автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Напряженно-деформированное состояние корпуса сферической формы из тяжелого армоцемента при внутреннем нагреве и высоком давлении

На правах рукописи

Юй Хуэй

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ КОРПУСА СФЕРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ ИЗ ТЯЖЕЛОГО АРМОЦЕМЕНТА ПРИ ВНУТРЕННЕМ НАГРЕВЕ И ВЫСОКОМ ДАВЛЕНИИ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

в май т

005058634

Санкт-Петербург 2013

005058634

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» на кафедре железобетонных и каменных конструкций

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Морозов Валерий Иванович

Официальные оппоненты: Шульман Георгий Сергеевич

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», заведующий кафедрой сопротивления материалов

Страхов Дмитрий Александрович

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет», профессор кафедры строительной механики и строительных конструкций

Ведущая организация: ОАО «Санкт-Петербургский

научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт «АТОМЭНЕРГОПРОЕКТ»

Защита диссертации состоится 16 мая 2013 г. в 16:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.223.03 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 190005, г. Санкт-Петербург, ул. 2-я Красноармейская, д. 4, зал заседаний (ауд. 219 главного корпуса).

Факс: (812)316-58-72

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан « » апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д-р техн. наук, профессор

Кондратьева Лидия Никитовна

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

В связи с быстрыми темпами социально-экономического развития Китайской Народной Республики, наметившимися в последние годы, наметилась и отрицательная тенденция отставания энерговооруженности страны. В силу определенной специфики в развитие КНР специалисты не видят альтернативы развитию атомной энергетике. В настоящее время в Китае действуют только 6 АЭС, и поэтому в государственном масштабе разрабатывается концепция развития атомной энергетики на ближайшие годы и на дальнейшую перспективу. Развитие атомной энергетики в Китае предполагается по пути использования реакторов корпусного типа, в том числе водо-водянных металлических реакторов серии ВВЭР, импортируемых из России. Между тем опыт Европейских стран, в частности, Англии и Франции, свидетельствуют о перспективности развития АЭС на базе газовых реакторов из предварительно-напряженного железобетона, когда сам корпус, как правило, цилиндрической формы, совмещает в себе и функции биологической защиты (ЯР). В этом случае корпус (КВД) воспринимает как внутреннее давление (порядка 5 МПа и более), так и воздействие температуры и радиации. Такие корпуса, обладая повышенной (по сравнению с металлическими) надежностью, характеризуются весьма сложной технологией изготовления, связанной с использованием арматурных пучков и домкратов мощностью свыше 1000 тонн. К сожалению, в КНР и в России они не производятся. Есть и другие обстоятельства, сдерживающие пока их широкое применение.

По мнению специалистов в области энергетики, строительных и специальных технологий, использование крупногабаритных емкостей, способных к восприятию больших внутренних давлений (порядка 5 МПа и более) и высоких температур - проблема самого ближайшего будущего. Такие сооружения представляют собой сверхмощные аккумуляторы тепла (AT) и автоклавы (АК).

В связи с вышесказанным проблемы исследования и создания КВД для ЯР и других целей из железобетона в настоящее время представляется весьма актуальными.

Степень разработанности темы исследования

В первой главе диссертации приводится анализ в области исследования КВД из железобетона для ядерных реакторов и аккумуляторов тепла.

Исследованиям в области применения железобетона в атомной энергетике посвящены работы многих российских ученых, в их числе В.Г.Артемьева, В.Г. Бо-гопольского, Д. А. Бродера, П.И. Васильева, К.З. Галустова, В.Н.Горячева, В. Б. Дубровского, Г.И. Жолдака, В.В. Жукова, Л.Н. Зайцева, М.М. Комачкова, А.П. Кон-драшова, В.В. Кореневского, В.М. Милонова, А.Ф. Миренкова, В.И. Морозова, В.А. Наумова, Ю.Б.Н иколаева, Б.К. Пергаменшика, К.В. Семенова, А.П. Соловьева, Б.С. Сычева, В.И. Теличенко, А.Б. Турусова, Г.Л. Хесина, A.B. Холь-цова, Г.Н. Шоршнева и многие другие. Известны и зарубежные исследования в этой области, которые получили широкую известность еще в начале 1960-х гг.: W. Alberecht, R.F. Bishop, J. Hannah, N.C. Hsu, B.J. Korlsson, P. Laynay, L.A. Ohlinger, F.O. Slate, A.J. Yang, J. Yasuo.

Разработкам конструктивных решений железобетонных ЯР и AT посвящены монографии Г. Бекмана и П. Гили, А.П. Кирилова, А.Н. Комаровского,

B.И. Морозова.

Исследования китайских ученых в этой области в современной литературе практически не представлены. Однако в последние годы появился интерес у китайских ученых к проблемам теории и расчета ЯР, AT, АК и других напорных емкостей, выполненных преимущественно в металле.

Важная роль в исследуемой проблеме отводится разработке аналитических и численных методов расчета. В последнее время с появлением мощных программ (COSMOS, ANSYS, Лира и др.) появилась возможность выполнять анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) с использованием огромного количества КЭ, причем как в линейной, так и нелинейной постановках. Вместе с тем успех таких численных экспериментов применительно к железобетонным конструкциям зависит не только от мощного аппарата расчета, но и от адекватного учета особенностей поведения ЖБК под нагрузками и воздействиями, которые должны быть интегрированы в программу расчета.

Проблемы поведения и расчета железобетонных конструкций, в том числе применительно к КВД, затрагивают вопросы совершенствования теории и расчета железобетона с учетом проявления его нелинейных свойств. В этом вопросе российские ученые занимают приоритетные позиции: В.В. Белов, В.М. Бондаренко, П.И. Васильев, К.З. Галустов, Н.И. Карпенко, С.Ф. Клованич, В.И. Кол-чунов, Вит.И. Колчунов, В.И. Морозов, П.Г. Павлов. И.Б. Соколов, Б.С. Соколов, Б.И. Тараторин, B.C. Федоров, Г.Н. Шоршнев, В.В. Шугаев и др.

В данной диссертации исследуется НДС оригинальной конструкции сферического ЯР, созданного на базе исследований цилиндрических КВД из тяжелого армоцемента (ТАЦ), разработанных на кафедре железобетонных и каменных конструкций СПбГАСУ совместно с другими организациями Г.Н. Шоршневым,

C.Н. Панариным, О.П. Стариковым, P.M. Румяцевым и их сотрудниками. Суть их разработки состоит в том, что КВД представляет собой толстостенную цилиндрическую оболочку из дисперсно армированного железобетона с высоким (до 20 % по объему и более) содержанием арматуры малых диаметров (3-5 мм), получившего название тяжелый армоцемент, с коническими сужениями по концам и торцовыми элементами конической формы типа пробок. Принципиальное отличие этого КВД от известных предварительно напряженных аналогов (например, ЯР G-2, ЯР в Бюже во Франции) заключается в использовании ненапряженного железобетона (ТАЦ), показавшего в экспериментах исключительно высокую трещиностойкость и повышенный предел упругой работы. Вместе с тем признается очевидным, что переход на КВД сферической формы способствует формированию более однородного НДС и снижению концентрации напряжений в отдельных узлах, например, в области сопряжения днищ и стенок. Попытка создания сферического преднапряженного КВД ЯР в Уилфе (Англия) удалась не в полной мере, поскольку не удалось избежать присутствия в облике оболочки цилиндрической формы и, как следствие этого, концентраций напряжений в отдельных элементах стенок.

