автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Совершенствование методов расчета и конструкций плит креплений в нижних бьефах гидросооружений

» Oii

ECEPOCClílCKWl HAT^KO-MCCISIíOBATEnECM HHCTür/T DIflFOTSniHrai II .VEJIKOPAIffllI jm. A.H. ICCCTHKOBA

Ha npamax pyxonucii 7K-C 627.838

emOPOBA CBETXffiA A3EKCEEBHA

C 03SPÜIEHCTB GB AHIIS METOJIQB PALETA XOECTP'iKffiíit IUHT ¡ÍPaUIEffi-¿l 3 HH3KIX IBEW EIJíFCC 0 OpyiEKIííl

Cneixnar&HOCTB 05.23.07 - r:mpo?9xh:rcec-Koe n MexiopaTUBHce GTpOHTejr&gteo

AsTopeíepaT

snccepraiiKn Ha concicaHae y^enoít crenesii KaHanaasa rexKimcKirc Hay:t

Mociaa IS94

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте гидротехники и мелиорации гк.А.К.Хостякоза

Научный руководитель: кандидат технические наук, доцент Лысенко П.Е.

Оффицкальные оппоненты: доктор технических нар:,

профессор Румянцев К.С.

кандидат технических наук, Лунацн М.З.

Ведущее предпргятие: Инженерный Центр "Соззводпроект"

Защита состоится " " ШХЛ^рЛ^ 1994 г.

в 10 час. на заседании диссертационного Совета - К 099.05.02 при Всероссийском научно-исследовательском институте гидротехники е мелиорации им. А.Н.Костякова

Автореферат разослав '■ 3 " 1994 г.

Отзыв, заверенный лечатьв учреждения, проспи направлять по адресу: 127550, Москва, Вольпая Академическая ул., 44, ВНЖГяМ, диссертационный совет

Ученый секретарь диссертационного совета

С.Ш.Забенко

ОШЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Одной из основных проблем надезности работы гидроузлов мелиоративного и комплексного назначения является обеспечение устойчивости крепления нижних бьефов водосброс -ннх сооружений. Отечественный и зарубежный опыт эксплуатации гидроузлов, результаты обследования, многочисленные литературные источники свидетельствуют о том, что в большинстве случаев при -чина'лп аварий гидроузлов являются разрушения конструкций креп -ления шиши бьефов. В то лее время крепление нижнего бьесЕа является самой дорогостоящей частья сооружения ж затраты на его реконструкции часто составляют более 50^ стоимости сооружения в цело:.!.

Аварии ипаних бьейоз водосбросных сооружений происходят не только в тех случаях, когда условия эксплуатации по каким-либо причинам резко расходятся с проектными условиями. Разрушение плит крепления наблюдаются и тогда, когда условия эксплуатации совпадают с расчетными. Главная причина разрушения конструкции водобоя и рисберш кроется в воздействии динамической пульсирующей нагрузки от водного потока и от подплнтного пространства на плиты крепления. Существующие методики расчета конструкций крепле -гоя нижнего бьефа, хотя и предусматривают болване коэффициенты запаса к значительно утязеляют плита крепления, тем не менее не дают гарантий устойчивости последних.

Актуальность диссертации состоит в том, что в ней предложена усовершенствованная методика расчета устойчивости плит крепления водобоя юш рисберш водосбросного сооружения. Методика разработана на базе теоретического и экспериментального исследований физических процессов нагрузки и перемещений плит.

Целью пабота является создание усовершенствованной методики расчета устойчивости плит крепления никнего бьефа, учитывав -щей их возможные перемещения при взаимодействия с водным потоком и основанием, при соблюдении уточненных условий сохранения устойчивости.

Задачи исследований. Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:

- разработать методики теоретических и экспериментальных исследований, процессов пере?лещениЗ плит крепленая под воздействием статических и пулъгсфузшх нагрузок с учетом реакции основания;

- проверить и уточнить существующие условия устойчивости плит крепления нтанего бьефа. Разработать услозие устойчивости, наиболее полно отвечающее естественному процессу перемещений (колебаний) плит крепления;

- получить экспериментальны:»! путем качественную и количественную картину перемещений (колебаний) плот крепления под воздействием водного потока и блеяния подплктеой зоны. Сопоставить результаты теоретических прогнозов перемещений (колебаний) плет крепления с опытными данными в проверить выполнение предложенного условия устойчивости;

- разработать методику расчета плит крепления устойчивых к воздействию статических и динамических нагрузок, возникающие в шшшх бьефах водосбросных гидросооружений.

