автореферат диссертации по транспорту, 05.22.19, диссертация на тему:Влияние отрицательных температур на напряженно-деформированное состояние стен камер судоходных шлюзов

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1.Обзор современного состояния проблемы.

1.1 Учет блочных швов при расчете гидротехнических сооружений на температурные напряжения.

1.2. Температурные напряжения в бетонном массиве и в железобетонных сооружениях.

1.3. Температурные исследования, проводимые на судоходных ф шлюзах.

1.4. Контрольно-измерительная аппаратура, применяемая на шлюзе №8 ВБВП.

1.5. Выводы.

Глава 2 Обработка экспериментальных данных. ф 2.1 .Метод наименьших квадратов.

2.2 Применение метода наименьших квадратов для аппроксимации и сглаживания экспериментальных данных.

2.2.1. Изменение температуры воздуха во времени.

2.2.2. Изменение температуры бетона во времени.

2.2.3. Распределение температуры внутри тела.

2.2.4. Распределение напряжения в арматуре тыловой грани.

2.2.5. Раскрытие межблочного строительного шва.

2.3. Выводы

Глава 3.Математическая модель стенки камеры судоходного шлюза.

3.1. Метод исследования напряженно-деформированного состояния стенки камеры шлюза.

3.2. Подготовка необходимых данных для расчета.

3.3. Расчет по предельным состояниям и температурный расчет.

Глава 4. Расчет напряженно-деформированного состояния стенки шлюзовой камеры с учетом температуры воздуха.

4.1. Описание программного обеспечения и необходимого оборудования.

4.2. Математический аппарат компьютерного расчета.

4.3. Расчетная схема без учета раскрытия швов.

4.4 Расчет по математической модели, учитывающей раскрытие межблочных строительных швов от температурных воздействий. ф 4.5. Расчет по математической модели, учитывающей нелинейность распространения температуры внутри бетона при изменении температуры окружающего воздуха.

4.6. Выводы по трем предложенным вариантам расчетных схем.

Актуальность проблемы

Зарубежный и отечественный опыт длительной эксплуатации массивных армированных бетонных стен шлюзовых сооружений показал, что ресурс их прочности и надежности после 40.50 лет работы практически исчерпывается. Объясняется это несовершенством учета воздействия температур на напряженное состояние стен и объективными закономерностями перераспределения внутренних усилий в стенках и обратных засыпках вследствие изменения с течением времени прочностных и деформационных характеристик бетона и грунтов. Это обстоятельство и необходимость разработки научно обоснованных ресурсосберегающих технологий по продлению сроков службы до 100 лет и более с учетом выявленных конструктивных недостатков и деструктивных особенностей обусловили пересмотр физических основ сопротивления реальных конструкций. В настоящее время отсутствует совершенная методика прочностных расчетов гидротехнических сооружений, в которой учитывается потеря надежности за счет временных изменений в объекте.

Существующие методики не позволяют точно оценить остаточную несущую способность действующих гидротехнических сооружений, что влечет за собой непредвиденные материальные затраты на ремонт и реконструкцию. Точные прочностные расчеты дают возможность оптимизации проектируемых железобетонных конструкций, что позволяет внедрять ресурсосберегающие технологии.

Цель работы

Целью работы является определение степени влияния отрицательных температур на напряженное состояние стен камер судоходных шлюзов получивших деформацию лицевой грани вследствие раскрытия строительных швов и локальных повреждений.

Методика исследований

Натурные данные за состоянием стен камеры шлюза №8 Волго-Балтийского водного пути были получены путем наблюдений по дистанционной контрольно-измерительной аппаратуре за период с 1990 по 2004 год. Данные наблюдений получили математическое описание функциональными зависимостями по методу наименьших квадратов. Трехмерное моделирование исследуемых объектов производилось с помощью пакета SolidWorks. Прочностные расчеты производились с помощью пакета COSMOSWorks.