В работах Г.Н. Шоршнева, С.Н. Панарина, В.И. Морозова и их сотрудников приводится описание сферического КВД из ТАЦ (патент РФ № 2038452/С1), характеризующегося плавностью очертания формы. Однако, отдельные участки конструкции вблизи торцовых элементов обнаруживают определенные сложности в устройстве горизонтального армирования и бетонирования.

Разработка и исследования конструкции КВД, лишенной этих недостатков, представляются весьма перспективными и своевременными.

Цель и задачи исследования

Цель исследования - совершенствование конструктивного решения и исследование НДС КВД сферической формы из ТАЦ с учетом специфики поведения материалов и конструктивных элементов в условиях температурных и силовых воздействий.

Объект исследования — корпус высокого давления сферической формы из тяжелого армоцемента при внутреннем нагреве и высоком давлении.

Предмет исследования - напряженно-деформированное состояние корпуса высокого давления сферической формы.

Задачи исследования:

1) на базе известного и исследованного ранее КВД из ТАЦ цилиндрической формы разработать конструкцию КВД со сферическим очертанием несущих элементов стен из ТАЦ;

2) получение приближенного аналитического решения НДС сферической оболочки, в том числе многослойной, при внутреннем нагреве и радиационном воздействии из ТАЦ, как изотропного однородного, изотропного неоднородного и трансверсально-изотропного неоднородного материалов;

3) на основе экспериментальных данных о поведении ТАЦ, полученных Г.Н.Шоршневым и его сотрудниками, построить физические зависимости для ТАЦ, адаптированные к проведению численных экспериментов на оболочках и КВД по программе «ANSYS»;

4) проведение численных экспериментов и отработка методики расчета по программе «ANSYS» по оценке НДС цилиндрических и сферических оболочек из ТАЦ с учетом специфики его поведения при силовых и тепловых воздействиях и сопоставление результатов с данными экспериментов и аналитических методик;

5) на основании разработанной методики, учитывающий специфику поведения ТАЦ под нагрузками и воздействиями, расчет КВД, анализ и сопоставление НДС цилиндрического и сферического КВД и корректировка конструктивного решения.

Научная новизна исследования:

1) разработано конструктивное решение корпуса высокого давления сферической формы из тяжелого армоцемента для ядерного реактора;

2) получено аналитическое решение задачи и разработана методика расчета полярно-симметричного термонапряженного состояния толстостенных, в том числе многослойных, сферических оболочек с несущим слоем из ТАЦ в представлении его в областях сжатия в общем случае как приведенного неоднород-

ного материала, обладающего трансверсально-изотропными свойствами, без учета бетона в растянутых зонах;

3) на основании нелинейной диаграммы деформирования ТАЦ, построенной в диссертации на опытных данных других авторов, и МКЭ, реализуемого в программе «ЛЛ/ЕКУ», создана и получила апробацию нелинейная методика численного расчета оболочек из ТАЦ на силовые и тепловые воздействия;

4) установлено качественное и количественное влияние анизотропии и нелинейности поведения ТАЦ при внутреннем давлении и тепловых воздействиях на формирование НДС КВД цилиндрической и сферической формы.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Заключается в том, что разработанные автором на основании аналитических и численных методов алгоритмы и методики расчета, учитывающие специфику поведения материалов и конструкций, уже на данном этапе исследования КВД позволяют проводить анализ НДС и создавать предпосылки для совершенствования конструктивных решений, как отдельных узлов, так и сооружений в целом.

Реализация работы

Результаты диссертационных исследований приняты к использованию в ЗАО «ЭРКОН» при проведении численных экспериментов по оценке напряженно-деформированного состояния железобетонных резервуаров и напорных труб в процессе их обследования и усиления. Отдельные разделы диссертации, затрагивающие методы аналитического и численного расчетов, внедрены в учебный процесс для студентов специальности «Промышленное и гражданской строительство» при чтении специального курса по железобетонным конструкциям.

Личный вклад соискателя в данное научное направление состоит в развитии теоретических положений в области аналитических методов расчета толстостенных оболочек из тяжелого армоцемента на температурные воздействия с учетом неоднородности поведения материалов, разработке методики численного расчета оболочек и корпусов при внутреннем нагреве и высоком давлении на основе программных комплексов «МАРЬЕ», «МАТЬАВ» и «АЫБУБ», в том числе в нелинейной и анизотропной постановках, получении и анализе результатов численных экспериментов, а также в разработке оригинальной конструкции сферического корпуса.

Методология и методы исследования включает построение математических моделей рассматриваемых конструкций, их аналитический и численный анализ, сопоставление полученных результатов и сравнение с результатами, в том числе экспериментальными, других авторов.

Область исследования соответствует требованиям паспорта научной специальности ВАК: 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения и относится к области исследования, предусмотренного пунктом 1 «Обоснование, исследование и разработка типов несущих и ограждающих конструкций зданий и сооружений».

Степень достоверности и апробация результатов

Достоверность результатов исследований обеспечивается использованием строгого математического аппарата, общепринятых гипотез и допущений теории упругости и современной теории железобетона, удовлетворительным согласием результатов аналитического и численного методов расчета с применением программы «MATLAB» и мощного пакета «ANSYS» друг с другом и с имеющимися опытными результатами исследуемых конструкций других авторов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены:

- на 64-й Международной научно-технической конференции молодых ученых, посвященных 300-летию М.В.Ломоносова «Актуальные проблемы современного строительства» (Санкт-Петербург, 2011 г.);

-66 -й Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых ученых и докторантов «Актуальные проблемы строительства и архитектуры» (Санкт-Петербург, 2012 г.);

-Международном конгрессе «Наука и инновации в современном строительстве - 2012», посвященном 180-летию СПбГАСУ (Санкт-Петербург, 2012 г.);

- научно-практическом семинаре «Международное научно-техническое сотрудничество-2012» (Италия, г. Палермо, 2012 г.).

Основные положения диссертации опубликованы в пяти печатных работах, в том числе в трех по списку ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, общих выводов, списка литературы из 116 наименований и приложений. Общий объем составляет 180 страниц машинописного текста, в том числе 75 рисунков, 20 таблиц.