Научная новизна.

1.-В диссерташш принята расчетная схема, в которой плита свободно колеблется под действующими нагрузками в системе "вод -ннй поток-плнта-оскование", как это и происходит в реальности. Е отличии от применяемых в настоящее время расчетных схем, никакие ■искусственных ограничений на перемещения плиты не предусматривается.

2. Разработаны способы исследований и отыскания частных решений уравнения колебания плиты аналитическими и численными методами для системы с одной степенью свободы, позволяющие, в частности, для заданного массива реализаций гидродинамической нагрузки нащщуз прогнозировать перемещения (колебания) плит крепления.

3. Предлоаено следующее расчетное условие устойчивости плиты крепления; "если под действием расчетных динамических и статических нагрузок плита колеблется, однако математическое озиданне ее положения за время действия нагрузки равно нули, то плита остается устойчивой. Согласно этому условию, устойчивость крепления сохраняется несмотря на действие взвешивавших сил и ненулевуа вероятность отрыва (0,3+0,4).

4. Получено экспериментальное подтверждение предложенного в диссертации условия устойчивости плит крепления. Установлено,что с ростом стандарта пульсации нагрузки происходит увеличение стандарта пульсации перемещений. Бри этом процесс потери устойчивости выглядит следующим образо;.:: с ростом нагрузки математическое онлдание шлокеняя плиты начинает перемещаться в сторону тленьпих

значений яцдкости системы (водный поток-плита-осноЕанзе), т.е. плита подвсплывает.

5. Предложена методика расчета предельного веса плиты крепления, которая под воздействием расчетных:нагрузок будет сохранять устойчивость при докных режимах сопряжения бьефов.

Практическая ценность работы. Выполненные в диссертации теоретические s экспериментальные исследования поззолилз разработать усовершенствованный метод расчета устойчивости плит крепления, находящихся под воздействием пульсирующих нагрузок. водного потока и с учетом реакции основания. Получены расчетные зависимости для определения толшшы плит крепления из условия их динамической устойчивости при донных режимах сопряжения бьефов.При-менение рекомендуемых Формул показывает возможность существенно-то уменьаения толщин плит без ущерба для их устойчивости и обосновывает возможность отказа от малоэффективных коэффициентов запаса, свойственных другим расчетным методикам.

Реализация работы. Расчетные рекомёндащш по материалам исследований, выполненных в диссертации, были включены в справочное пособие "Гидравлические расчеты водосбросных гидротехнических сооружений" (М.,Энергоа. томиздат, 1987), а также использованы при составлении "Рекомендаций по расчету водоподпорных сооружений на малых реках" (М., ЩЩЖ Н10 "Интермелиорация", 1990).

Адтюбащзд работы. Основные лолокения диссертации докладывались на Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов "Строительство ГЗС в высокогорных условиях" (Цхалтубо, ГНШЭиГС, IS86), на секциях гидротехники и гидравлики Ученого совета БКЖГпМ (IS83, I98S, 1994 гг.) л изложены в 5 публикациях.

Основные положения, внностсше на заоптт. На защиту выносятся следуадие основные положения и результаты диссертации:

1. Методика теоретических и экспериментальных исследований процесса перемещений плиты крепления водобоя или рисбермы, ко -леблзцейся в среде с переменной яесткостьэ под воздействием пульсирующей нагрузки водного потока и с учетом реакции основания.

2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, подтверхзаэцях предложенное з работе условие динамической устойчивости плит крепления, содержащее ненулевую вероятность отрыва п.тит от основания.

3. Методика расчета толщины плит крепленая, сохракяжпзс дп-на.\с:ч9скуэ устойчивость при донном режиме сопряжения бьефоз.

Объем работы. Диссертация излозена на стр.малинопис-ного текста, иизстрирозана 25 рисунками и 5 таблицами и состоит из предисловия, введения, пяти глав, заключения, основных выводов и списка литературы, вклвчаадего 90 наименований.