Научная новизна результатов работы

1. На основе анализа натурных наблюдений установлена нелинейная зависимость изменения температуры от лицевой грани стен к тыловой грани в сторону засыпки.

2. Предложен метод определения несущей способности стен камер судоходных шлюзов в условиях воздействия отрицательных температур воздуха, вызывающих раскрытие строительных швов на лицевой грани.

3. Предложена математическая модель расчета, учитывающая блочную разрезку консольных конструкций стен камер, и выполнены расчеты напряженного состояния.

Практическая значимость работы

Метод позволяет производить прочностные расчеты стен камер судоходных гидротехнических сооружений, получивших локальные повреждения лицевой грани, включая температурное раскрытие горизонтальных строительных швов.

Апробация работы

Основные положения работы докладывались на 5 - ой международной конференции "Акватерра" в ноябре 2002 года в Санкт - Петербурге; научно-практической конференции « Об обеспечении безопасности и надежности судоходных гидротехнических сооружений» в сентябре 2005 года в городе Перми.

Промежуточные результаты диссертационного исследования докладывались автором на научно-технических конференциях 2004, 2005 г.г в СПбГУВК; расширенном заседании кафедры гидротехнических сооружений, конструкций и ' гидравлики и кафедры портов, строительного производства, оснований и фундаментов в октябре 2005 года.

Основные результаты исследований опубликованы в 4 печатных работах автора.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Представлены результаты анализа натурных наблюдений в судоходных шлюзах: Шекснинского гидроузла, Балаковского шлюза, Городецкого шлюза, Канала им. Москвы (Яхромской РГС), Волгоградском шлюзе, по которым установлено нелинейное распределение температуры бетона от поверхности лицевой грани в сторону тыловой грани.

2. Установлено, что воздействие отрицательных температур наружного воздуха на лицевую грань шлюзов приводит к раскрытию горизонтальных строительных швов, что в свою очередь приводит к увеличению напряжений в арматуре тыловой грани.

3. Разработана методика расчета, учитывающая температурное расширение строительных швов на лицевой грани стен, при этом впервые в расчетной схеме применяется разрезка консольной конструкции стены на отдельные блоки.

Основные результаты выполненных исследований в работе сводятся к следующему:

1. Установлено натурными исследованиями нелинейное распределение температуры в бетоне по направлению от лицевой грани в сторону засыпки, что приводит к увеличению температурных напряжений, и в свою очередь приводит к раскрытию строительных швов и, следовательно, к увеличению напряжений в арматуре тыловой грани.

2. Расчетным путем и натурными наблюдениями выявлены зависимости влияния перепадов температур в межнавигационный период на напряженно-деформированное состояние стен камер шлюзов.

3. Из трех предложенных вариантов расчетных схем с учётом разрезки стены шлюза строительными швами, выбран оптимальный, учитывающий раскрытие межблочных строительных швов, и предложен к дальнейшему применению для определения несущей способности стен камер судоходных шлюзов в условиях воздействия отрицательных температур воздуха.

4.Разработана методика построения математической модели, позволяющая учесть сложное взаимодействие сооружения с окружающей средой, а также условия его эксплуатации. Это указывает на рост значимости натурных исследований и, следовательно, о необходимости совершенствования методик съема и обработки натурных данных, в том числе с помощью современных компьютерных технологий. Достоверность методики и результатов расчетов подтверждена данными натурных исследований.

Перспективы применения расчета методом конечных элементов с помощью ПК.