Во введении сформулирована проблема и обоснована актуальность проводимых исследований, сформулированы цель и задачи, научная и практическая значимости.

В первой главе показано современное состояние в области исследований железобетонных корпусов высокого давления и температуры для энергетики и специального назначения. Глава завершается представлением разрабатываемой в диссертации оригинальной конструкции сферического КВД из ТАЦ.

Во второй главе разрабатывается методика расчета толстостенных сферических оболочек из ТАЦ на тепловые воздействия на основе аналитических методов.

В третьей главе описаны численные исследования толстостенных оболочек из ТАЦ на основе МКЭ по программе «ANSYS».

Четвертая глава посвящена исследованиям НДС КВД из ТАЦ численными методами, в том числе с учетом нелинейности и анизотропии.

В заключении приводится основные результаты диссертации и намечаются пути дальнейших исследований.

II. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Разработано конструктивное решение корпуса высокого давления сферической формы из тяжелого армоцемента для ядерного реактора.

В завершении первой главы предложена научная гипотеза о перспективности создания КВД сферической формы из ТАЦ, обладающего исключительно высокими показателями трещиностойкости и предела упругой работы, испытывающего при нагрузках и воздействиях более однородного НДС по сравнению с цилиндрическими аналогами и поэтому обладающего повышенной надежностью и безопасностью.

На рис. 1 показано принципиальное конструктивное решение сферического КВД (заявка на патент № 2012153078, дата приоритета от 07.12.12), разработанного с участием автора. Корпус состоит из силового слоя из ТАЦ, теплоизоляции, металлической герметизирующей облицовки с компенсатором и торцовых элементов (днищ) типа пробок. Здесь, по мнению авторов, реализованы основные преимущества цилиндрического КВД из ТАЦ по сравнению с ПНЖБ и металлическими в силу более простой технологии возведения и повышенной надежности, соответственно. Кроме того, устранены и некоторые недостатки цилиндрического аналога, в частности, снижены вероятности формирования концентрации напряжений в области сопряжения стенок с днищами.

В диссертации приводится описание технологии армирования. Для снятия концентраций напряжений в угловых зонах облицовки, по подобию цилиндрического КВД, в сферическом также предусмотрен компенсатор (рис. 1).

Узел - А

Рис. 1. Конструктивное решение толстостенной сферической оболочки из ТАЦ: 1 — вертикальные рабочие стержни; 2 - кольцевая горизонтальная рабочая арматура; 3 — днища корпуса; 4 - облицовка; 5 — теплоизоляция; 6 — компенсатор облицовки

2. Получено аналитическое решение задачи и разработана методика расчета полярно-симметричного термонапряженного состояния толстостенных, в том числе многослойных, сферических оболочек с несущим слоем из ТАЦ в представлении его в областях сжатия в общем случае как приведенного неоднородного материала, обладающего трансверсально-изотропными свойствами, без учета бетона в растянутых зонах.

КВД ЯР - сложная многокомпонентная система: герметизирующая облицовка, система анкеров, теплоизоляция, силовой слой, проходки и прочее. Торцовые участки выполнены из железобетонных элементов типа пробок. Они могут иметь проходки для различных коммуникаций. Исследования всех этих систем в комплексе в настоящее время даже с использованием таких пакетов как «.ANSYS» затруднено. Поэтому считается важным на первых этапах исследовать такие сложные системы по частям (диакоптика).

В данной диссертации по аналогии с работами в этой области других авторов (Г.И. Жолдака и А.И. Соловьева, А.И. Медовиков, В.М. Мштонова и В.Н. Го-рячево, В.И. Морозова, A.B. Хольцова и других) в рамках аналитического расчета рассматривается поведение модели в виде толстостенной сферической оболочки при полярно-симметричном нагреве.

Суть теоретической модели состоит в следующем. Рассматривается внутренний нагрев в виде полярно-симметричного температурного воздействия в толстостенной сферической оболочке. При таком воздействии очевидно, что внутренний слой испытывает сжатие в окружном (тангенциальном) направлении, а наружный - растяжение, что обуславливает, в общем случае, появление трещин и выключение работы бетона на растяжение.

В работах В.И. Морозова показано, что в связи с очень высоким армированием в ТАЦ (до 20 % и более по объему) и, таким образом, высоким уровнем упругости материала и конструкции в целом, можно воспользоваться предпосылкой о возможности распространения решения в рамках теории упругости на сжатую зону. Растянутая зона, где учитывается только работа арматуры, рассматривается отдельно также с использованием аппарата теории упругости. Для получения замкнутого решения обе зоны «стыкуются» посредством выравнивания радиальных перемещений и напряжений на их контакте.

В силу специфики армирования толстостенной оболочки она может рассматриваться из приведенного материала, обладающего трансверсально-изотропными свойствами. Действительно, обладая армированием одинаковым во всех направлениях модуль упругости материала в окружном (тангенциальным) направлениям везде одинаков, но может отличаться от модуля в радиальном направлении, то есть имеем два направления упругой симметрии, характеризующий материал как транстропный. Исследования анизотропных материалов, выполненные советскими и российскими учеными, представляются весьма значительными. В контексте решаемой задачи, можно отметить работы С.Г. Лехницкого, E.H. Серова, Е.К. Ашкинази, Е.В. Ганова и других. Рассмотрим сначала оболочку из ТАЦ без облицовки и теплоизоляции (рис. 2).

Интегрирование уравнения равновесия дает

2 .

Решение системы полученных уравнений предполагает выполнение граничных условий:

= ® (давление внутри сферы отсутствует); (6)

°еио = 0 (7)

Величина текущего радиуса /; стоящая в знаменателе в (3), будет значительно больше, чем длины промежутка интегрирования {г-а). Очевидно, что для всех

точек по сечению оболочки величины / [

г2

Г-Ее

-(1 -и0г +2 иге)~

г ■ Ег

с (1 + г>г0 )\с!г И и ,.0 более чем на порядок меньше, чем (1 - и0г

и аТ, поэтому есть смысл воспользоваться для решения уравнений методом последовательного приближения. Решения для тангенциальных и радиальных напряжения будем искать по методу Пикара в рядах

ае =°оо +сте1 +а02 +

а,. = а

гО +аг\ +аг2 +--- + °гк

где

С0О

1-1)

"(С] — а-Т);

'Ог

ОЛг -1-1

1-й

6г г-

г- Еа

(1 + и„г+2" „)-

г ■ Ег

О + ийг)

с/г + -

(8) (9)

(10)

-а,; (11)

агк Гстел -г-йг.

(12)

Анализируя полученные выражения (10)-(12), приходим к выводу, что каждый последующей член ряда меньше предыдущего по абсолютной величине, а кроме того, имеет противоположный знак. Следовательно, ряды (8) и (9) является знакочередующимися с убывающими по абсолютной величина членами. Согласно признаку Лейбница также ряды сходятся. Как показали численные эксперименты для получения весьма точного результата достаточно порой не более трех членов ряда, а в отдельных случаях достаточно и вовсе одного.