С0ДЕР1АШЕ РАБОТЫ

Первая глава. В первой главе выполнен критический обзор работ, посвященных изучению плптккх креплений нижних бьефов водосбросных гидросооружений. Рассмотрены результаты теоретических и экспериментальных исследований Н.С.Фомичева, Г.А.Юдицкого, Г.А. Паушкпка, А.И.Модзалевского, М.А.Данилова, В.М.Лятхера, Н.В.Халтуриной, О.В.Васильева, В.И.Дгкреева, А.А.Исаева в области пульсаций гидродинамического давления. Работы А.'Л.Швайнштейна, В.В. Камолкина, П.Е.Лысенко, О.Н.Черннх по изучению гидродинамических нагрузок в условиях конкретных конструктивных схем водопропуск -нкх сооружении. Работы Ь'.В.Сурма ж М.К.Поваляева по изучению устойчивости плит креплений. Были рассмотрены работы Е.Д.Кадомско-го, Д.И.Кумина, К.А.Преображенского, Д.А.Харкна, Л.С.Максимова, Л.В.МошКова, В.В.Суханова, посвященные изучению динамического взаимодействия плит креплении с потоком и основанием и методами их расчета.

3 работах, посвященных поискам решений уравнения динамического равновесия плит креплений, главным вопросом является определение понятия устойчивости плит или выбор расчетной схемы. Существующие подходы разных авторов мокко объединить в два основных направления. В первом, представленном в работах Д.Е.Кутана/ Г.А. Юднцкого, С.М.Слисского, К.С.Шейнина и др., расчетная схема предполагает непрерывный контакт плит креплений с основанием. Нагрузка считается приложенной квазпстатически. Уравнение динамического равновесия имеет вид дж^еренциального уравнения второго порядка с постоянными коэййлциентагл!.

Второе направление развивается в работах 0.К.Черных, В.Ы. Лятхера, Н.В.Халтуриной. Здесь расчетная схема предполагает нарушение контакта и отрыв плит креплений от оснозакия на допустимую величину. Нагрузка рассматривается пёременкой во времени. Коэффициенты в уравнении динамического равновесия становятся переменны^:. ¡Л.К.Поваляев более детально разработал эту концепция. Он использует случайную величину, характеризующую работу импульса пульсации давления, и вычисляемую по реализации пульсации на-

груз кг. Здесь необходимо отметить, что использование в расчетах новых случайных величин, по определению которых нет достаточно четких рекомендаций, мозет привести к существенным погрепностям.

Анализ известных подходов и методов, показал, что необходима расчетная схема, которая была бы адекватна реально:^ поведении плит креплений в низшие бьефах сооружений, а такяе методика теоретических и экспериментальных исследований,-позволяющих качественно и количественно описать динамические нагрузки и процессы колебания плит при расчетах.

Цель и задачи исследований, сформулированные на основании литературного обзора, приведены в вводной части реферата.

Во второй глазе выполнено исследование динамического равновесия плиты крепления. Математическая постановка задачи сеодп-'тся к решению диейеренцлального уравнения второго порядка с переменными коэффициентами для системы с одной степенью свободы. Уравнение движения (колебания) плиты записывается в ввде

2 + ган + чг2 = -таг ; (I >

0=0 fz) b)0-uyz) m=mlz),

где Z - перемещение плиты вдоль вертикальной оси; P(i)~ гидродинамическая нагрузка, 9 - коэффициент затухания колебаний плиты в воде; U)Q - собственная частота колебаний плиты; т -масса колеблющейся плиты.

Согласно расчетной схеме (puc. I, 2), среда, в которой происходят колебания плиты, имеет различные коэффициенты жесткости относительно расчетной границы грунта "0-0", и, следовательно , переменную жесткость системы. Поэтому в уравнение (I) вводится нелинейный коэффициент J( (2) в виде разрывной функции Гамельтона

' 0 при 2 < О

I пш Z 2-0 после чего уравнение (I) принимает вид

z +28Z + =-7Г" ' (2)

Для качественного анализа возданных реаеннй уравнения движения плиты (2) рассмотрено выражение для математического ожидания его правой и левой частей. После нормирования уравнения (2)' на величину Мр / mtO0 и ряда преобразований для математического

Рис. 2. Реализация нагрузки и перемещения.

