автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Пространственное численное моделирование и совершенствование конструкций гидротехнических затворов

□ОЗОВЗ

На правах рукописи

Козинец Галина Леонидовна

ПРОСТРАНСТВЕННОЕ ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ ЗАТВОРОВ

Специальность 05 23 01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических на'

у? 4 МАЙ 2007

Санкт - Петербург - 2007

003063150

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессиональною образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет"

Научный руководитель доктор технических наук, ст н с

Белов Вячеслав Вячеславович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Лалин Владимир Владимирович

кандидат технических наук, ст н с Петров Вадим Александрович

Ведущая организация ОАО «Институт Ленгидропроект»

Защита состоится "Х-9" ¿Ш£> 2007г в 00 час на заседании диссертационного совета Д 212 229 15 ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет" по адресу 195251, Санкт-Петербург, ул Политехническая, 29, ПГК, ауд^^^

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Автореферат разослан " а>/гуъ1-ЛЛ 2007г

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Бухарцев В Н

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 опирания на контуре Подобный фрагментарный подход не отражает действительной работы конструкций, не учитывая в необходимой мере пространственных эффектов, затрудняя в итоге поиск оптимальных конструктивных решений

В частности, с позиций классической теории стержней не удается достоверно оценивать 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 пе 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:

1 Анализ существующих методов расчета и принципов конструирования гидротехнических затворов Обобщение опыта эксплуатации, статистики аварий и повреждений

2 Исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) и рационализация профиля ригелей плоских затворов

3 Совершенствование методики статического и прочностного расчета сдвоенных плоских затворов

4 Разработка инженерной методики оценки остаточного ресурса коррозионно-изпошенных затворов

5 Совершенствование конструкции сегментного затвора на основании многопараметрического анализа НДС и оценки живучести

6 Уточнение методики определения присоединенных масс воды в расчетах гидротехнических затворов на сейсмостойкость по линейно-спектральной теории (ЛСТ)

7 Разработка практических 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 составляют

• методика определения рационального профиля ригелей плоских затворов,

• методика расчета напряженно-деформированных состоянии 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 полугенных 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 полученные 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-техническои конференции, посвященной 100-летию со дня рождения H Я 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

Диссертация состоит из введения, пяти глав и списка литературы в ^.наименований Объем диссертации 151 страница машинописного текста, 104 рисунка. 15 таблиц

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность работы, определены цели и задачи исследований, проанализирована изученность проблемы, представлены научная новизна, практическая ценность результатов работы, приведены сведения о структуре и объеме диссертации

Первая глава посвящена анализу литературы по проблемам исследования и обоснованию выбора методов решения поставленных задач

Основные принципы проектирования гидротехнических затворов заложены в работах немецкого инженера Н Ки1ка, который в начале XX века рассмотрел примеры расчета первых металлических затворов в Германии Большой вклад в разработку новых конструкций затворов внесли отечественные инженеры-гидротехники Е И Залькинсон, Е Е Нефедов, А Р Березинский, М М Гришин, Г А Полонский, С С Бам, Б С Чесноков, С В Селезнев, Г П Лохматкков, Д М Савин, М Переда, И М Кузнецов и другие

Основы методов расчета и принципов надежности конструкций нашли свое отражение в работах М Майера, С П Тимошенко, В В Кураева, В Г Чернашкина, Н С Стрелецкого, А Р Ржаницина, В В Болотина, В Н Келдыша, И И Гольденбланта, В А Балдина, В М Коченова, В Г Чудновского и других авторов

В настоящее время в России нет специальных нормативных документов, определяющих правила проектирования гидротехнических затворов Поэтому наряду с общими строительными нормами используются ведомственные нормативные документы треста "Гидромонтаж" Основы ведомственных норм заложили инженеры Б М Шур, Е Е Нефедов, Г А Полонский, В Ф Простак, и другие

Для металлоконструкций гидротехнических затворов, имеющих высокую степень ответственности, ужесточен общий критерий прочности по первой группе предельных

.ЯуУс

состояний &Пр —" » который в ведомственных Нормах имеет следующий вид Уп

„ Я„сус

апр— , где Спр- приведенное расчетное напряжение, нормативное

УтУп

сопротивление материала, принимаемое Яп=тш{Ку, 1^/1,3}, Яу - предет текучести, Яи -временное сопротивление разрыву, с - коэффициент перехода от основных I производным

4

расчетным сопротивлениям материала, ус - коэффициент условий работы, ут - коэффициент надежности по материалу, у„ - коэффициент надежности по назначению

До недавнего времени расчеты конструкций выполнялись в одномерной постановке на основании уравнений строительной механики стержневых систем, а для пластин обшивки в двумерной постановке по уравнениям тонких оболочек Основные аспекты этой методики нашли свое отражение в трудах А М Афанасьева, Н М Беляева, В Г Чудновского, Л А Когана, В 3 Власова, В А Киселева, Я Г Пановко, А А Уманского и других

Современное развитие компьютерных технологий позволяет использовать МКЭ в решениях уравнений теории упругости и пластичности для расчета конструкций в трехмерной постановке, что определяет качественно новый уровень проектирования затворов Первые научные работы, в которых изложена концепция МКЭ, принадлежат американским ученым М Тернеру, Р Клафу, Г Мартину и Л Толпу Теоретический фундамент МКЭ заложили ученые-механики Л Д Ландау, А И Лурье, Ю Н Работнов, К Вазидзу и другие Дальнейшее развитие прикладных аспектов МКЭ отражено в работах В А Постнова, Л А Розина, А А Самарского, О Зенкевича, И Чанга, Л А Гордона, В Г Корнеева и других авторов Большой вклад в исследовании НДС затворов и в новые программные разработки внесли специалисты А М Белостоцкий, О Л Рубин, М В Белый, А А Храпков, Б В Цейтлин, В А Петров

В анализе пространственных моделей составляющие тензора напряжений (а*, ау, а2, тху тг> >гхЛ определяютя в любой точке конструкции, что дает дополнительные возможности для совершенствования конструирования и расчета затворов, в частности при исследовании концентраторов напряжений в ригелях плоских затворов, и усовершенствования методики расчета сдвоенных затворов Вычисление приведенных напряжений по четвертой теории прочности выполняется по формуле-

о-щ, +((ТУ

Проблемы концентрации напряжений в балке впервые описаны в работах М И Неймана

и нашли свое продолжение в трудах Г Н Савина, Р Р Мавлютова, И И Ворович, Ю А

Устинова, Л В Коновалова, И П Сухарева, В Ф Кожевникова Об актуальности

исследований 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 пролетною строения Важность этой

задачи также отмечается в работах А Р Фрейшиста, И В Мартенсона, И Д Розиной, где

приведены примеры разрушений металлоконструкций плоских затворов Однако оценка

5

НДС в ригелях переменного профиля не проводилась, данная проблема оставалась открытой, ее инженерное решение выполнено в качественном и количественном анализе пространственных напряжений на примерах плоских затворов Берегового водосброса Саяно-Шушенской ГЭС и Ирганайской ГЭС

