трем расчетным комбинациям (см. табл.3.3.1 и рис. 3.3.27) показывают, что в момент отрыва затвора от порога и в случае аварийной ситуации общий уровень напряжений сохраняется, локальные напряжения увеличиваются на 25%, что подтверждает прочность запроектированной конструкции.
В ходе поведенной модернизации проведена оценка напряженно-деформированного состояния в различных расчетных комбинациях с учетом запроектной ситуации, выполнены мероприятия по обеспечению устойчивости конструкции. В результате расчета впервые определены нагрузки "на подъем", осевые усилия в фундаментных болтах. Использованы новые конструктивные решения, направленные на совершенствование сегментных затворов.
Основным результатом перепроектирования сегментного затвора явилось комплексное обоснование прочности, жесткости и устойчивости с учетом всех значимых факторов, определяющих надежность работы конструкции
Концепция определения присоединенных масс воды
В расчетах конструкций на сейсмостойкость по ЛСТ возможен учет присоединенных масс, вычисленных только по одной из исследуемых форм собственных колебаний. Часто применяется схематизация колебаний конструкции (например, 1-ю форму колебаний определяют, как форму колебаний балки, оболочки и т.д.). При этом для сегментных затворов, имеющих сложную геометрическую форму нельзя ограничиться упрощенной схемой колебательного процесса. В работе реализован новый подход к определению присоединенных масс воды по форме собственных колебаний затвора, дающей наибольший вклад в сейсмическую нагрузку. Способ применим для напорной поверхности любого профиля. Искомая форма колебаний определяется по результатам предварительного сейсмического анализа затвора без присоединенных масс ("сухого затвора"), вычислением наибольших модальных масс. Отметим основные этапы этого метода на примере расчета сейсмостойкости сегментного затвора водосброса Ирганайской ГЭС: 1) Методом конечных элементов выполняется статический расчет затвора. 2) Способом одновременных итераций на подпространстве или Ланцоша определяются собственные частоты и формы колебаний "сухого затвора". 3) Выполняется расчет затвора на сейсмическое воздействие по ЛСТ без учета присоединенных масс воды. 4) Выявляется форма колебаний, которой соответствуют наибольшие модальные массы. 5) Методом конечных элементов решается задача стационарной теплопроводности для области, занимаемой бассейном перед затвором. 6) Вычисляются присоединенные массы воды и распределяются в узлах смоченной поверхности обшивки. 7) Способом одновременных итераций на подпространстве или Ланцоша определяются собственные частоты и формы колебаний затвора с присоединенными массами воды. 8) Выполняется расчет на сейсмическое воздействие по ЛСТ с учетом присоединенных масс воды. 9) Результаты сейсмического расчета суммируются с результатами статического расчета. Статический анализ при опираний затвора на порог выполнен в п.3.2.
Нахождение коэффициентов динамичности /?(/,) по данным частотного диапазона позволяет построить спектр ускорений, для рассчитываемой конструкции. Собственным частотам "сухого затвора" от 10,4 - 25гц, соответствуют ускорения 1,85 - 1,45 м/с .
Если в качестве исходных данных сейсмического возмущения задана акселерограмма сейсмических движений для грунта данной местности, то необходимо вычислить спектр отклика, адаптированный под спектр отклика на грунте. При таком подходе автоматически обеспечивается "совместимость" спектра и акселерограммы. Задача вычисления спектра по акселерограмме является однозначной, это обстоятельство часто используется для расчета линейно - упругих систем, частным видом которых являются сегментные затворы. Одно из преимуществ ЛСТ по сравнению с прямым динамическим анализом является то, что в результате расчета по ЛСТ вычисляется верхний предел напряженно -деформированного состояния линейно - упругой системы. Этот подход наиболее прост и приемлем для гидротехнических затворов, когда целью расчета является прочность, определяющая в конечном итоге надежность запроектированной конструкции.
Расчетная акселерограмма продолжительностью 20 секунд, с шагом по времени 0,01с изображена на рис.4.1.1. Линия 1 соответствует горизонтальной составляющей вдоль оси ОХ, линия 2 - горизонтальной составляющей вдоль оси OY, линия 3 - вертикальной составляющей ускорения основания вдоль оси OZ.
По исходной расчетной акселерограмме синтезированы спектры отклика основания для горизонтальной (вдоль потока), горизонтальной (поперек потока) и вертикальной составляющей ускорений. Кривые спектров ответа изображены на рис. 4.1.2. По горизонтальной оси заданы частоты в интервале от 0 Гц до 30 Гц, по вертикальной оси - соответствующие им ускорения в м/с .