о

"озедзнля получим -д 1

г(1 + jc №2'(i)dt = 1,0

(3)

где Мр - среднее математическое озидание нагрузку (условно статическая нагрузка); z = k/lz/Z0 - математическое ожидание отко -сптелького перемещения; М2 - математическое озаданзе перемене -ник; На= Мр/Кр - глубина внедрения плиты в грунт под действием условно статической нагрузки; Кг - коэффициент яесткости грунтового основания; центрированная переменная величина перемещения; оС - вероятность отрыва плиты от основания; Т^, -временной интервал реализации нагрузки.

Бкраяение (3) монет быть рассмотрено для двух характерных •случаев поведения плиты:

1. Плита находятся в контакте с грунтом значительную часть рассматриваемого временного интервала Тр , т.е.оС—О, J (¿)—i,Q

1? ,7*

Hz'CtWt— 0.

о _0

Тогда из (3) следует, что 2 — 1,0. Это означает,что при нахождении плиты на грунте основания, математическое озидание ее положения совпадает со статическим внедрением плиты в грунт основания под воздействием осрэдненной нагрузки МР .

2. Плита интенсивно колеблется и периодически отрнзается от грунта основания, однако, среднее математическое озиданпе Мг ее координаты совпадает с расчетной границей грунта основания или 2=0. Тогда из уравнения (3) следует, что среднее динами -ческое внедрение плктн в основание доляно быть равно ее статического знедрению под осредненной'нагрузкой Мр. Очевидно, это воз-мояйо, лищь при весьма существенной интенсивности колебаний плиты. Если допустить, что везде в зоне 2 4 С, пульсирующая компонента перемещения Z' распределена по нормальному закону, со стандартом пульсации перемещений СГг , то мэяко записать:

1

f

exp

VTQ^

■h

<Sk ' 12T

о

exp

- fl

УУ <oz J _

«1,0.

Подстановка условия н = 0 в уравнение (4) позволяет определить стандарт пульсирующей компоненты смещения плиты СГг / го= 2,5 при вероятности отрыва сС = 0,5, т.е. обозначить верхний предел устойчивости. ;

Анализ уразкений (3) и (4) показывает, что с увеличением интенсивности колебаний растет среднее математическое олш-дание положения плиты

Другими словами при заданной пульсации силы РШуменьше -ние ведет к росту п; увеличению пульсирующей компоненты смещения 2' с одновременным уменьшением 20 и изменением координаты среднего во времени изложения плиты. Такая взаимо -связь свидетельствует, что отношение статической осредненной нагрузки к стандарту пульсации Мр/<5*Р является основным параметром, определяющим среднее во времени положение плиты.

Для исследования уравнения даи&ения (2) численными методами оно с помощью подстановки М=2 было преобразовано в систему двух уравнений первого порядка. Б разностной форме система записывается в виде

2.А- V ьк

—о "

í/ = í/e + [±-PCt)-(ya/ÍH)Z-2flZ/jA¿

(5)

с начальными условия:«®

Pit)

t=o

>0,

t=o

о'

и

0.

t-o

Решение системы (5) выполнялось по методу Чудоиа. Правая часть уравнения (I) пли Pit)в уравнении (5) задавалась массивом значений центрированного случайного процесса нагрузки Pit), записанного при проведении экспериментов. Математическое ожидание нагрузки задавалось произвольно в диапазоне (0,5-5-5,0)6^. Временной интервал, действия нагрузки составлял ТР =3600 где =0,5 с - период наибольшей значащей частоты в спектре нагрузки. Шаг квантования нагрузки Pit) принят ео времени как 1/50 от ЧГ и равен 0,01 с.

Коэффициенты S, , /п а скорости перемещений t) = Z задавались как произвольные однозначные функции S , удовлетворяющие физическим ограничения:.! системы. Б расчетах принималось m = const, 9=KcJ0, бьЬ/к/m' при Н>0 и m^consî, б = С , CcJ0 = Q при H <о.

В результате решения системы (5) для массивов реализации нагрузки Р(£) получены массивы реализаций перемещения математическое ояидание координата плиты , стандарт процесса перемещений <3^ , абсолютные максимумы +• ^-ехе, к ~ пвремеще -ний. Определена продолжительность времени отрыва плиты от основания и общее число отрыЕоз за время Тр действия нагрузки.