Постоянная интегрирования С, определиться из условия (7), а С = 0 - из условия (6).

Таким образом, получено решения задачи для сжатой зоны в функции неизвестного пока г0. Для нахождения не достающих неизвестных рассматривается равновесие растянутой зоны.

Растянутая зона (г0 < г < Ъ)

Уравнения равновесия растянутой зоны можно записать в виде

2 "

°г I г=гп = 7.°.« ■ Д«' '1 Ъ 1

где п - количество растянутых по толщине слоев арматуры.

В диссертации получено выражение для радиального перемещения /'-го слоя арматуры с учетом зависимости коэффициента температурного расширения ТАЦ от температуры в виде

гаг

и, =г0(а* + каТй )Т0+аа (14)

п

Относительные деформации растянутых слоев арматуры:

И;

Напряжения в 7-м слое кольцевой арматуры

или

Ea(^L(a*+каТ())Т() + \Tdr-aJi).

г ■ г • J

'si 'si _

'О

Теперь равновесие растянутой зоны записывается в виде

о г \г=гп = -2

П)

■Z

I

-HL(a*+kaT0)T0Esi jT•ei'— asT(rsi)

rsi rsi ro

(15)

(16) (17)

■ OB)

Искомые параметры НДС сжатой области транстропной неоднородной сферической оболочки и растянутых витков арматуры, таким образом, определены полностью.

2.2. Расчет НДС многослойной сферической обточки с учетом анизотропии и зависимости свойств материалов от температуры

В диссертации приводятся аналитические решения задачи от температурных напряжениях многослойной оболочки в условиях полярно-симметричного нагрева. Учет многослойности, моделирующей работу внутренней облицовки, теплоизоляции и силового слоя из ТАЦ, позволяет с определенной точностью оценить характер НДС каждого слоя, которые так или иначе будут испытывать температурные усилия.

На рис. 2, 3 показаны расчетные схемы многослойной оболочки и отдельных элементов. Решения строятся по слоям: облицовка (я < г < г,) моделируется изотропным неоднородным материалом; решение задачи о НДС теплоизоляции (rt<r< г2) и сжатой области ТАЦ (r2< г < г^ - строятся в предположении транс-тропного материала. Такая постановка выполняется впервые. Известные решения строились для изотропных слоев. Растянутая зона решается также аналогично однослойной оболочке, то есть без учета работы бетона на растяжение.

Решение многослойной оболочки «замыкается» посредством выравнивания радиальных напряжений и перемещений стыкуемых слоев на их контакте:

°У1г=в=0, а(,\=н=Л; оЛ = ри ат\ =Р2,

(3)1

= «,а<3>|

V \г=г2-П^в'\ =0.

\г=г0

,,(1) I _ „(2) , . (2) | _ (3) | . (3) , И 1,-=п-г' | г=п> И | г=Г2~и 1г=г2> " 1г=г0=".

ІГ=Гд

Е+ПМТ)

Рис. 3. Расчетная схема сферической оболочки и ее элементов: 1 - облицовка: 2 - теплоизоляция; 3 - силовой слой из ТАЦ

2.3. К расчету толстостенной сферической оболочки из трансверсально-изотропного материала на радиационные воздействия

В диссертации приводится решение задачи о НДС сферической оболочки из трансверсально-изотропного материала на радиационные воздействия. Фактором, вызывающим напряжения, является облучение нейтронами оболочки изнутри. Учитывается переменность модулей деформации материалов в зависимости от флюенса нейтронов. Воздействие последних аналогично воздействию теплового потока: формируются области сжатия и растяжения в окружном направлении, а характеристики материалов, в частности модули деформации, суть функции от радиуса.

Решения строятся по аналогии с температурной задачей. Так, равновесие растянутой зоны получено в виде

\г-

т "

А*І > + 4 ^ +Е"І + 4 )с/г - Е* (а) +

■(19)

где єф5 - свободная деформация арматуры, вызванная радиацией.

Решения получены также в рядах, сходимость которых доказываются по признаку Лейбница.

Численная реализация задачи с учетом комплексного воздействия температуры и радиации может быть выполнена с помощью того же алгоритма, что и в случае с расчетом только на температуру с незначительным поправками, оговоренными в диссертации.

2.4. Аналитическая методика расчета оболочек при тепловых воздействиях с использованием программы «MATLAB»

Наряду с указанным выше способом получения численных результатов, который может быть отнесен к классическим приемам решения подобных задач, актуальным представляется способ получения численного результата с использованием известных компьютерных программных средств типа «MATLAB».

В диссертации приводятся решения сферических и цилиндрических оболочек. Решения для последних представляло собой тестовую проверку, поскольку имелись опытные данные.

В качестве исходных данных, вводимых в программный комплекс «MATLAB», явились уравнения равновесия и совместности деформаций, однако уравнение совместности деформаций записано не в традиционном классическом виде, а в преобразованном с помощью программы «MAPLE». Для решения систем дифференциальных уравнений в программе «MATLAB» использован метод "Rungge-Kuttd\ Некоторые результаты расчетов с помощью программы «MATLAB» представлены на рис. 5. Заметим сразу, что результаты по этой методике удовлетворительно согласуются с результатами по программе «ANSYS» и аналитическими решениями в рядах. Решение задачи для цилиндрической оболочки, полученной с помощью программы «MATLAB», удовлетворительно согласуются с опытными данными, полученными В.И. Морозовым при испытании цилиндрической оболочки. В отдельных случаях решения с помощью «MATLAB» дает более точный результат, чем решения в рядах и оказываются более удобным алгоритмически.

Аналитические методы расчета, полученные выше, построены на достаточно строгих предпосылках и допущениях и характеризуются, в связи с этим, известной строгостью и корректностью построения методик. Вместе с тем использование их для численных расчетов сложных по форме сооружений, в том числе КВД, а порой и просто отличных от идеальных форм (сфера, цилиндр) затруднено либо просто не возможно.

3. На основании нелинейной диаграммы деформирования ТАЦ, построенной в диссертации на опытных данных других авторов, и МКЭ, реализуемого в программе «ANSYS», создана и получила апробацию нелинейная методика численного расчета оболочек из ТАЦ на силовые и тепловые воздействия.

Приводятся результаты расчетов толстостенных сферических и цилиндрических оболочек, идеальных по форме, аналитическими и численными методами для анализа возможности использования, в частности, программы «ANSYS», для получения адекватных численных результатов и последующего использования ее при расчете более сложных конструкций типа КВД ЯР. Задача строится в линейной и нелинейной постановках.