Основы представлений о процессах коррозии, были заложены в 30-х годах XX века в работах А Фрумкина, К Вагнера и Г Кеше Защита конструкций затворов от коррозии сегодня выполняется на основании Руководящего Документа, изданного трестом "Гидромонтаж" при участии инженеров Е А Билева, С Е Редреева, И А Бойко, Э М Андреева, 3 Ф Бабкина На сегодняшний день расчеты затворов регламентированы строительными Нормами только в упругой постановке При этом коррозионно-изношенные конструкции требуют более детального обоснования прочности и надежности за пределами применимости закона Гука Математическая база теории пластичности изложена в работах Д Друкера, Р Хилла, А А Ильюшина, В А Копнова, И И Гольденблата, Л И Миркина, В В Соколовского и других авторов Для затворов, находящихся в многолетней эксплуатации сегодня нет методики определения остаточного ресурса эксплуатации конструкции Инженерная методика реализована на примере анализа пространственной конечно-элементной модели коррозионно-изношенного сегментного затвора Усть-Илимской ГЭС с учетом локальных зон коррозии

Одной из задач, по обеспечению надежной работы конструкции являетсч устойчивость ее элементов Теория устойчивости ведет свое начало от работ Л Эйлера, который впервые определил критическую силу центрально сжатого упругого стержня Математическая формулировка теории устойчивости впервые была дана А Я Ляпуновым, далее нашла свое отражение в трудах И Г Бубнова, Б Г Галеркина, Н Е Жуковского, Н В Корноухова, С Д Лейтеса, В Г Чудповского, Ф С Ясинского и других ученых Следует заметить, что значение минимального коэффициента общей устойчивости формы гидротехнических затворов (отношение критической к фактической нагрузке) не установлено действующими нормативными документами В этой связи выполнен статистический анализ устойчивости для 30 работающих затворов и определен диапазон значений коэффициентов устойчивости в пределах от 1,6 (для сегментных затворов) до 3,0 (для плоских затворов)

Для расчета сейсмостойкости гидротехнических затворов, в соответствии с нормами, сегодня используется линейно-спектральная теория (ЛСТ) Основу теории заложили ученые М Био, Дж Блюм, Э Розенблюэт, АГупта, и другие Примеры расчетов конструкций гидротехнических затворов на сейсмические воздействия описаны в работах А М Белостоцкого, А Н Бирбрз ера, А А Храпкова, С Г Шульмана, В А Петрова Обязательным этапом расчета гидротехнических затворов по ЛСТ сейсмостойкости является определение

присоединенных масс воды Гидродинамическая составляющая давления воды вызывает существенное перераспределение напряжений в конструкции, понижает частоты собственных колебаний, поэтому учет этого фактора яв таете я необходимым Первую попытку математически описать присоединенные массы воды предпринял Б Опп и развил Н Westeгgaard Большой вклад в разработку действующих норм для определения присоединенных масс воды внесли ученые АН Крылов, П П Кульмач, С Г.Шульман, И С Шейнин, Л А Розин Тем не менее, определение присоединенных масс воды для гидротехнических затворов по действующим нормам проектирования не регламентировало В работе предложен и реализован способ учета присоединенной массы воды, приводящий к получению наибольших локальных напряжений в конструкции сегментного затвора, запроектированного с элементами усовершенствования

Вторая глава посвящена решению ряда частных задач по анализу пространственных напряжений и перемещений реальных конструкций гидротехнических затворов

Одной из основных проблем прочности металлоконструкций плоских затворов является наличие концентраторов напряжений в ригелях переменного профиля Под действием гидростатической нагрузки ригели испытывают изгиб, а опорные стойки приобретают угол поворота у, который определяется изгибной жесткостью пролетной части ригеля Данное обстоятельство приводит к смещению опорных сечений затвора относительно направляющих путей на величину Д= '/ЛпщЯту (см рис 1 ) Высота сечения ригеля в пролетной зоне Ьпр определяется условием [П, где ¡"тах - расчетный, [(] -

допустимый прогиб ригеля

Рис 1 Схема прогиба ригеля

Рис 2 Зависимости апр в поясах(1)и полках(2)

Рис 3 Зависимости Ь ригеля от напора

В результате высота сечения ригетя конструируется переменной, а соотношение высоты ригеля в пролете к высоте ригеля в пазу обычно составляет 11„Р/Ьгт=2-3 Данный фактор приводит к нежелательной концентрации напряжений в ригелях переменного сечения, что указывает на недостаток конструирования

7

В этой связи предложен новый инженерный способ совершенствования конструкции ригелей переменного сечения: переход от одного к двум углам сопряжения поясов ригелей и схеме уменьшения высоты ригеля. Для решения данной задачи исследован ы пространственные напряжения и ригелях секций аварийно-ремонтного затвора глубинного береговою водосброса Саяно-Шушенской ГЭС и аварийно-ремонтного поверхностного заграждения эксплуатационного водосброса Нрганайского гидроузла (6]. Построены зависимости приведенных напряжений (о,,р„в) в поясах и полках ригелей от отношения углов сопряжения поясов ригелей {см. рис.2), а также зависимости высоты Ь полки ригеля от напора (см. рис.3). В ходе решения задачи определена рекомендуемая зона проектирования ригелей переменного профиля. В результате совершенствования конструкции выявлено снижение концентрации напряжений в исследуемой зоне ригеля на 25,4%, получен экономический эффект за счет уменьшения веса металлоконструкции [2], [3].

Задача уточнения расчетной методики обычно возникает при значительном несовпадении расчетных значений прогибов с данными натурных исследований. Так, натурные наблюдения за работой сдвоенного колесного затвора Краснодарского водохранилища указывали на несовпадение прогибов с расчетными значениями, полученными в несовместном расчете секций, выполненном по ведомственным Нормам н 1969г. Новая методика расчета сдвоенного затвора реализована по МКЭ для совместной работы двух секций. Для сравнения выполнен адекватный анализ пространственных напряжений и перемещений отдельно для каждой секции. Таким образом, исследовано НДС сдвоенного плоского затвора Краснодарского водохранилища для трех типов задач (см. рис,4,н рис.5). Здесь, 1-я задача соответствует совместному расчету секций но МКЭ, 2-я задача - раздельному расчету секций по МКЭ, 3-я задача - раздельному расчету секций по ведомственным нормам. Погрешность общих напряжений для трех типов задачи составила 5-7% , локальных - 11% (см, рис. 4.). Погрешности прогибов в ригелях верхней и нижней секции относительно натурных данных для трех задач соответственно: 1) 6% и 8%; 2) 53% и 7%; 3) 35% и 28%.

20 т£17

Ш

И18

15 :

1

I *) 0

13

С

а м

■М

Щ

4

2 №эа

□аэрхняя с В *Н>НЯЯ С*Ю4Ий4о&и|И*} 13 айркнйЯ Секция (лекальные)

Рис. 4. Напряжения в секциях

О Просизы е риг**« нбр«-*Е*1 саа^

□ Г^хлхбы в ригагек шней сею.»«

□ Нагуле прайсы а ритэг«х эе*1хнеи оею»« В Нлурнье прсо^ы в ригвгсех сею**1

Рис. 5. Прогибы в ригелях

Сравнительный анализ результатов решения трех задач показал, что совместный расчет секций отвечает натурным значениям прогибов ригелей с погрешностью в 6-8%.