Расчетные значения вероятности отрыва = и числа

отрывов л{ совпадали с экспериментальным! значения?.® этих величин, полученными в опытах, описание которых приведено низе.Был выполнен такхе полный статистический анализ реализации процесса перемещений г И),

Результаты расчетов (рис.3, 4) показали, что в устойчивой 'зоне осреднеккьпс нагрузок, характеризующейся значениями Мр/6^, = = 0,5-г0",7, математическое онидакне положения плиты = 0 при вероятностях отрыва = 0,3*-0,4 и стандарте пульсации С£/Н0 = = 1,54-2,0. В соответствии с принятой в диссертации гипотезой это означает, что плита колеблется около пояснения Мг= 0 с ненулевой вероятностью отрыва без потери устойчивости.

Увеличение вероятности отрыва и стандарта пульсации перемещений до пределов, оС= 0,5 и Мг/2С= 2,5 приводит к потере устойчивости л всплытию плиты. Результаты расчетов подтверждают анатаз уравнения (4).

Понимая под потерей устойчивости такое состояние плиты,когда математическое-окидачие ее перемещения становится меньше нуля, условие сохранения устойчивости могло записать в виде

мР > оС^в; , (б>

где "Мр=£пл-Р - статическая ссредненная нагрузка; оС^ =0,5-г0,7 -_число стандартов пульсации нагрузки, содержащееся в Мр при 2 =0; &пл- вес плиты в воде.

Расчетная формула имеет вид, аналогичный общепринятой йорму-ле Д.П.Кумпка, Г.А.Юдицкого и др.авторов, где потеря устойчивости ото.кдествляется с одноразовой потерей контакта плиты с грунтовым основанием

+ ^ • (7)

пл б" о

Разница заключается в том, что для выполнения условия сохранения непрерывного контакта плиты с основанием необходимо прини-

0,5 0,4

0,3

о,а 0,1

0,05

-Л

0,01 о;ооэ

хр-

0о=О,7 (Оа - о

<0„»4,5^н 80=Л,3(Д> - О

80=0.? ЦЛ.-Х

'4

'2101

Рис. 3, Зависимость вероятности отрива плиты оС от математического ожидания положения плиты

¿>а

9 = 1,3 и)а - 0

8°= - О

1Д>= 4,5 С0{Н 80= 1,3С^о - П

0 = О,7о)0 "X

в О

Н/Яо

Рис. 4. Зависимость осредненной нагрузки Мр ^математического ожидания положения плиты 2/ 20 •

мать оС= 4,0-5-5,0. В методике М.К.Повалязва, где потери устойчивости отождествляется с отрывом плиты ог основания на больпуэ , чем допустимая л Н , величину, число стандартов пульсации нагрузки принимается 1,5-5-2,0.

В третьей глазе описываются методика и результаты экспериментальных исследований, выполненных для получения качественных и количественных характеристик процесса перемещений (колебаний)плит под действием пульсирующих нагрузок с учетом влияния подплитной области.

Опыты проводились для случая дренированной плиты крепления. .•Выполненная из органического стекла герметичная коробка с переменным весом и размерами 57x57x6,1 см моделировала плиту. Давление в подплитной области тахзе могло изменяться в процессе экспериме-' нтов.

По углам плиты были вмонтированы латунные иглы, опирающиеся на латунные стойки и образующие электрические контактные группы, фиксирующие отрыв плиты ео время проведения опытов. На плите и под плитой были установлены индуктивные датчики давления, соединенные с регистрирующей аппаратурой. Вся конструкция располага -лась на дне бетонного лотка размерами 1,0x1,0x12,0 м.

Опыты проводились в двух гидравлических резн;плах, имитирующих условия работа плитк как водобоя п рисбермы. В первом реаиме плита находилась под лрнжсом, во втором - за прнзком. Длина -прыжка во всех опытах составляла ¿п? = 235 см.

В процессе опытов вес плиты менялся от 4 до 20 кг з воде.Под-плитное основание моделировалось заполнением подплитной коробки сначала еодоЙ, а затем уплотненным водонаснщенным мелким песком с диаметром частиц с/СР = 0,1...0,15 мм. В части опытов жесткие латунные контакты заменялась на гибкие. В каждом опыте ступенчато изменялось осредненное давление под плитой до полного разрыва четырех контактов.