3.1. Линейные расчеты выполнялись в несколько этапов В этом случае учитывается возможность трещинообразования в растянутой зоне и выход бетона из работы на растяжение. Численная реализация осуществляется по программе «ANSYS» с использованием конечного элемента типа

«PLANE 77». Последний может быть использован как для решения осесимме-тричных задач, так и для задач в полярно-симметричной постановке.

• На первом этапе получены численные значения для полярно-симметричного нагрева толстостенной сферической оболочки из ТАЦ как изотропного однородного материала без трещин и с трещинами.

Можно отметить три обстоятельства:

1) численные значения, полученные с помощью «ANSYS» и «MATLAB», практически совпадают друг с другом и с данными классического расчета Дюгамеля-Неймана в задаче для оболочки без трещин; 2) снижение жесткости, вызванное выключением из работы бетона на растяжение обусловило и существенное снижение (до 30 % и более) радиальных и окружных (тангенциальных) напряжений; 3) сравнение количественных результатов, полученных для случая с трещинами по программам «ANSYS» и «MATLAB», обнаруживает практически полное совпадение результатов.

• На втором этапе выполнен анализ влияния учета неоднородности материалов в расчетах, полученных по программам «ANSYS» и «MATLAB», для случая неоднородной толстостенной сферической оболочки без трещин

Замечено, что учет неоднородности сказываются весьма существенно. Расхождение результатов достигают 20 % и более, особенно в области высоких температур. При этом результаты по программе «MATLAB» и по программе «ANSYS», практически совпадают.

• Третий этап численных экспериментов был посвящен сопоставлению данных для неоднородной изотропной сферы, полученных с помощью решения в рядах, по программе «MATLAB» и по программе «ANSYS». Численные значения напряжений сжатого слоя и растянутой арматуры в неоднородной оболочке с трещинами, полученными тремя указанными способами обнаружили вполне удовлетворительное согласие.

• Четвертый этап расчетов был посвящен анализу влияния анизотропии на НДС оболочки без трещин и с трещинами. Учет трансверсальной изотропности уточняет решения задачи по сравнению с изотропным материалом на величину порядка 5-10 %. Очевидно, что в случае большей разницы в значениях модулей упругости по разным направлениям влияние анизотропии на точность результатов будет усиливаться. Влияние трещин, как и в случае с изотропной оболочкой, весьма существенно. Расхождения достигают 30 % и более, что свидетельствует об исключительной важности учета в расчете выключения из работы бетона растянутой зоны.

• На завершающем этапе численных экспериментов в линейной постановке проведено сопоставление результатов расчета цилиндрической оболочки из ТАЦ.

Известно, что в классической постановке (задача Дюгамеля-Неймана) значения радиальных напряжений отличаются вдвое (в сферической оболочке они больше), а тангенциальные напряжения совпадают абсолютно. Учет трещин вносит некоторые коррективы в характер НДС и обнаруживает расхождения в численных значениях окружных напряжений до 14 %.

3.2. Нелинейные расчеты выполнялись в несколько этапов

Бетон в растянутой зоне в выше приведенных задачах изначально не учитывался в работе. Такой подход достаточно условен для стадий незаконченного трещинообразования. В данном разделе сделана попытка получения численных результатов толстостенных оболочек, когда модули деформации зависят не только от температуры, но и от напряжений. Для расчетов в такой постановке требуются, как известно, знание физических законов деформирования материалов, то есть в нашем случае зависимость о-г (рис. 4).

Значение начального модуля деформации для окружного направления может быть получено по формуле «смесей»:

Е=Е;ц + (\-\1)-Ев (20)

На рис. 4 даны предложения автора по геометрической интерпретации изменения жесткости ТАЦ с ростом растягивающих усилий, как без учета температуры, так и Ео с учетом. Данные зависимости построены по опытным значениям Г.Н. Шоршнева и Ев В.И. Жукова, полученным при испытании плоских образцов из ТАЦ на растяжение. ^ Влияние температуры учтено по рекомен- £д(Л дациям B.C. Федорова и нормативных документов.

Отмечая в целом слабую нелинейность, видим, что на отрезке графика от 0 до о0 (е0) материал работает идеально упруго. Далее, с ростом нагрузки, зависимость ае-ев искривляется до значения напряжений о*-(е*), когда бетон полностью выключается из работы. Последующее деформирование идет по прямой под углом, соответствующим значению модуля ТАЦ без учета бетона.

В основе расчета заложен принцип шагового нагружения по нагрузке, когда она прикладываются ступенями в сочетании с использованием процедуры Ньютона-Рафсона. Физическая нелинейность задается зависимостью а-г, построенной по данным, приведенным выше. При этом кривая заменяется на некоторые количество отрезков, и в итоге она представляет собой ломаную ступенчатую линию, вписанную в кривую физической зависимости.

_----бо

б" А) б

Рис. 4. Физические соотношения,

принятые в расчетах: А) - зависимость а-Е; Б) - зависимость о-е: В) Зависимость с-е (Т)

• На первом этапе был выполнен нелинейный расчет толстостенной цилиндрической оболочки с внутренним диаметром 460 мм, наружным 720 мм, высотой 300 мм. Армирование в кольцевом направлении осуществлялось восемнадцатью сетками из арматуры диаметром 3 мм класса Вр-1 и составило 11,3 %. Конструкция таких параметров была испытана Г.Н. Шоршневым на внутреннее давление. Получилось хорошее согласие результатов расчета по программе «АМБУБ» с опытными данными, то есть учет нелинейного поведения ТАЦ при растяжении, когда учитывается плавный выход из работы бетона на растяжение, дает более точный результат, чем с применением классического подхода, в том числе и когда бетон не учитывается в работе.

• На втором этапе выполнены нелинейные расчеты цилиндрических оболочек на воздействие осесимметричного температурного поля. Здесь вводится зависимость гт-к с учетом влияния температуры на модуль деформации.

Расчет выполнялся по программе «ЛЛ'ЛТЛ'» с использованием процедур линеаризации решения. Однако, в отличие от расчета на давление, здесь температурная нагрузка приложена сразу, и процесс итерации выполняется только на одной ступени.

На рис. 5 приводятся результаты расчетов, в том числе аналитическим методом в рядах, и опытные данные при нагреве до 300 °С, полученные В.И. Морозовым. Можно отметить, что учет нелинейности дает результат, отличный от линейного расчета, однако эти расхождения в большей степени относятся к сжатой зоне и крайнему растянутому слою арматуры.

Рис. 5. Тангенциальные напряжения цилиндрической оболочки при нагреве

до 300 "С

• На третьем этапе были выполнены температурные расчеты по программе «ЛЛЗте» сферической оболочки с теми же параметрами, что и цилиндрической (см. выше) в линейной и нелинейной постановках как однослойной конструкции. Можно обнаружить значительно меньшие расхождения, чем это имело место в случае с цилиндром. Можно предположить, что такая ситуация обусловлена

более сложным НДС, формирующимся в цилиндрической оболочке, когда она работает по трем направлениям симметрии, по сравнению со сферой, где такие направления - три. Логичным выглядит и тот факт, что краевые напряжения, которые характеризуются большими значениями, отличаются весьма существенно.