Оценка прочности корроз ион но-изношенных конструкций традиционно проводилась н

линейно упругой постановке с усреднением реальных толщин деталей. При этом в областях

значительного коррозионного износа не учитывались концентрации напряжений, значения

которых, как правило, приближались к пределу текучести. Поэтому, для оценки прочности и

долговечности работающих коррозионно-изношенных затворов, наряду с линейным

статическим, выполнен нелинейный анализ в предположении наступления локальных

пластических деформаций в зонах наибольшей коррозии металла. В этом аспекте исследован

запас прочности, дана оценка безопасной работы коррозионно-изношенных сегментных

затворов водосливной плотины Усть-Илимской ГЭС. работающих в зимний период нри

ледовых воздействиях. Для анализа продолжительности работы затвора реализовано три

этапа расчета. Па первом этапе толщины элементов задавались на 2- 10% меньше проектных,

с учетом измерения фактических толщин металла, определенных в результате проведенных

исследований в 91 точке металлоконструкции [5], На втором и третьем этапах, в 295

предположении линейной зависимости скорости

300 i

□ Шще напряжении

коррозии по времени, толщины уменьшались соответст венно на 4-20% и 6-30% от проектных значений. При достижении коррозии до 6-30 % от проектных толщин, металлоконструкция исчерпала запасы прочности по напряжениям, достигнув предела текучести металла (см. рис.б). Результаты нелинейного анализа стандартным методом Ньютона-Рафсона (с заданием диаграммы

№этапа

1 2 3

Рис.6. Зависимость расчетных напряжений от коррозии

деформирования) указывают на снижение напряжений в зоне пластических деформаций на 30% в локальных зонах наибольшей коррозии металла (см. рис,7), Это обстоятельство определяет предел прочностной надежности и работоспособности коррозионо-изношенной конструкции.

Рис. 7. Напряжения в линейном (1) и нелинейном (2) анализе

В третьей главе выполнена практическая задача совершенствования ранее запроектированной конструкции основного сегментного затвора водосброса Ирганайского гидроузла В связи с экономическим кризисом в России, строительство всех гидроузлов было заморожено При этом конструкции многих затворов морально устарели, изменились проектные отметки и условия эксплуатации механического оборудования Сегодня появилась возможность сравнительного анализа конструкции, рассчитанной по типовым и современным методикам В ходе проведенной модернизации впервые проведена оценка НДС затвора совместно с опорным шарниром консольного типа в различных расчетных комбинациях с учетом запроектной ситуации, выполнены мероприятия по обеспечению устойчивости конструкции В результате расчета впервые определены нагрузки "на подъем", усилия на фундаментные болты Выполнен сравнительный анализ ранее запроектированной и вновь разработанной конструкции

В ходе решения задачи, введен ряд новых конструктивных решений при проектировании сегментных затворов

1) выполнение "гладкой" конструкции за счет применения стыковых сварных швов на поверхностях, взаимодействующих с водой,

2) введение поперечных ребер разной длины, соединяющих стрингеры и пояса диафрагм, для обеспечения дополнительной жесткости балочной клетки,

3) обеспечение устойчивости опорных рам без увеличения толщин ее элементов с помощью введения системы перекрестных ребер жесткости, заминающихся на обрамляющие ребра и пояса основной диафрагмы опорной ноги,

4) выполнение опорных рам (ног) под прямым углом к ригелям, путем конструирования опорного шарнира консольного типа

Для удобства эксплуатации затвора введены дополнительные узлы в металлоконструкции

• узел опирания затвора на порог, позволяющий продлить срок эксплуатации металлических полос для крепления ножевого уплотнения,

• вырезы в ригелях для осмотра вертикального уплотнительного контура, не поднимая затвор

Проведенные исследования включали следующие этапы

• определение и построение геометрической схемы сегментного затвора,

• задание физико-механических характеристик и свойств материалов,

• построение набора конечно-элементных моделей затвора, предназначенных для изучения их работы,

• численные исследования конечно-элементных моделей,

10

• анализ результатов численных исследований конечно-элементных моделей;

• предварительные выводы о работе конечно-элементных моделей и их конструкт и вных особенностях.

Впервые решена задача анализа прочности но МКЭ вновь разработанной металлоконструкции затвора, совместно с опорным шарниром консольного типа для трех расчетных комбинаций: 1)при о ¡тирании затвора на порог; 2)в момент отрыва затвора от порога; 3) при выходе из строя наиболее нагруженного фундаментного болта в момент подъема затвора (запроектиая ситуация). Осуществлено исследование конструкции сегментного затвора на устойчивость при опирании затвора на порог для 4-х вариантов конструирования опорного портала:

1) без ребер жесткости; 2)с горизонтальными ребрами жесткости, поддерживающими большие отверстия диафрагм; 3)с горизонтальными ребрами жесткости для всех отверстий; 4) с перекрестной системой ребер жесткости. Коэффициент запаса устойчивости формы конструкции увеличивался от первого к четвертому варианту расчета от 1,13 до 1,95. В результате расчета выполнена оценка запаса прочности конструкции при различных пасчетных комбинациях, включая аварийную ситуацию (см. табл. 1, рис.8, рис,9.),

Запас проч-кхггп конструкции

I ЕКЖЗЕЩЯ

а ВТ™44

а

□ верхняя секция (о^щие) • нижняя секции (общие) СИ верхний секция (локальные) ЕЗнижняя секция (локальные)

Рис.8. Оценка напряжений

□ в стрингерах ЕЭв нот Цв риталях ше

■ лояльный

Запас прочности в % от[о] Рис,9. Оценка запаса прочности

Таблица

Приведенные напряжения в элементах конструкции, МПа Прогибы, мм

Расч. комбинации локал- обшив. ригели стрингеры нога оси шарнира Ос.», ОСИ подвеса ригели ь консоли %

214 160 130 100 155 285 - 16 2

ДЙ 284 161 130 100 155 288 277 18 3

№3 290 160 130 100 155 28У 277 18 3

Четвертая глава посвящена проблеме оценки прочности гидротехнических затворов при сейсмическом воздействии Одним из важных факторов, определяющих прочность затвора при землетрясении, является влияние присоединенных масс воды на НДС конструкции В работе предложена новая методика учета влияния форм колебаний затворов на гидродинамическое давление воды, возникающее при землетрясении Эта методика является развитием известных способов определения присоединенных масс воды при совместных колебаниях конструкции и жидкости В основу предложенной методики положена количественная оценка модальных масс, соответствующих формам колебаний в предварительном расчете на сейсмостойкость "сухого затвора" (без учета водной среды) При этом максимальная сумма модальных масс, учтенных в расчете, соответствует искомой форме колебаний, а относительные перемещения напорной поверхности, полученные в модальном анализе, являются исходными данными для решения задачи стационарной теплопроводности В этом случае снимаются ограничения по схематизации колебаний конструкции (колебания балки, оболочки и т д )