В настоящее время, с постоянным ростом производительности ПК, открываются следующие возможности в вопросах конструктивной оптимизации гидротехнических сооружений:

- в данной работе производился расчет участка конкретной стенки камеры шлюза. В дальнейшем появятся возможности обрабатывать математические модели всего шлюза. Технических проблем в построении таких математических моделей нет уже сейчас. Возможно, будет учитывать конструктивные элементы, которые придают объекту дополнительную жесткость — анкерные заделки, рымовые ниши, ребра жесткости;

- при построении сетки были ограничения по наименьшему размеру, который можно разбить на конечные элементы. Для получения достоверных результатов в данном программном обеспечении рекомендуется разбивать наименьший объект, как минимум, на три слоя. Это влечет за собой увеличение общего количества конечных элементов в сетке;

- во время построения математической модели в будущем можно будет учитывать все мельчайшие конструктивные элементы;

- критерием качества построения сетки, в данном случае, являлось количество конечных элементов математической модели, которое вмещает в себя оперативная память. В дальнейшем при построении сетки будут интересовать только параметры сходимости;

- вскоре появи'у^я возможность производить все расчеты в динамике и с учетом изменений наружной температуры, независимо от количества итераций;

- перестанет пугать простое увеличение количества конечных элементов.

Следствием всех этих новых возможностей будет только увеличение точности вычислений.

С появлением новых высокоточных датчиков напряжений и перемещений появляется возможность провести ряд дополнительных исследований. Данные таких исследований позволят в будущем по граничным параметрам напряжений и раскрытию строительных швов восстанавливать картину напряжений в массивах бетона и в арматуре. Это позволит делать выводы не только о ремонтопригодности уже существующих объектов, но и по методу аналогий рассчитывать степень армирования проектируемых гидротехнических сооружений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. Абрамов Л.И, Казарновский В.А, Шрейбер А.К. Расчёт раскрытия межстолбчатых швов массивно-контрфорсных плотин. М.:Энергия ,1974.-94 с.

2. Александрова Н.В. Математические термины: Справочник. -М.: Высш.jшк., 1978. -190 с.

3. Арнольд Л.В., Михайловский Г.А., Селиверстов В.М. Техническая термодинамика и теплопередача. -М.: Высш. шк., 1979 .-446 с.

4. Александров В.П. Оценка состояния стен камер шлюзов // Речной транспорт, 1984, № 7.-С.39-40.

5. Амосов А.А., Дубинский Ю.А., Копченова Н.В. Вычислительные методы для инженеров.- М.: Высш. шк., 1994. -544 с;

6. Алямовский А.А. Инженерный анализ методом конечных элементов. SolidWorks/COSMOSWorks.- М.: ДМК Пресс, 2004.-432 с.

7. Березин И.С., Жидков Н.П. Методы вычислений. Т1,2. -М.: Наука, 1966.108 с.

8. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. -М.: Наука, 1986. -544 с.

9. Водолазкина В.И, Ермакова Н.Н. Результаты натурных наблюдений за камерами Балаковского шлюза // Информационный сборник «Наука и техника на речном транспорте».- М.: Центральное бюро научно-технической информации речного транспорта, 1994 г.-С.13-28.

10. Гавурин М.К. Лекцци по методам вычислений. -М.: Наука, 1971. -248 с.1. V I

11. Гришин М.М., Слиский С.М. и др. Гидротехнические сооружения. 4.1 М.: Высш. шк., 1979.- с. 137.

12. Горинштейн A.M. Практика решения инженерных задач на ЭВМ.- М.: Радио и связь, 1984.- 232 с.

13. Галлагер Р. Метод конечных элементов / Основы. Перевод с английского В.М. Картвелишвили под редакцией Н.В. Баничука .-М.: Мир, 1984. -510 с.

14. Гольцман В.Х. О некоторых особенностях расчетов уголковых подпорных стен //Гидротехническое строительство, 1987,№4.-С.54.

15. Герасимович А.И., Рысюк Н.А. Математический анализ: справочное пособие для студентов втузов и инженеров: В 2 т. Т.1.- Минск: Вышэйш. шк., 1989.- 288 с.

16. Демидович Б.П., Марон И.А. Основы вычислительной математики, Физматгиз, 1962.-235 с.