Пси проведении опытов, велась непрерывная запись пульсируй -сих нагрузок, фиксировались все гидравлические параметры потока, время отрывов Тот и количество отркЕов . Размыкание одного из ксятактоз с частотой I.. .2 раза за минуту наблюдения считаюсь началом потери устойчивости плнтн при исследуемом резпме.

3 результате экспериментов получены данные, характеризующие перемещения плиты с момента нарушения контакта с основанием до полного взвепиванда. Изучена общая картина перемещения плиты и

•основные характеризующие показатели: вероятность отрыва оС и частотная характеристика колебаний плиты ^ .

Получены статистические характеристики процесса пульсации давлений и переведений для исследованных гидравлические резпмэв. Ведущая частота, отвечающая первому локальному пику спектральной плотности пульсации давленая над плитой в реашле "прыгок на плите" составила = 1,7 гц, стандарт пульсаций = 4,17 см. Б резиме "плита за прыжок" ведущая частота о)гн= 1,3 гц, стандарт пульсаций <3^ = 1,77 с:л.

Спектральный анализ показал, что уменьшение стандарта пульсаций с переходом от одного резкма к другого, происходит, глав -нкм образом, за счет уменьшения высокочастотных компонент пульса. ций давления (с частотой вше I гц), а вклад низкочастотных компонент в стандарт пульсаций уменьшается всего на 15/5, что не противоречит известным данным. Полученные опытные значения использовались при расчетах.

В четвертой главе сопоставляются и анализируются результаты теоретических исследований, расчетов и опытные данные. Выполнено сравнение с результатами других авторов.

На рис. 5, 6 приведены результаты расчета и опытные данные зависимостей вероятности отрыва оС к относительного числа отрывов 1* от нагрузки Р / Япш для первого режима.

В ратаме "плита на водобое" наблюдается более существенный разброс опытных точек на графиках <&<£(? / Ртах) и т)=>М Р/'Р^й«.) по сравнению с рекимоы "плита на рисберме". Это объясняется большей интенсивностью высокочастотных компонент пульсации и большей общей низкочастотной компонентной или нестационарностью потока в первом рениме.

Максимум числа отрывов плиты по любым комбинациям контактов, в единицу времени происходит при Р/(^ах-0,6т-0,9 и постоянно соответствует вероятности отрыва плиты от основания ¿-О,35*0,55. Это означает, что математическое оявдаяие положения плиты совпадает с плоскостью контактов. Действительно, случайный процесс имеет максимум числа пересечений заданного уровня ка уровне своего математического онндания.

Теоретические оценки к расчеты устойчивости такясе показывают, что устойчивая зона осредненных нагрузок обнаруживается при М?/СГР -0,5+0,7 и вероятностях с<Г = 0,3+0,4. Таким образом, получено подтверждение расчетной формулы (6) с использованием ве-

о 0>

Способы опкракил Бес пл итк. УГ

4 '¿и

жесткие стойки в веде жесткие стойки в грунте мягкие стойки в грунте & □ О ж. ■ •

-ЧМ? 1.0---<Ч/ч- 4.5

2-

_о

с*

■о

Со

о *8

► о

->

В > О-О-

► шо с

Способы опирают

жесткие стойки в воде жесткие сто{-ки в грунте

МЯГКИ® спорки в грунте

^ес пдиты,кг

4

Л □

О

20

А ■

а о

в

Ово-

а>£

оаэ ^зо

е

СОК* В НУ

►ра>вв

а с> •

;лкчины 0,7*1,0.

Значение W Р[Л>1= = (3,0-5-4,0) , также не противоре -Ч1:т результатам опытов. Тенденция изменения абсолютное значений VQ , обнаруженная в расчетах, подтверждается опытами. При осре-днеяных нагрузках в диапазоне Мр~(0,5 * 0,7)0^ , что соответствует положению 5-0, спектры и корреляционные функции являются вполне устойчивыми, что дополнительно свидетельствует о допустимости работы плиты в этой области длительное время.