При формулировании задачи теплопроводности, воду считаем идеальной и несжимаемой жидкостью, волнообразование на свободной поверхности не учитываем Тогда, основываясь на аналогии между уравнениями Лапласа для потенциала скорости движения жидкости <р(х,у,г,г) и потенциала температур Т(х,у,г,1), гидродинамическое давление при помощи линеализированного интеграла Коши-Лагранжа через потенциал

дТ(х,у,г,1) „ „

температур р~ р, —- - -— При учете только инерционнои составляющей 3/

гидродинамического давления для з-той формы колебаний формула присоединенной массы т, п„„с= р, , где т, пр„0 - присоединенная масса воды к 1-тому узлу

напорной поверхности, ре- плотность воды, Т,(х0,у,2) - температура в бассейне, в точке примыкания к 1 - тому узлу смоченной поверхности обшивки, и, (х0,у,г) - относительное перемещение 1 - того уз та для J - той формы колебаний конструкции, с!^- площадь смоченной поверхности обшивки, примыкающая к 1-тому узлу

Таким образом, при пересчете температур в точечные массы, масса 1 - того элемента обшивки площадью увеличится на т, „рис

Основные этапы нового способа рассмотрены на примере расчета сегмептного затвора водосброса Ирганайской ГЭС на действие статических и сейсмических воздействий

1) Методом конечных элементов выполняется статический расчет затвора

2) Способом одновременных итераций на подпространстве или Ланцоша

определяются собственные частоты и формы колебаний "сухого затвора"

12

3) Выполняется расчет на сейсмическое воздействие по ЛСТ.

4) Выбирается форма колебаний, соответствующая наибольшим модальным массам,

5) Бассейн перед затвором разбивается на объемные конечные элементы.

6) Методам конечных элементов решается задача стационарной теплопроводности для области, занимаемой бассейном перед затвором. Граничные условия для решения температурной задачи задаются следующими: на свободной поверхности воды температура Т=0; на жестких стенках бассейна и в плоскости симметрии поток тепла 4 = 0; на грани, совпадающей с затвором поток тепла задается пропорционально исследуемой форме колебаний конструкции (хц,у,г).

7) Используется формула пересчета полученных температур Т(хл,у,1;У 1 - того элемента обшивки площадью (1Г в точечные массы т, лрни распределенные а узлах смоченной части обшивки,

8) Способом одновременных итераций на подпространстве или Лаяцоша определяются собственные частоты и формы колебаний затвора с присоединенными массами воды.

9) Выполняется расчет на сейсмическое воздействие по ЛСТ.

10) Результаты расчета сейсмического расчета суммируются со статическим расчетом.

Размеры бассейна для решения температурной задачи (см. рис.10) приняты согласно

действующим нормам проектирования: длина (в направлении оси X) равна трем высотам затвора; ширина (в направлении оси У) для симметричной задачи равна половине нагруженного пролета затвора ^2; - глубина (в направлении, оси 2) - величине напора Н; по направлению, обратному оси Ъ - задано заглубление отметки входного портала относительно проектной отметки „.

спрео&ов ее опредалецнл

:1Г|1

•< _ способ определение гт» ирис

Рис.10. Схема бассейна Рис. 11. Значения присоединенных масс

В рабоге сопоставлены результаты расчета сегментного затвора водосброса Ирганайской ГЭС на действие статической и сейсмической нагрузок для 4-х расчетных случаев (см. рис.12): первый расчетный случай - без учета присоединенных масс воды; агорой - с присоединенными массами воды, вычисленными по первой форме колебаний затвора; третий - с присоединенными массами воды, вычисленными без учета форм

13

колебаний затвора; четвертый - с присоединенными массами воды, вычисленными гю выбранной форме колебаний затвора, соответствующей наибольшим модальным массам.

Наибольшие присоединенные массы воды определены в четвертом способе, (см. рис.П). По результатам сейсмического расчета установлена прочность конструкции в различных расчетных случаях. Локальные напряжения во втором, третьем я четвертом случаях увеличились соответственно на 12%, 23% к 45% 1см. рис, 12).

Максимальные напряжения

шшпЕъ щпрвви* от расчеты« сгуяее

J00 300

гоо 100

\2

№

S

I

1 2 3 А

а Умгич**« 0 12 ! и 45

напряжений.1* I

В НВЛрККвнт 220 245 2?0 320

; итв

расчетные случаи

Рис. 12, Результаты сейсмического расчета

В пятой главе сформулированы практические рекомендации гю проектированию конструкций гидротехнически* затворов, а также но использованию методов определения присоединенных масс воды в расчетах затворов на сейсмостойкость.

1) Рекомендации к проектированию ригелей переменного профиля:

а) при проектировании затворов с ригелями переменного профиля следует ввести промежуточный участок длиной üL с у том перехода в t =0/(1,6-1,7), где в - угол наклона смежных сечений в зоне «перелома»; б) при условии fmix<lf] выполнить уменьшение высоты ригеля на АН - üLtg 0С,

2) Рекомендация к расчету сдвоенных затворов:

а) расчеты сдвоенных затворов следует выполнять, включая в расчетную схему две секции, моделируя шарннрное опирание между секциями, что соответствует натурным условиям эксплуатации затвора, учитывает жесисостные параметры и совместность работы секций затворов,

3) Рекомендации по «ненке остаточного ресурса Коррозпонно-нзношениьи гидротехнических затворов!

а) исследование работоспособности коррозионно-изношенных затворов следует проводить первоначально в ли ней но-упругой постановке с учетом поэтапного уменьшения фактических толщин металла. При достижении максимальных напряжений значения предела

текучести, выполнять нелинейный анализ для выявления локальных зон пластических деформаций [5]

3) Рекомендации к проектированию сегментных затворов-

а) стрингеры выполнять неразрезными, таврового сечения, во избежание накладных швов на обшивке, приводящих к усилению коррозии металла, б) соединение диафрагм со стрингерами выполнять с помощью поперечных ребер разной длины, в) вводить систему перекрестных ребер для придания жесткости и устойчивости опорному порталу, е) дополнять расчетную схему опорными элементами, узлами подвеса и опорного шарнира, ж) выполнять расчет затвора в начальный момент подъема с определением подъемного усилия, и) определять расчетные нагрузки на фундаментные болты с учетом запроектной ситуации с выходом из строя наиболее загруженного болта, л) оптимизировать вес по запасу прочности и устойчивости конструкции, м) определить запас конструкции на прочность при различных расчетных комбинациях

4) Рекомендации к расчету конструкций затворов на сейсмостойкость:

а) в расчете гидротехнических затворов на сейсмостойкость по ЛСТ учитывать присоединенные массы воды по форме колебаний, вносящей наибольший вклад сейсмическую нагрузку в предварительном анализе "сухого затвора" Предложенный метод учета присоединенных масс применять в расчетах на сейсмостойкость гидротехнических затворов с напорной обшивкой произвольного профиля

5) Рекомендации в ведомственные нормы проектирования гидротехнических затворов:

а) включать в расчет одну из наиболее вероятных запроектных ситуаций

6) рекомендовать коэффициент запаса на устойчивость для вновь проектируемых гидротехнических затворов в пределах от 1,6 для сегментных и 3,0 для плоских

в) в расчетах коррозионно-изношенных затворов учитывать фактор физической нелинейности из предположения наступления пластических деформаций в локальных зонах с наибочьшей коррозией металла

Основные итоги диссертационной работы

1) В работе выполнен обзор методов расчета затворов водосбросов на статические нагрузки и сейсмические воздействия

2) Предложены новые конструктивные решения в металлоконструкциях затворов

3) Использованные в работе методики расчета гидротехнических затворов согласованы с опытом проектирования затворов традиционными способами

4) На базе МКЭ впервые представлены практические рекомендации по проектированию и рационализации параметров ригелей переменного сечения

5) В работе впервые проанализировано НДС сдвоенного затвора при раздельном и совместном расчете секций в сравнительном анализе с натурными данными

6) Предложен способ оценки работоспособности коррозионно-изношенных затворов в предположении наступления пластических деформаций в локальных зонах

7) Проанализировала и усовершенствована ранее запроектированная конструкция сегментного затвора Исследована прочность конструкции при различных расчетных комбинациях, включая аварийную ситуацию Выполнено исследование устойчивости конструкции

8) На основании проведенных исследований параметров устойчивости для различных конструкций затворов рекомендован диапазон значений коэффициентов устойчивости для гидротехнических затворов

9) На основе проведенных исследований затворов на сейсмостойкость предложен повый способ определения присоединенных масс воды для напорной поверхности любого профиля

10) Выработаны практические рекомендации к проектированию новых и модернизации действующих гидротехнических затворов

11) Полученные результаты моделирований и расчетов затворов позволили уменьшить затраты на экспериментальные исследования, и сократить время проектирования механического оборудования водосбросов Саяно-Шушенской и Ирганайской ГЭС, находящихся в зонах сейсмической активности

12) По результатам проведенных исследований установлен запас прочности сегментных затворов водосливной плотины Усть-Илимской ГЭС с учетом воздействия ледовых нагрузок и коррозионного износа металлоконструкций

13) На основании расчетов секций основного плоского колесного сдвоенного затвора водосброса Краснодарского водохранилища выполнена проектная документацич

Направления будущих исследований:

1) Исследования НДС сороудерживающих решеток при шарнирном соединении секций полос с ригелями, в сопоставлении со сварными соединениями

2) Учет присоединенных масс воды по динамической теории сейсмостойкости

3) Применение вероятностного подхода к решению проблемы прочностной надежности коррозионно-изношенных конструкций, при учете нелинейности скорости коррозии по времени

4) Исследование влияния коррозии в закладных частях на прочность

металлоконструкций затворов

Основные публикации по теме диссертации:

1 Козинец Г JI, Белов В В Расчеты основных составляющих механического оборудования на примере механического оборудования берегового водосброса Саяно-Шушенской ГЭС - XXXII Неделя науки СПбГПУ Материалы Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов Ч 1 С-Пб Изд-во Политехи унта 2004 с 142-143

2 Козинец Г JI, Белов В В Анализ напряженно-деформируемого состояния и оптимизация конструкций ригелей плоских гидротехнических затворов - СПбГАСУ, Научно-техническое общество строителей Санкт-Петербурга и Ленинградской области СПб 2005 с 89-95

3 Козинец Г Л , Белов В В Рационализация конструктивных решений ригелей плоских гидротехнических затворов - XXXIII Неделя науки СПбГПУ Материалы Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов Ч 1 С-Пб Изд-во Политехи ун-та 2005 с 140

4 Козинец Г Л Проблема учета присоединенных масс воды в расчетах затворов на сейсмостойкость - XXIX Неделя науки СПбГПУ Материалы Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов Ч 1 С-Пб Изд-во Политехи унта 2006 с 145

5 Козинец Г Л Оценка прочности и долговечности коррозионно-изношенных металлоконструкций гидротехнических затворов - Гидротехническое строительство 2007 №1, с 31-39

6 Козинец Г Л Оптимизация конструкций ригелей переменного профиля гидротехнических затворов - Гидротехническое строительство 2007 №3, с 42-46

Лицензия ЛР №020593 от 07 08 97

Подписано в печать 24 04 2007 Формат 60x84/16 Печать цифровая Уел печ л 1,0 Тираж 100 Заказ 1562Ь

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехническою университета 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул , 29 Тел 550-40-14 Тел/факс 297-57-76

Введение.

Глава

Актуальные проблемы конструирования и расчета гидротехнических затворов.

1.1. Конструктивные особенности плоских и сегментных затворов.

1.2. Основные направления проектирования затворов.

1.3. Пути повышения надежности затворов.

1.4. Анализ существующих методов расчета.

1.4.1. Особенности методик расчета гидротехнических затворов.

1.4.2. Анализ устойчивости формы конструкций затворов.

1.4.3. Проблема расчета затворов на сейсмостойкость.

1.4. 4. Метод конечных элементов в расчетах затворов.

1.5. Основные направления задач исследований.

Глава

Анализ пространственных моделей гидротехнических затворов на статические нагрузки.

2.1. Рационализация конструктивных решений ригелей плоских затворов.

2.2. Оптимизация предварительно назначенных размеров сечений ригелей.

2.3. Совершенствование методики расчета сдвоенных плоских затворов.

2.4. Оценка прочности и долговечности коррозионно-изношенных конструкций.

Глава Э

Модернизация ранее запроектированной конструкции.

3.1. Задача совершенствования конструкции.

3.2. Оценка устойчивости затвора.

3.3. Анализ напряженно-деформированного состояния сегментного затвора.

3.4.0сновные результаты модернизации конструкции.

Глава

Анализ учета присоединенных масс воды при расчете затворов на сейсмостойкость.

4.1. Концепция определения присоединенных масс воды.

4.2. Оценка присоединенных масс воды.

4.3 Анализ сейсмостойкости конструкции.

4.4 Выводы.

Глава

Плоские и сегментные затворы входят в состав механического оборудования гидротехнических 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 [68], [69]. 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 [64], [68], [69] 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 опирания на контуре. Подобный фрагментарный подход не отражает действительной работы конструкций, не учитывая в необходимой мере пространственных эффектов, затрудняя в итоге поиск оптимальных конструктивных решений.

В частности, с позиций классической теории стержней не удается достоверно оценивать 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 реконструкции 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 е минимальных коэффициентов запаса общей устойчивости затвора[64], [90].

В расчетах гидротехнических затворов на сейсмостойкость определение гидродинамического давления в прямой форме не регламентируется [65], 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:

1. Анализ существующих методов расчета и принципов конструирования гидротехнических затворов. Обобщение опыта эксплуатации, статистики аварий и повреждений.

2. Исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) и рационализация профиля ригелей плоских затворов.

3. Совершенствование методики статического и прочностного расчета сдвоенных плоских затворов.

4. Разработка инженерной методики оценки остаточного ресурса коррозионно-изношенных затворов.