В целом можно отметить, что полученные в диссертации численные расчеты по программе дают достаточно точные представления о НДС цилиндрических и сферических оболочек из ТАЦ, как при давлении, так и при температуре. В связи с этим уже на данном этапе исследований можно предположить реальную возможность получения адекватных результатов при расчете конструкций более сложной формы, в том числе, как цилиндрических, так и сферических КВД ЯР, как для стадии законченного трещинообразования, так и на промежуточных этапах.

4. Установлено качественное и количественное влияние анизотропии и нелинейности поведения тяжелого армоцемента при внутреннем давлении и тепловых воздействиях на формирование НДС КВД цилиндрической и сферической формы.

Исследуется НДС конструкций корпусов высокого давления и температуры из ТАЦ, в том числе оригинальной формы, применительно к корпусам ЯР.

На рис. 6 показаны расчетные схемы равновеликих по внутреннему объему цилиндрического (а) и сферического (б) КВД. В основе заложено конструкция крупномасштабной физической модели ЯР, испытанной В.И. Морозовым и его сотрудниками. Задача решается в линейной и нелинейной постановках.

Рис. 6. Расчетная схема КВД: а - цилиндрический КВД: б - сферический КВД: 1 - торцевой элемент; 2 - стенка из ТАЦ; 3 - слой, моделирующий шпонки; Р- давление; Г-температура; /--радиальное направление; б-тангенциальное направление: 2- вертикальное направление

Рис. 8. Значения радиальных напряжений (аг. МПа) в нелинейном расчете сферического КВД на действие давления 21.5 МПа: а: —> (27) - без учета шпонок (жесткое сопряжение); —, 4.6 - со слоем шпонок: б: - (380) - облицовка без компенсатора;—, [-24] - облицовка с компенсатором; где 1 - слой из ортотропного материала, моделирующий работу шпонок; 2 - компенсатор облицовки: 3 - днища корпуса; 4 - облицовка; 5 - теплоизоляция: 6 - силовой слой корпуса из ТАЦ

Рис. 9. Значения тангенциальных деформаций (е0.Ю5 , от. ед.) в нелинейных

расчетах цилиндрического и сферического КВД: а - на действие давлен ия 21,5 МПа; б - на совместное действие давления 10 МПа и температуры 100 °С; —, (105) - цилиндрический КВД ЯР; —,44 - сферический КВД ЯР

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе анализа известных конструктивных решений толстостенных КВД, в том числе из ТАЦ, предложен вариант КВД сферической формы, характеризующийся достаточно простой технологией возведения.

2. Разработаны аналитические методики расчета толстостенной однослойной из ТАЦ и многослойной сферических оболочек при внутреннем нагреве и радиационном воздействии в представлении материалов как изотропного однородного, изотропного неоднородного и транстропного неоднородного.

3. На основе модели нелинейного деформирования ТАЦ разработана методика и проведены численные исследования НДС цилиндрических и сферических оболочек с помощью программы «А^УБ» и получены результаты, удовлетворительно согласующиеся с данными аналитических методов и экспериментами.

4. Отработана методика численного расчета и выполнен численный эксперимент по оценке НДС оригинальной конструкции сферического КВД с учетом специфики поведения материалов и конструктивных элементов под нагрузками и воздействиями.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Юй, Хуэй. О расчете защитной сферической оболочки реактора при радиационном воздействии / В.И. Морозов, М.П. Калашников, Юй Хуэй // Вестник гражданских инженеров. - 2012. -№ 2(31). - С. 75-79.

2. Юй, Хуэй. Напряженно-деформированное состояние толстостенных цилиндрических и сферических сосудов для ядерных реакторов при действии внутреннего давления и температуры / Юй Хуэй // Вестник гражданских инженеров. - 2012. - № 6(35). -С. 23-27.

3. Юй, Хуэй. Исследование напряженно-деформированного состояний толстостенного корпуса ядерного реактора из тяжелого армоцемента с использованием численных методов / У. X. Магдеев, В. И. Морозов, Ю. В. Пухаренко, Юй Хуэй // Вестник ВолгГАСУ, серия стр-во, арх-ра. - 2013. - № 31(50), часть 2. - С. 132-135.

В других изданиях:

4. Юй, Хуэй. Термонапряженное состояние тонкостенных сферических оболочек из ТАЦ / Юй Хуэй // Актуальные проблемы современного строительства: материалы 66-й Междунар. науч.-техн. конф. молодых ученых. Ч.П-СПб: СПбГАСУ, 2012. - С. 63-67.

5. Юй, Хуэй. Аналитическое решение задачи о термонапряженном состоянии многослойной сферической оболочки с несущим слоем из тяжелого армоцемента в условиях полярно-симметричного температурного поля / У.Х. Магдеев, В.И. Морозов, Ю.В. Пухаренко, М.П. Калашников, Юй Хуэй // Фундаментальные исследования РААСН по научному обеспечению развития архитектуры, градостроительства и строительной отрасли Российской Федерации в 2011 году.-2012.-Том 2.-С. 116-122.

Компьютерная верстка А. А. Стешко

Подписано к печати 10.04.13. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,4. Тираж 120 экз. Заказ 29. Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет.

190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4. Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 5.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Санкт-нетербургский государственный архитектурно-строительный

университет»

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ КОРПУСА СФЕРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ ИЗ ТЯЖЕЛОГО АРМОЦЕМЕНТА ПРИ ВНУТРЕННЕМ НАГРЕВЕ И ВЫСОКОМ ДАВЛЕНИИ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции,

здания и сооружения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата

технических наук

На правах рукописи

04201357551

Юй Хуэй

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор В.И. Морозов

Санкт-Петербург - 2013

Аббревиатуры и сокращения КВД - корпус высокого давления; ТАЦ - тяжёлый армоцемент; ЯР - ядерный реактор; АТ - аккумулятор тепла; АК - автоклав;

ПНЖБ - предварительно напряженный железобетон; НДС - напряженно-деформированное состояние; МКЭ - метод конечных элементов.