Б предложенной методике прогнозирования перемещений плиты крепления значение может быть снижено до e^Vj2=о = 0,7*1,0, при сохранении общей устойчивости в отличив от других авторов,рекомендующих г>а= 4,0+5,0. .

При прочих равных условиях, уменьшение значения «^.приводит к уменьшения толлциш плиты крепления. При 1,0 это уменьшение составляет о? 20 до 80£.

• В пятой тлаве изложена методика расчетов устойчивости плит крепления для случая плоскопараллельного вертикального перемещения (всплытия-погружения).

Возможность изменения подходов к назначению расчетной нагрузки обосновывается следувщпми рассуждениями. Ба короткое время действия импульса Р' , благодаря значительной инерционности системы "вода-плита-основание", плита не может пройти значительное . расстояние. По окончании действия импульса, плита возвращается в прежнее состояние, потери устойчивости, в данном случае всплытия, " не происходят.

Назначение расчетной нагрузки после изучения прогноза возможных перемещений плит под действием пульсирующей нагрузки является более корректным. Однако здесь требуется переход от квазн -статической к динамической постановке задачи.

При динамической постановке условие мгновенного равновесия под действием нагрузки Р= Р + Р' записывается в виде

G > Р + к9Пбр, (8)

где С - вес плиты в воде; Р - суммарная осредненная нагрузка на плиту; Р' - пульсацпонная нагрузи на плиту; К9п=Мр/ 6"р -коэффициент динамичности.

Таким образом задача сеодптся к нахождению коэффициента динамичности системы для такого ее состояния, когда математическое ожидание положения плиты М_ = 0.

Определение толщины плоты крепления, сохраняющей динамическое равновесие под дейстзием пульсирующих нагрузок выполняется в следующей последовательности:

I. Определяются параметры системы:

1.1. Основные гидравлические характеристики потока:

- осредяеннач глубина воды над платой, м; Икр - критическая глубина потока, м; £0 - превышение отметки верхнего бьефа над отметкой с."^ато2 глубины в низнем бьефе, м; Яг - число Фруда в «агатом сечекпя.

1.2. Основные статистические характеристики пульсирующей нагрузки:

стандарт пульсации нагрузки по графику зависимости = ^ С Е0 / \ р) ; ведущая (преобладающая) частота нагрузки по графику зависимости и-та по первому локальному пику

в спектре пульсационной нагрузки, если есть данные статистичес -кого анализа реализации нагрузки.

1.3. Основные частотные характеристики спстеглы:

- частотный шояателд

I -' пл

- собственная частота колебаний плиты на грунте

(л - К 11 1 +

где Ро = 10 м2 - площадь штампа сзатия грунта; площадь

плиты, м2; § - назначаемая толщина плиты, м; й0 - коэффициент,

отвечающий характеристикам грунта ( Ь0 = 1...1.5 от песка до кру-

пкообломочного грунта), м"*^; Е - модуль деформации грунта,

Тс/м2: Р - плотность мзтеспала плиты, Тс-сек^/м4. ■""Л ' и

- коэффициент динамичности системы

Нап =

Г з;

м2=о

(Ю)

когда вес плиты уравновешивает динамическую пульсирующую нагрузку, определяемый по графику зависимости М= / /) (рис.7).

2. расчетная толщина плиты крепления, которая обеспечивает условие динамической устойчивости определяется по фор:.г/ле

1,0

0,9

0,8

0,7

0,6 0,5

0,4 0,3

0,2

ОД

0

01 2 3 4 56 7 8 9 10 1Ь 12

Рис. 7. Зависимость критериев устойчивости плит К8п=Мр/6"р,(ТгЪУТР от частотных характеристик системы Ц/ц^ .

> 7у~гт~Г & ' (П)

* °>л 4«'

где ¡0 - объемный вес воды, Тс/г/3; - объемный вес материала плиты, Гс/ы3.

Оптимальное значение коэффициента динамичности, отвечающее условиям динамической устойчивости плиты = 0,7.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ''

I. В динамической системе "водный поток-плита крепления -основание" появление пульсирующей нагрузки вызывает соответствующую пульсирующую деформацию (колебание плиты). За короткое, время действия импульса плата не дажет переместиться на большое расстояние из-за значительной инерции системы. По окончании дейст-

. „I а.