В предварительном анализе на сейсмостойкость "сухого затвора" получены модальные отклики системы по первым 10-ти формам колебаний, представленные в таблице 4.2.1.
Для определения присоединенной массы воды по форме колебаний затвора, вносящей наибольший вклад в сейсмическую нагрузку, предлагается способ, основанный на методе оценки потерянной массы [9]. Выбираем частоту собственных колебаний конструкции, соответствующую форме колебаний, при которой сумма модальных масс принимает максимальное значение от общей массы системы участвующей в колебаниях.
Далее следует определить присоединенные массы воды по выбранной форме колебаний конструкции. Однако решение задачи гидроупругости напрямую не всегда оправдано. Во первых, схематизация системы затвор-водохранилище достаточно условна, так как невозможно задать адекватный контакт напорной поверхности с водой. Во вторых, размерность решаемой задачи возрастет в несколько раз, что значительно увеличит погрешность расчета. В инженерной практике для определения присоединенных масс воды часто решают задачу стационарной теплопроводности для бассейна перед конструкцией [73].
Изложим краткую постановку и методику решения задачи теплопроводности применительно для гидротехнических затворов, с учетом одной из исследуемых форм колебаний. Опираясь на имеющиеся материалы по влиянию жидкости на напряженно-деформированное состояние гидротехнических сооружений при сейсмических воздействиях, при формулировании задачи воду считаем идеальной и несжимаемой жидкостью, волнообразование на свободной поверхности не учитываем [30], [81], [83]. Тогда потенциал скорости движения жидкости p(x,y,z,t) удовлетворяет уравнению Лапласа: дг(р дг(р дг(р .
Как отмечалось выше, в расчетах конструкций на сейсмостойкость по линейно-спектральной теории возможен учет присоединенных масс только по одной из исследуемых форм в заданный момент времени to.
Следует заметить, что при пересчете температур в точечные массы, масса і - того элемента обшивки площадью dFj увеличится на тприс. Таким образом, в формуле (4.2.15) возможно учесть любую из полученных в модальном анализе форм колебаний конструкции.
Для решения задачи стационарной теплопроводности область воды, перед затвором, разбивается на объемные конечные элементы. Схему бассейна и конечно-элементную модель см. на рис. 4.2.4. и 4.2.5. Граничные условия для решения температурной задачи заданы согласно зависимостям 4.2.4 - 4.2.9: на свободной поверхности воды температура Т=0; на жестких стенках бассейна и в плоскости симметрии поток тепла q = -ЗТ/Эп = 0; на грани, совпадающей с затвором, поток тепла задается пропорционально исследуемой форме колебаний затвора q= Щ {% У- z). Если форма колебаний не учитывается, то q=l [73]. При построении расчетной схемы бассейна необходимо соблюдать условие совпадения осей глобальной системы координат основной и температурной задачи. Плоскость примыкания бассейна к обшивке затвора должна соответствовать геометрии основной задачи. массы в предварительном расчете на сейсмостойкость "сухого затвора".
Учет присоединенных масс воды приводит к понижению собственных частот затвора.
Расчет на сейсмические воздействия выполняется на основе расчетной схемы, описанной в Главе 3. Учитываются следующие массы: 1) собственная масса конструкции, определяемая по объемам элементов и заданной плотности стали рст = 7,85-10"6кг/мм3 и распределяемая по всем узлам расчетной схемы; 2) присоединенные массы воды, определенные в п. 4.2 Расчет на сейсмические воздействия складывается из двух этапов: 1) определение собственных частот и форм колебаний конструкции с присоединенной массой воды; 2) расчет по линейно-спектральной теории по заданному спектру ответа. На обоих этапах учитывается внутреннее трение; принят коэффициент демпфирования для стальных конструкций = 0,02 [8].
В работе исследованы результаты расчета сегментного затвора водосброса Ирганайской ГЭС на сочетание статической и сейсмической нагрузок для 4-х расчетных случаев: Первый расчетный случай - без учета присоединенных масс воды. Второй расчетный случай - с присоединенными массами воды, вычисленными по первой форме колебаний затвора. Третий расчетный случай - с присоединенными массами воды, вычисленными без учета форм колебаний затвора. Четвертый расчетный случай - с присоединенными массами воды, вычисленными по выбранной форме колебаний затвора, дающей наибольшие модальные массы в сейсмическом расчете "сухого затвора".