17. Дороговцев А.Я. Математический анализ: Справочное пособие для преподавателей математики, инженерно-технических работников и студентов.-Киев: Вища школа, 1985.- 528 с.

18. Дурчева В.Н. Натурные исследования монолитности высоких бетонных пластин. -М.: Энергоатомиздат, 1988.-С. 74-83.

19. Лен.отделение, 1989 .-С. 90-94.

20. Дурчева В.Н., Майорова М.А. Статистические методы анализа состояния бетонных плотин //Известия ВНИИГ имени Б.Е.Веденеева. Т.241.-СПб., 2002.-С. 120-126. ^

21. Добрецова И.В., Корсакова Л.В., Юделевич А. естия ВНИИГ имени Б.Е.Веденеева. Т.241.- СПб., 2002.- С. 163-168.

22. Иванов В.В. Методы вычислений на ЭВМ: Справочное пособие. -Киев: Наук, думка, 1986. -584 с.

23. Крылов В.И., Бобков В.В., Монастырный П.И. Вычислительные методы: в 2 т. Т.1.- М.: Наука, 1976.- 304 с.

24. Колосов М.А., Ю.А.Киселев. Научно-технический отчет по теме «Расчет железобетонной камеры шлюза №8 Волго-Балтийского канала».-СПб.: ПЦ СПбГУВК, 2001.-39 с.

25. Киселев Ю.А. Статический расчет упругих систем методом конечных элементов на персональных компьютерах.- СПб.: ПЦ СПбГУВК, 1995. -30 с.

26. Кирилов А.П., Николаев В.Б. Прочность строительных швов в железобетонных конструкциях гидротехнических сооружений.//Рекомендации по внедрению передового опыта.- М.: Информэнерго, 1976.- С. 31-32.

27. Кириллов А.П., Николаев В.Б. и др. Прочность железобетонных конструкций гидросооружений, имеющих блочные швы// Гидротехническое строительство, 1979, №12.-С. 22-27.

28. Колосов М.А., Семенов А.А. Проект судоходного канала «Ладога-Финский залив». Материалы 5-ой Международной специализированной конференции «Aquaterra-2002». СПб.: Энергоатомпроект, 2002. - С. 81.

29. Кац А.С. Исследования деформативных и прочностных свойств бетонов при отрицательной температуре: Афтореф. дис. на соиск. ученой степени канд. техн. наук.- ВНИИГ, 1969 .-40 с.

30. Лихачев В.П. и др. Методы расчета устойчивости и прочности гидротехнических сооружений. -М.: Стройиздат, 1966. -198 с.

31. Михайлов А.В. Судоходные шлюзы.- М.: Транспорт, 1966.-528 с.

32. Маслов Г.Н. Температурные напряжения и деформации бетонных массивов на основе теории упругости // Бетонные и железобетонные сооружения. Известия ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева. Т.232.4.2.- СПб., 1996.- С.16-20.

33. Ни В.Е. О прочности стен камер шлюзов.// Гидротехническое строительство, 1982, №9.- с. 35-38.

34. Петрашень Р.Н. О необходимости учёта блочных швов при расчёте ГТС на температурные напряжения //Труды Гидропроекта ,Сб .2.- М.,1959.-С.118-131.

35. Прохоренко В.П. SolidWorks.npaKTH4ecKoe руководство. М.: Бином -Пресс ,2004.-448 с.

36. Сахновский К.В. Железобетонные конструкции. М.: Госстройиздат, 1959.- 839 с.

37. Симанов Н.А., Варламов Н.Н., Баланин В.В. Судоходные каналы, шлюзы и судоподъемники. М.: Транспорт, 1970. -227 с.

38. Справочник проектировщика. Т.1.- М.: Стройиздат, 1972. -168 с.

39. Сегерлинд JI. Применение метода конечных элементов. Перевод с английского канд.физ.-мат. Наук А.А.Шестакова под редакцией д-ра физ.-мат наук Б.Е. Победри.- М.: Мир, 1979.- 540 с.