Содержание

Введение..............................................................................................................7

Глава 1. Современное состояние в области исследований железобетонных корпусов высокого давления и температуры для энергетики и специального назначения.....................................................................................................15

1.1. Перспективы применения железобетонных корпусов высокого давления и температуры..........................................................................................................15

1.2. Основные характеристики дисперсно-армированного железобетона с высоким содержанием арматуры (тяжелый армоцемент) ............................................19

1.3. Некоторые результаты исследований КВД из ТАЦ цилиндрической

формы.......................................................................................................................22

1.4. КВД из ТАЦ сферической формы........................................................................31

1.5. Модернизация конструктивного решения корпуса высокого давления и температуры сферической формы из тяжелого армоцемента для ядерного реактора .........................................................................................................................33

1.6. Методика расчета корпусов на силовые и температурные воздействия..........38

1.6.1. Расчет цилиндрических и сферических толстостенных оболочек на тепловые воздействия аналитическими методами........................................39

1.6.2. Численные методы расчета корпусов с учетом конструктивной и физической нелинейности..................................................................................42

1.7. Основные направления дальнейших исследований в рамках настоящей диссертации.................................................................................................................43

Выводы по главе 1 ........................................................................................................47

Глава 2. Разработка методики расчета толстостенных сферических оболочек из тяжелого армоцемен га на тепловые воздействия на основе аналитических методов...................................................................................................49

2.1. Предварительные замечания................................................................................49

2.2. Расчет толстостенной сферической оболочка из ТАЦ, как приведенного неоднородно материала в условиях полярно-симметричного температурного по-

ля.............................................................................................................................53

2.2.1. Предпосылки расчета и принимаемые допущения...................................53

2.2.2. Сжатая зона (л<г<г0)....................................................................................54

2.2.3. Растянутая в окружном направлении зона сферической оболочки

0о<г<6)........................................................................................................56

2.3. Толстостенная сферическая оболочка из ТАЦ как грансверсально-

изотропного материала.........................................................................................57

2.3.1. Сжатая зона (а<г<гъ)....................................................................................58

2.3.2. Растянутая зона (г0<г<Ь)..............................................................................61

2.4 Расчет напряженно-деформированного состояния многослойного сферического корпуса из ТАЦ при температурных воздействиях с учётом анизотропии и зависимости свойства материалов от температуры.............................................62

2.4.1 Предпосылки и допущения...........................................................................63

2.4.2 Облицовка......................................................................................................65

2.4.3 Теплоизоляция................................................................................................66

2.4.4. Сжатая зона силовой части из ТАЦ (г2<г<г0)............................................68

2.4.5 Растянутая зона силовой части из ТАЦ (г0<г<Ь).......................................69

2.5 К расчету толстостенной сферической оболочки из трансверсально-изотропного материала на радиационные воздействия.......................................70

2.5.1 Сжатая в окружном направлении зона силовой части из ТАЦ (а<г<г0) -73

2.5.2 Растянутая в окружном направлении зона силовой части из

ТАЦ (г0<г<Ь)...................................................................................................75

2.6. Метод аналитического расчета цилиндрического и сферического корпуса из ТАЦ при температурных воздействиях с использованием программы

«.МАТЬАВ»...............................................................................................................77

2.6.1. Цилиндрический корпус...............................................................................78

2.6.1.1. Расчет цилиндрического корпуса без трещин.....................................79

2.6.1.2. Расчет цилиндрического корпуса с трещинами..................................82

2.6.2. Сферический корпус Выводы по главе 2........................

87 90

Глава 3. Численный исследования толстостенных оболочек из ТАЦ.................................................................................................................................91

3.1. Предварительные замечания.................................................................................91

3.2. Результаты расчетов оболочек из ТАЦ численными и аналитическими методами в линейной постановке................................................................................94

3.3. Результаты расчетов цилиндрической и сферической оболочки из ТАЦ в нелинейной постановке..........................................................................................108

Выводы по главе 3.......................................................................................................121

Глава 4. Исследования НДС цилиндрических и сферических корпусов из ТАЦ численными методами при действии внутреннего давления и температуры..........................................................................................................................124

4.1. Расчетные схемы КВД и принципиальные особеннос ти построения процедуры нелинейного расчета......................................................................................124

4.2. Напряженно-деформированное состояние корпуса цилиндрической формы......................................................................................................................... 128

4.2.1. Нелинейный расчет цилиндрического корпуса из изотропного и орто-тропного материалов.................................................................................129

4.2.2. О влиянии учета нелинейности поведения ТАЦ на результаты расчетов КВД из ТАЦ из изотропного материала.................................................134

4.3. Сопоставительный анализ НДС толстостенного сферического и цилиндрического КВД из ТАЦ при внутреннем давлении, температуре и при совместном их действии.........................................................................................................140

4.3.1. Влияние особенностей сопряжения днища и стенок на характер НДС

КВД.............................................................................................................140

4.3.2. Расчет толстостенного сферического корпуса из изотропного материала

в линейной и нелинейной постановках...................................................144

4.3.3. Сравнение результатов расчетов толстостенного цилиндрического и

сферического корпусов ЯР из ТАЦ..........................................................148

4.3.4. Влияние компенсатора в облицовке на характер НДС угловой зоны

КВД.............................................................................................................157

Выводы по главе 4.......................................................................................................164

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................................................................166

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 168

ПРИЛОЖЕНИЕ...............................................................................................179

ВВЕДЕНИЕ

В связи с быстрыми темпами социально-экономического развития Кшай-ской Народной Республики, намежвшимися в последние годы, наметилась и отрицательная тенденция огствапия эиерговооружспиосш сфаны. В силу определенной специфики в развише КНР сиециалисхы не видя1 альтернативы развитию атомной энергетике. В настоящее время в Китае действуют только 6 АЭС, и поэтому в государственном масилабе разрабагывае!ся концепция развития атомной энергетики на ближайшие годы и па дальнейшую перспективу. Развитие атомной энергетики в Кигае предполагаем по пути использования реакторов корпусного типа, в том числе водо-водяпных металлических реакюров серии ВВЭР, импортируемых из России. Между гем опьи Европейских с храп, в частности, Англии и Франции, свидетельствуют о перспективности развития АЭС на базе газовых реакторов из предварительно-напряженного железобетона, когда сам корпус, как правило, цилиндрической формы, совмещае! в себе и функции биологической защиты [29,32,35,36,37]. В эюм случае корпус (КВД) воспринимает как внутреннее давление (порядка 50 аш и более), хак и воздейс!вия гемперагуры и радиации. Такие корпуса, обладая повышенной (по сравнению с ме1аллическими) надежностью, характеризуются весьма сложной 1ехиоло1ией изгоювления, связанной с использованием арматурных пучков и домкратов мощностью свыше 1000 тонн. К сожалению, в КНР и в России они не производя 1ся Есть и другие обстоятельства, сдерживающие пока их широкое применение

Рост мощнос1ей эперюблоков па аюмных и 1епловых электростанциях в сочетании с росюм амплшуды суючного колебания электрической нагрузки, очень часто наблюдаемые на пракшке, осфо сгавш проблему аккумулирования энергии при снижении нагрузки в системе и выдачи ее в период пика потребления. В связи с этим, специалистами рекомендуются использование специальных технологий по аккумулированию с помощью гак называемых аккумуляторов тепла (АТ) - крупногабаритных емкое [ей для хранения под высоким давлением перегретого пара [4].