5. Совершенствование конструкции сегментного затвора на основании многопараметрического анализа НДС и оценки живучести.

6. Уточнение методики определения присоединенных масс воды в расчетах гидротехнических затворов на сейсмостойкость по линейно-спектральной теории (JICT).

7. Разработка практических 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 составляют:

• методика определения рационального профиля ригелей плоских затворов;

• методика статического расчета сдвоенного плоского затвора;

• инженерный способ определения остаточного ресурса коррозионно-изношенных конструкций;

• методика оценки 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).

Апробация полученных 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 Н.Я. 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

Диссертация состоит из введения, пяти глав и списка литературы в 98 наименований. Объем диссертации 151 страница машинописного текста, 104 рисунка, 15 таблиц.

4.4. Выводы

1. Наибольшие значения присоединенных масс воды получились в предложенном способе ее определения.

2. Значения напряжений исследуемой конструкции указывают на необходимость учета присоединенных масс жидкости по форме колебаний, вносящей наибольший вклад в сейсмическую нагрузку для "сухого затвора".

3. Представленный способ учета присоединенных масс воды является универсальным и может использоваться в расчетах на сейсмостойкость по ЛСТ для напорных конструкций любого профиля.

139

Глава 5 Заключение

5.1. Практические рекомендации по проектированию конструкций гидротехнических затворов

По итогам работы следует выделить основные практические рекомендации:

1) Рекомендации к проектированию ригелей переменного профиля: а) при проектировании затворов с ригелями переменного профиля следует ввести промежуточный участок длиной ДЬ с углом перехода 0 с =0/(1,6-4,7), где 0 - угол наклона смежных сечений в зоне «перелома». б) при условии выполнить уменьшение высоты ригеля на АН = Д1^0С.

2) Рекомендации к расчету сдвоенных затворов: а) расчеты сдвоенных затворов следует выполнять, включая в расчетную схему две секции, моделируя шарнирное опирание между секциями, что соответствует натурным условиям эксплуатации затвора, учитывает жесткостные параметры и совместность работы секций.

3) Рекомендации к оценке остаточного ресурса коррозионно-изношенных гидротехнических затворов: а) исследование работоспособности коррозионно-изношенных затворов следует проводить первоначально в линейно-упругой постановке с учетом поэтапного уменьшения фактических толщин металла. При достижении максимальных напряжений значения предела текучести, выполнить нелинейный анализ для выявления локальных зон пластических деформаций.

4) Рекомендации к проектированию сегментных затворов: а) стрингеры выполнять неразрезными, таврового сечения, во избежание накладных швов на обшивке, приводящих к усилению коррозии металла. б) соединение диафрагм со стрингерами выполнять с помощью поперечных ребер разной длины. в) вводить систему перекрестных ребер для придания жесткости и устойчивости опорному порталу. е) дополнять расчетную схему опорными элементами, узлами подвеса и опорного шарнира. ж) выполнять расчет затвора в начальный момент подъема с определением подъемного усилия. и) определять расчетные нагрузки на фундаментные болты с учетом запроектной ситуации с выходом из строя наиболее загруженного болта. л) оптимизировать вес по запасу прочности и устойчивости конструкции. м) определять запас конструкции на прочность при различных расчетных комбинациях.

5) Рекомендации к расчету конструкций затворов на сейсмостойкость:

1) в расчете гидротехнических затворов на сейсмостойкость по ЛСТ учитывать присоединенные массы воды по форме колебаний, вносящей наибольший вклад сейсмическую нагрузку в предварительном анализе "сухого затвора".

6) Рекомендации в ведомственные нормы проектирования гидротехнических затворов:

1) включить в расчет одну из наиболее вероятных запроектных ситуаций.

2) рекомендовать коэффициент запаса на устойчивость в пределах от 1,6 для сегментных и 3,0 для плоских гидротехнических затворов. з) в расчетах коррозионно-изношенных затворов учитывать фактор физической нелинейности из предположения наступления пластических деформаций в локальных зонах с наибольшей коррозией металла.

5.2. Основные итоги диссертационной работы

Основные итоги работы заключаются в следующем: 1) В работе выполнен обзор методов расчета затворов водосбросов на статические нагрузки и сейсмические воздействия.

2) Предложены новые конструктивные решения в металлоконструкциях затворов.

3) Использованные в работе методики расчета гидротехнических затворов согласованы с опытом проектирования затворов традиционными способами.

4) На базе конечно-элементного анализа впервые представлены практические рекомендации по проектированию и рационализации параметров ригелей переменного сечения.

5) В работе впервые проанализировано напряженно-деформированное состояние сдвоенного плоского затвора при раздельном и совместном расчете секций в сравнительном анализе с натурными данными.

6) Предложен способ оценки дальнейшей работы коррозионно-изношенных затворов в предположении наступления пластических деформаций в локальных зонах.

7) Проанализирована и усовершенствована ранее запроектированная конструкция сегментного затвора. Исследована прочность конструкции при различных расчетных комбинациях, включая аварийную ситуацию. Выполнено исследование устойчивости конструкции.

8) На основании проведенных исследований параметров устойчивости для различных конструкций затворов рекомендован диапазон значений коэффициентов устойчивости для гидротехнических затворов.

9) На основе проведенных исследований затворов на сейсмостойкость предложен новый способ определения присоединенных масс воды для напорной поверхности любого профиля.

10) Выработаны практические рекомендации к проектированию новых и модернизации действующих гидротехнических затворов.

11) Полученные результаты моделирований и расчетов затворов позволили уменьшить затраты на экспериментальные исследования, и сократить время проектирования механического оборудования водосбросов Саяно-Шушенской и Ирганайской ГЭС, находящихся в зонах сейсмической активности.

12) По результатам проведенных исследований установлен запас прочности сегментных затворов водосливной плотины Усть-Илимской ГЭС с учетом воздействия ледовых нагрузок и коррозионного износа металлоконструкций.

13) На основании расчетов секций основного плоского колесного сдвоенного затвора водосброса Краснодарского водохранилища выполнена проектная документация.

5.3. Направления будущих исследований

Будущие исследования намечается выполнять по следующим направлениям:

1) Исследование сороудерживающих решеток при шарнирном соединении секций полос с ригелями, в сопоставлении со сварными конструкциями решеток.

2) Учет присоединенных масс воды в динамическом анализе затворов.

3) Применение вероятностного подхода к решению проблемы расчета коррозионно-изношенной конструкции, при учете нелинейности скорости коррозии по времени.

4) Исследование влияния коррозии в закладных частях на прочность металлоконструкций затворов.

143

1. Абрамов H.H., Беркун В.Б., Кучеренко В.В., Перекальский В.М. Эффективные итерационные алгоритмы решения тепловых задач: Учебное пособие М.: МИСИ, 1987. 67 с.

2. Аугустин Я., Шледзевский Е. Аварии стальных конструкций// Сб. статей ЦНИИСК.-М.: Стройиздат,1973.54-85с.

3. Балдин В.А., Голденблат И.И., Коченов В.М. и др. Расчет строительных конструкций по предельным состояниям. Под ред. В.М. Келдыша. Госстройиздат, 1951. 320с.