40. СНиП 2.01.01-82.Строительная климатология и геофизика.- М.:ЦИТП Госстроя СССР, 1982.- 35 с.

41. Справочник по математике для научных работников и инженеров.- М.: Наука, 1984.-286 с.

42. СНиП 2.06.06-85. Плотины бетонные и железобетонные,- М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986. 37 с.

43. СНиП 2.06.01-86. Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования.- М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1987 .-35 с.

44. СНиП 2.06.07-87. Подпорные стены, судоходные шлюзы, рыбопропускные и рыбозащитные сооружения.- М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1987.- 34 с.

45. СНиП 2.06.08-87. Пособие по проектированию бетонных и" железобетонных конструкций гидротехнических сооружений,- JL: ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, 1991.- 276 с.

46. Семенов А.А. Раскрытие строительных швов в лицевых гранях камер шлюзов. Труды научной конференции студентов и аспирантов СПб.: ИПЦ СПГУВК, 2004.- С.315-318.

47. Семенов А.А, Карпова И.С. Исследование напряженного состояния стен камер судоходных шлюзов при воздействии отрицательных температур.

48. Межвузовский сб. науч. тр. Информационные технологии и системы. Транспорт, экономика, управление. СПб.: Андреевский Издательский дом, 2005.-С. 52-55.

49. Технический отчёт о строительстве Волго-Балтийского водного пути им. В.И.Ленина: Центральный институт нормативных исслед. и научно -технич. информ. «Оргтрансстроя» Минтранса СССР. Т.5.М.,1968.- 310 с.

50. Технический отчёт. Систематическое инструментальное обследование стенки камеры Волгоградского шлюза. Ответственный исполнитель А.Павлова //Труды Гидропроекта. Волгоград, 1971.- С.35-46.

51. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. М.: Наука, 1979.- 560с.

52. Тавров В. Н. Анализ наблюдений и исследований на Новосибирском шлюзе. Информационно-технический сборник «Водные пути и гидросооружения».- М.: Центральное бюро научно-технической информации речного транспорта. 1990.- С.1-5.

53. Уиттекер Э., Робинсон Г. Математическая обработка результатов наблюдений, ОНТИ, 1935.-365 с.

54. Фрид С.А. Температурные напряжения в бетонных й железобетонных конструкциях гидротехнических сооружений.- М.-Л.: Госэнергоиздат, 1959.72 с.

55. Фрид С.А. Основные принципы обеспечения трещиноустойчивости в массивных бетонных плотин в условиях Сибири,// Гидротехническое строительство, 1964, №1.- С. 8-10.

56. Шестаков А.С. Предварительный анализ данных наблюдений по приборам опытной секции №3 шлюза №8, Городецком шлюзе //Труды ЛИВТа., 1998. -С.35-49.

57. Шестаков А.С. Методы и средства повышения эксплуатационных качеств судоходных шлюзов: Автореф. дис. док. техн. наук. СПб., 2001. - 41с.

58. Щербина В.И., Рубин О.Д., Ни В.Е. Эксплуатация, оценка состояния и разработка мероприятий по повышению надежности шлюзов канала имени

59. Москвы: Сб. науч. тр. Серия: Гидроэлектростанции.- М.: Информэнерго, 1989, Вып. 7. С. 56.

60. Эйдельман С.Я. Технические указания по установке контрольно-измерительных приборов в гидротехнические сооружения, производству отчетов и первичной их обработке ( проект). Д.: Энергия, 1964. - 124 с.

61. Эйдельман С.Я. Натурные исследования бетонной плотины Братской ГЭС.- Л.: Энергия ,1975.- 293 с.

62. Wough W.R. Experience in controlling temperatures and cracking in mass concrete dams. Trans. The 5 Congress on Large Dams, New York, 1958, Q. 21, R. 93.