По мнению специалистов в области различных, в том числе строительных и специальных технологий, использование крупногабаритных емкостей, способных к восприятию больших внутренних давлений (порядка 50 атм и более) и высоких температур - проблема самого ближайшего будущего. Такие сооружения представляют собой сверхмощные автоклавы (АК) [49], внутри которых могут протекать самые различные 1ехнологические процессы (производство прочных материалов, испытания глубоководных аппаратов и прочее).

Обладая идентичными параметрами (габариты, нагрузки и воздействия), такие сооружения позволяют подойти к их исследованию с общих позиций, а именно: разработка принципиальных конеIрутивных решений, выбор несущего материала, решения отдельных узлов и деталей, а также технологические вопросы.

В данной диссертации исследуе1ся НДС оригинальной конструкции сферического ЯР, созданного па базе исследований цилиндрических КВД из тяжелого армоцемента (ТАЦ), разрабо!анных па кафедре железобетонных и каменных конструкций СПбГАСУ совместно с другими организациями Г.Н.Шоршневым [74,75,76,77,78], С.Н.Панариным, О.П.Сшриковым, Р.М.Румяцевым и их сотрудниками. Суть их разработки состоит в юм, что КВД представляет собой толстостенную цилиндрическую оболочку из дисперсно армированного железобетона с высоким (до 20 % по объему и более) содержанием арматуры малых диаметров (35 мм), получившего название тяжелый армоцемепт, с коническими сужениями по концам и торцовыми элементами конической формы типа пробок, свободно опирающимися на стенки из ТАЦ. Принципиальное отличие этого КВД от известных предварительно напряженных аналогов (например, ЯР в-2, ЯР в Бюже во Франции) заключается в использовании ненапряженного железобетона (ТАЦ), показавшего в экспериментах исключительно высокую трещииостойкость и повышенный предел упругой работы. Вместе с тем, признаемся очевидным, что переход на КВД сферической формы способствует формированию более однородного НДС и снижению концентрации напряжений в отдельных узлах, например, в области сопряжения днищ и стенок. Попытка создания сферического преднапряженного КВД ЯР в Уилфе (Англия) удалась не в полной мере, поскольку не удалось избе-

жать присутствия в облике оболочки цилиндрической формы и как следствие этого концентраций напряжений в отдельных элементах стенок.

В работах Г.Н.Шоршнева, С.Н.Панарина, В.И.Морозова и их сотрудников приводится описание сферического КВД из ГАЦ (патент РФ № 2038452/С1) [61], характеризующегося плавное 1ыо очер1ания формы. Однако, отдельные участки конструкции вблизи юрцовых элемепгов обнаруживают определенные сложности в устройстве горизонтального армирования и бетонирования.

Разработка и исследования консфукции КВД, лишенной эгих недостатков, представляются весьма актуальными.

Цель работы - совершенствование конструктивного решения и исследование НДС КВД сферической формы из ТАЦ с учетом специфики поведения материалов и конструктивных элементов в условиях температурных и силовых воздействиях.

Для реализации поствлснной цели, фебуются решения следующих задач:

- на базе извесшого и исследованною ранее КВД из ГАЦ цилиндрической формы разработан^ конструкцию КВД со сферическим очертанием несущих элементов стен из ТАЦ;

- получение приближенного аналитического решения НДС сферической оболочки в том числе многослойной при внутреннем нагреве и радиационном воздействии из ТАЦ, как изотропно однородного, изотропного неоднородного и трансверцально-изотропного неоднородного материалов;

- на основе эксперимешальных данных о поведении ТАЦ, полученных Г.Н.Шоршпевым и его сотрудниками, построй ib физические зависимости для ТАЦ, адаптированные к проведению численных экспериментов на оболочках и КВД по программе «ANSYS»;

- проведение численных эксперименте и офабои<а меюдики расчета по программе «ANSYS» по оценке НДС цилиндрических и сферических оболочек из ТАЦ с учетом специфики его поведения при силовых и тепловых воздействиях и сопоставление результатов с данными эксперименюв и аналитических методик;

- на основании разработанной методики, учитывающий специфику поведения ТАЦ под нагрузками и воздействиями, расчет КВД, анализ и сопоставление НДС цилиндрического и сферического КВД и корректировка конструктивного решения.

Методология и методы исследования включает построение математических моделей рассматриваемых конструкций, их аналитический и численный анализ, сопоставление полученных рсзулыаюв с результатами, в том числе экспериментальными, других авторов.

Реализация работы

Результаты диссертационных исследований приняты к использованию в ЗАО «ЭРКОН» при проведении численных экспериментов по оценке напряженно-деформированною сосюяния железобетонных резервуаров и напорных труб в процессе их обследования и усиления. СИдельные разделы диссертации, затрагивающие методы аналижческою и численною расчетов, внедрены в учебный процесс для студентов специальное!и «Промышленное и гражданской строительство» при чтении специального курса по железобетонным конструкциям.

Научная новизна диссертации заключайся в следующем:

- Разработано конструктивное решение корпуса высокого давления сферической формы из тяжелого армоцемеша для ядерного реактора;

- Получено аналитическое решение задачи и разработана методика расчета полярно-симметричного термонапряженного сосюяния толстостенных, в том числе многослойных, сферических оболочек с несущим слоем из ТАЦ в представлении его в общем случае как приведенного неоднородного материала, обладающего трансверсально-изотропными свойснзами;

- На основании нелинейной диаграммы деформирования ТАЦ, построенной в диссертации на опытных данных, и МКЭ, реализуемого в программе «ААФУЗ1», создана и получила апробацию нелинейная методика численного расчета КВД из ТАЦ на силовые и тепловые воздействия;

- Установлено качественное и количественное влияние анизотропии и нелинейности поведения ТАЦ при внутреннем давлении и тепловых воздействиях на формирование НДС КВД цилиндрической и сферической формы.

На защиту выносятся:

- оригинальная конструкция КВД сферической формы из ТАЦ, отличающаяся от известных цилиндрических аналогов формированием более благоприятного НДС при силовых и тепловых воздействиях;

- решение задачи о термонапряженном состоянии толстостенной сферической, в том числе многослойной, оболочки аналитическим методом в рядах, сходимость которых доказывается, и с применением программы «МАТЬАВ>у,

- модель деформирования ТАЦ, построенная на основе известных опытных данных и учитывающая специфику его поведения при растяжении в условиях тепловых воздействий;

- методика расчета, учитывающая специфику поведения ТАЦ и отдельных конструктивных элементов КВД, построенная на базе МКЭ по программе «АЫЗУБ», и результаты численного расчета толстостенных цилиндрических и сферических оболочек и КВД цилиндрической и сферической формы.

Достоверность результатов исследований обеспечивается использованием строгого математического аппарата, общепринятых гипотез и допущений теории упругости и современной теории железобетона, удовлетворительным согласием результатов аналитического и численного методов расчета с применением программы «МА ТЬАВ» и мощног