4. Басов К. А. ANS YS в примерах и задачах. М.: КомпьютерПресс, 2002. 224 с.

5. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. М.: "Наука", 1976, 650с.

6. Бердичевский B.JI. Вариационные принципы механики сплошной среды. М.: Наука, 1982, 448 с.

7. Бенерджи П., Баттерфилд Р. Методы граничных элементов в прикладных науках / Пер. с англ. М.:Мир, 1984.-4 94с.

8. Бирбраер А.Н., Шульман С.Г. Оценка сейсмостойкости сооружений и оборудования АЭС в рамках нормативной методики // Энергетическое строительство. 1987.№ 1 .с. 19-22.

9. Бирбраер А.Н. Расчет конструкций на сейсмостойкость. Санкт-Петербург : Наука, 1998,249 с.

10. Боровков А.И. Программный комплекс конечно-элементного анализа FEA // Аннотированный каталог учебных программных средств. Вып.З. СПб: СПбГТУ, 1995. с.100-102.

11. Болотин В.В. Неконсервативные задачи теории упругости. Физматгиз, 1959. 348 с.

12. Бубнов И.Г. Строительная механика корабля. т.1. Петербург, 1912. 448с.

13. Безухов Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести. Изд-во "Высшая школа", 1961. 265с.

14. Бурышкин M.JL, Гордеев В.Н. Эффективные методы и программы расчета на ЭВМ симметричных конструкций. Киев: Будивельник, 1984.120 с.

15. Бутенин Н.В., Лунц Я.Л., Меркин Д.Р. Аналитическая механика. М.: Наука, 1984.452с.

16. Вазидзу К. Вариационные методы в теории упругости и пластичности. М.: Мир, 1987. 542 с.

17. Галеркин Б.Г. К расчету безраскосых ферм и жестких рам. Собр.соч., т.1, АН СССР, 1952. 592с.

18. Галкин Д.С., Галкина Н.С., Гусак Ю.В. Многоцелевая автоматизированная расчетная система МАРС. Сб.: Комплексы программ математической физики. Новосибирск, 1984.109с.

19. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы. М.: Мир, 1984. 428 с.

20. Гольденблат И.И. Копнов В.А. Критерии прочности и пластичности конструкционных материалов. "Машиностроение", 1968.120с.

21. Городецкий A.C., Здоренко B.C. Типовая проектирующая подсистема ЛИРА для автоматизированного проектирования несущих строительных конструкций. Сб.: Системы автоматизированного проектирования объектов строительства. Вып.1,1982.

22. Деркач Н.И, Залькиндсон Е.И. и др. Развитие механического оборудования речных гидротехнических сооружений.-М.: "Энергия", 1980.168с.

23. Елизаров C.B., Бенин A.B., Петров В.А., Тананайко О.Д.; Статические и динамические расчеты транспортных и энергетических сооружений на базе программного комплекса COSMOS/M/Санкт -Петербург, 2004.260с.

24. Залькиндсон Е.И., Нефедов Е.Е., М.:Сегментные стальные затворы гидротехнических сооружений, - М.:Госэнергоиздат, 1958.

25. Затвор основной сдвоенный плоский колесный 10,0-11,0-10,15 (Заказ 101,120 УЛ ) Краснодарского водохранилища, С-Петербург, СПКТБ "Ленгидросталь", 1969.

26. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация. М.: Мир, 1986.318 с.

27. Зенкевич О. Метод конечных элементов в в технике. М.: Мир, 1975. 536 с.

28. Ирганайский гидроузел на р. Аварское Койсу. Водосброс. Затвор основной. Затвор сегментный 18,0-15,0-14,5., С- Петербург СПКТБ "Ленгидросталь", 2004.

29. Ирганайская ГЭС на р. Аварское Койсу. Эксплуатационный водосброс. Механическое оборудование, 51 ИЗТ., СПКТБ "Ленгидросталь", 1990.

30. Кульмач П.П. Гидродинамика гидротехнических сооружений (Основные плоские задачи). -М.: Изд-во АН СССР. -1963. 190 с.

31. Кулька Г. Металлические затворы плотин. Перевод с немецкого инж. А.Н. Комаровского, Ю.М. Шехтмана, И.В. Федорова, Гостстройиздат, М.:1934.318с.

32. Козинец Г.Л., Белов В.В. Анализ напряженно-деформируемого состояния и оптимизация конструкций ригелей плоских гидротехнических затворов. СПбГАСУ, Научно-техническое общество строителей Санкт-Петербурга и Ленинградской области, С-Пб,2005г., с.89-95.

33. Козинец Г.Л. Оценка прочности и долговечности коррозионно-изношенных металлоконструкций гидротехнических затворов.-Гидротехническое строительство. 2007. №1, с. 31-39.

34. Козинец Г.Л. Оптимизация конструкций ригелей переменного профиля гидротехнических затворов.- Гидротехническое строительство. 2007. №3, с. 42-46.

35. Лурье А.И. Теория упругости. М.: Наука, 1980. 936 с.

36. Лурье А.И. Нелинейная теория упругости. М.: Наука, 1980.512 с.

37. Лейтес С.Д., Раздольский А.Г. исследование устойчивости внецентренно сжатых упруго-пластических стержней. "Строительная механика и расчет сооружений", 1967 №1.

38. Мавлютов P.P. Концентрация напряжений в элементах авиационных конструкций. М.: Наука, 1981.— 141с.

39. Нейман М.И. Напряжения в балке с криволинейным отверстием. Труды ЦАГИ, №313, Л., 1937.

40. Нудельман Я.Л. Методы определения Собственных частот и критических сил для стержневых систем. Гостехтеориздат, 1949. 272 с.

41. Норри Д., де Фриз Ж. Введение в метод конечных элементов /Пер. с англ. М.: Мир, 1981. -304с.

42. Пановко Я.Г., Губанова И.И. Устойчивость и колебания упругих систем. Современные концепции парадоксы и ошибки. 2-е изд. "Наука", 1967.-365с.

43. Полонский Г.А. Механическое оборудование и металлические конструкции гидротехнических сооружений и их монтаж. М.: "Энергия", 1967,350с.

44. Полонский Г.А. Глубинные затворы гидротехнических сооружений.-М.: Энергия, 1978,168 с.

45. Перельмутер A.B., Сливкер В.И. Расчетные модели сооружений и возможность их анализа.- Киев, Изд-во "Сталь", 2002.-600с.

46. Постнов В.А. Проблемы автоматизации метода суперэлементов. Программный комплекс КАСКАД-2. Сб.: Применение численных методов в строительной механике. Л.: Судостроение, 1976.

47. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. М.: Наука, 1988,712 с.

48. Розин Л.А. Задачи теории упругости и численные методы их решения. СПб, Изд-во СПбГТУ, 1998.

49. Розин Л.А. Основы метода конечных элементов в теории упругости. Учебное пособие.-Л., ЛПИ, 1972, 80 с.

50. Розин Л.А. Стержневые системы как системы конечных элементов. Л.: Изд-во ЛГУ, 1976.232 с.