ч \

£

N —'

с [У \

\тР- Тр

•

и л/а бк—

1 1

вия импульса плита воззращается з прежнее равновесное состояние и потери устойчивости не происходит. Таким образом, применяемые в настоящее время в расчетах условия, трактующие потерю устойчивости плиты как однократный отрыв от основания ш отрыв на заданную величину, являются лишь приближением к реальности и нуждаются в" корректировке.

2. Б диссертации рассмотрено уравнение колебаний плитк,пре- ■ дставляющее собой линейное дифференциальное уравнение второго порядка с переменны:,ш коэффициентами и случайной правой частью.По-сле ряда новообразований и допущении, уравнение приведено к виду, доступному для исследования и поиска частных решений аналитически;.© и численными методами.

3. Установлено, что в динамической системе "водный поток -

• плпта-осноЕание" появление пульсирующей нагрузки и соответствующих ей колебаний системы вызывает некоторое осредненное перемещение плиты от ее первоначального состояния, т.е. относительно осп 0-0. Математическое ожидание полонения плиты в этом случае .является, в основном, функцией коэффициента динамичности - отнощение осредненной статической нагрузки к стандарту пульсирующей нагрузки.

4. Для описания устойчивого состояния плиты в диссертации предложено следующее расчетное условие: если плита под дейстзием динамической пульсирующей нагрузки колеблется вниз и вверх относительно оси 0-0, ко математическое ожидание ее перемещения равно нуля, то плита считается устойчивой.

5. Анализ уравнения колебаний позволил установить, что состояние предельной устойчивости плиты наступает при значениях коэффициента динамичности 0,5 + 0,7, при этом вероятность отрыва составляет 0,3 + 0,4. Дальнейшее увеличение пульсирующей составляющей нагрузки ведет к потере устойчивости плиты.

В динамической системе с переменной яесткостью потеря устойчивости означает появление осредненного перемещения в сторону среды с меньшей гесткостыэ (вода), т.е. всплытие плиты.

6. Экспериментальные исследования, выполненные на модели плиты крепленпя, работающей в услозиях водобоя и рисбермы, подтвердили основные результаты исследования уравнения колебаний аналитическими и численными методами. Записанные в опытах массивы реализаций динагягеескпс нагрузок использовались в качестве случайной. правой части при определении массивов реализации перемещений

модели шшты численными методами.

7. По результатам теоретических и экспериментальных исследований разработана методика определения толщины плит крепления водобоя и рисбермы, сохраняющих устойчивость под действием, динамических нагрузок при донных режимах сопряжения бьефов. Методика показывает возможность существенного уменьшения толщины плит беа ущерба для их устойчивости, т.е. обосновывает возможность отказа от неэффективных коэффициентов запаса.

Основное содержание диссертации опубликовано' в следующих работах:

1. Сидорова С.А. 'Устойчивость плит крепления нижнего бьефа при динамическом воздействии потока и грунта основания". Тезисы докладов Всесоюзной конференции молодых специалистов. "Строительство ГЭС в высокогорных условиях" (Цхалтубо, октябрь 1986"г.).

2. Сидорова С.А. "Экспериментальное определение коэффициента динамичности плиты крепления нижнего бьефа". Материалы докладов Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов". Повышение эффективности мелиорируемых земель и водохозяйственное строительство" (Тбилиси, февраль 1987 г.) ГрузНИИГиМ.

3. Сидорова С.А. "Методика постановки динамических измере -кий при исследовании взаимодействия элементов гидросооружений с потоком воды". Тезисы доклздов Всесоюзного совещания "Научное обеспечение повышения эффективности использования мелиорируемых земель". (Москва, 22-24 апреля 1987 г.) ВШШГйЛ. (в соавторстве).

4. Сидорова С.А. "Математическая модель колебаний плит креплений". Гидравлика, методы расчета и средства автоматизации в гидротехническом строительстве. Труды ВНИИГиМ г.82, Москва, 1991г. (в соавторстве).

5. Sidorova S.A. "Interaction. о£ outlet тгозгкз and aoil fondation in nodelling". îroceedings of international synposi-un "Liodelling Soil - tfater - Structure interactions" SOJAS,

Rotterdan, (Délit) ISBII, î! 906191, 8154-, Aus.1989. (в соавторстве).