51. Руководство по определению нагрузок и воздействий на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов) / Под ред. Д.Д. Лаппо и Б.А. Урецкого.-Л.:ВНИИГ имени Б.Е. Веденеева, 1977.65с.

52. Саяно-Шушенская ГЭС на р. Енисей. Береговой водосброс. Входной портал. Затвор основной сегментный 18,0-9,19-15,49., С-Петербург СПКТБ "Ленгидросталь", 2004.

53. Саяно-Шушенская ГЭС на р. Енисей. Береговой водосброс. Входной портал. Затвор аварийно-ремонтный 18,0-9,1-15, 9., С- Петербург СПКТБ "Ленгидросталь", 2004.

54. Самарский A.A. Введение в численные методы.- М.: Наука, 1987.-459с.

55. Свойский Ф.М. Граничные условия для конечных элементов с вращательными степенями свободы. СПб.: ВВМ,2004.83с.

56. Селезнев C.B. Новые конструкции высоконапорных гидротехнических затворов. Москва, "Энергоатомиздат", 1988,175с.

57. Селезнев C.B., Лохматиков Г.П., Поверхностные затворы больших пролетов судопропускных сооружений, шлюзов и доков. С-Петербург, "Энергоатомиздат", 1992, 695с.

58. Сорокин В.Г., Марочник сталей и сплавов. М.: "Машиностроение", 1989, 640с.

59. Стренг Г., Фикс Дж. Теория метода конечных элементов. М.: Мир, 1977. 349 с.

60. Сейсмическое районирование территории СССР. М.: Наука, 1980.

61. СНиП 11-23-81*. "Стальные конструкции", М. :Стройиздат, 1991.

62. СНиП II-7-81*. "Строительство в сейсмических районах", -М.:Госстрой России, 2000.

63. СНиП 2.06.01-86. "Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования." М.:Госстрой, 1987.

64. СНиП 2.01.07-85. "Нагрузки и воздействия." М.:Госстрой, 1985.

65. СТП 00117794-2-11.95. Механическое оборудование и специальные стальные конструкции гидротехнических сооружений /АО "Трест гидромонтаж"; Взамен СТП 031000-506-83; Введ. 01.01.96. 99с.

66. СТП 031000-507-86. Механическое оборудование гидротехнических сооружений. Обшивка затворов. Указания по расчету / Трест "Гидромонтаж"; Взамен СТП 31000-507-79; Введ.01.05.87. 22с.

67. Справочник проектировщика промышленных, жилых и общественных зданий и сооружений. Расчетно-теоретический. 1 том. Под ред. A.A. Уманского. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., Стройиздат,1972. 600с.

68. Справочник проектировщика промышленных, жилых и общественных зданий и сооружений. Расчетно-теоретический. 2 том. Под ред. A.A. Уманского. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., Стройиздат,1973. 416с.

69. Самарский A.A. Введение в численные методы.- М.: Наука, 1987. 459с.

70. Скворцова А.Е., Судакова В.Н. Цейтлин Б.В. Расчет сейсмических колебаний конструкций, взаимодействующих с жидкостью.

71. Научно технические проблемы прогнозирования надёжности и долговечности конструкций и методы их решения. Труды 4-й Международной конференции. С.-Петербург: "Нестор", 2001, с. 274 - 277.

72. Стрелецкий Н.С. материалы к курсу стальных конструкций. Вып2, ч.1. Работа сжатых стоек. Госстройиздат,1959. 510с.

73. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости.- М., "Наука", 1975, 576 с.

74. Тимошенко С.П., Янг Д.Х., Уивер У. Колебания в инженерном деле. М: Машиностроение, 1985. 472 с.

75. Уманский A.A., Вольмир A.C., Коданев А.И. Курс сопротивления материалов, ч. I и II. Академия им. Н.Е. Жуковского, 19531954. 602с.

76. Фрейшист А.Р., Мартенсон И.В., Розина И.Д., Повышение надежности механического оборудования и стальных конструкций гидротехнических сооружений-М.: Энергоатомиздат, 1987. 102с.

77. Филин А.П. Соколова A.C. Строительная механика корабля, ч.1 "Речной транспорт", 1957,565с.

78. Хилл Р. Математическая теория пластичности. ГИТТЛ, 1956.206с.

79. Шейнин. И.С. Колебания конструкций гидросооружений в жидкости. (Справочное пособие по динамике гидросооружений), ч. \.И Л., "Энергия", 1967,310 с.

80. Шимкович Д.А. Расчет конструкций в MSC/NASTRAN for Windows. ДМК, 2001. 448 с.

81. Шульман С.Г. Расчеты сейсмостойкости гидросооружений с учетом влияния водной среды. Л., "Энергия", 1976, С. 336.

82. Чугаев P.P. Гидравлика. Л.: Энергоиздат, 1982.-672с.85. //Обследование технического состояния 6-ти затворов Краснодарского водохранилища. Технический отчет. 1 ДО 12827. СПКТБ "Ленгидросталь". Санкт-Петербург 2003г.53с.

83. Barth С., Lutzkanov D. Moderne finite Elemente fur Scheiben und Schalen mit Drehfreiheitsgraden // Bauinformatik. 1995. H. 6. S. 2-5.

84. Westergaardt H.M. Pressures on Dams during Earthquakes // Proc. ASCE. 1931. Vol.57,No9.P. 1303-1318.

85. Sze K.Y., Chow C.L., Chen W.A. Rational formulation of isoparametric hybrid stress elements for three-dimensional stress analysis//fmite elements in analysis and design. 1990. Vol.7.P.61-72.

86. Dahlblom O., Peterson A., Peterson H. CALFEM a program for computer-aided learning of the finite element metod. Eng.Comput.,vol.3, N02,1986.

87. DIN 19704-1, DIN 19704-2, DIN19704-03. StahlwasserbautenTeil: Berechnungsgrundlagen: 1998-05.

88. Courant R. // Bull. Amer. Math. Soc. 1943. Vol. 49. P. 1-43.

89. Turner M., Clough R., Martin H., Topp L. // J. Aeronaut Sci. 1956. Vol. 23, №9. P. 805-823.

90. Felippa C., Introduction to Finite Element Methods, University of Colorado Press, 2002.

91. Middleton, J., Jones, M.L., Eds., Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. Gordon & Breach Science Publishers, 1998.

92. Niku-Lari A. Structural analysis system, (Sofware-Hardware, Capability Compability - Aplications). Pergamon Press, vol. 1-3, 1986.

93. Pilkey W., Saczalski K.,Schaeffer H. Structural Mechanics Computer Programs, Surveys, Assessments, and avialability. Univertsity Press of Virginia, 1974.

94. Zienkiewicz O.C., Taylor Robert L., Taylor R.L., Finite Element Method: Volume 1, The Basis. Butterworth-Heinemann, 2000. 712 p.

95. Zienkiewicz O.C., Taylor Robert L., Taylor R.L., Finite Element Method: Volume 2, Solid Mechanics. Butterworth-Heinemann, 2000. 480 p.