CC BY
45
ТЕРМОНАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ
МНОГОСЛОЙНОГО СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННОГО ВОДОВОДА В СОСТАВЕ КОНСТРУКЦИИ ГИДРОТЕХНИЧЕСКОГО СООРУЖЕНИЯ
Лидия Николаевна Гахова
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, старший научный сотрудник лаборатории диагностики механического состояния массива горных пород, тел. (383)217-03-37, e-mail: gahoval@mail.ru
По результатам численного моделирования выполнена оценка напряженного состояния турбинного сталежелезобетонного водовода гидротехнического сооружения при размещении его непосредственно в теле сооружения и на его поверхности. Показано, что в климатических условиях Сибири по условиям термонапряженного состояния размещение водовода в бетоне сооружения более эффективно.
Ключевые слова: сталежелезобетонный водовод, численное моделирование,
квазистатическая термоупругость, напряженное состояние.
THERMAL STRESS OF MULTI-LAYER STEEL-AND-CONCRETE CONDUIT IN THE STRUCTURE OF WATERWORKS
Lidia N. Gakhova
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Senior Researcher, Laboratory for Diagnostics of Mechanical Condition of Rocks, tel. (383)217 0337, e-mail: gahoval@mail.ru
Based on numerical modeling, the author assesses stress state of steel-and-concrete power conduit included in the structure of waterworks in cases when the conduit is embedded in concrete and placed on the waterworks surface. It is shown in the article that embedding the conduit in concrete is more efficient in climatic conditions of Siberia.
Key words: steel-and-concrete conduit, numerical modeling, quasi-static thermoelasticity, stress
state.
Необходимость учета температурных воздействий на напряженно-деформированное состояние (НДС) инженерных сооружений возникает при эксплуатации их в условиях теплообмена с окружающими массивами, больших амплитуд сезонных колебаний температуры воздуха и в других аналогичных случаях. Следствием этих изменений является перераспределение напряжений как в самих конструктивных элементах, так и между ними.
Для определения НДС таких систем с использованием метода граничных интегральных уравнений разработаны варианты решения задач термоупругости в квазистатической постановке [1, 2]. Сравнение полученных результатов с данными натурных наблюдений позволило адаптировать комплекс программных средств к условиям конструктивных элементов Саяно-Шушенской ГЭС [3].
Исследовалось НДС сталежелезобетонного водовода Саяно-Шушенской ГЭС, размещенного на поверхности низовой грани плотины и в её бетоне
(рис. 1). Железобетонный трубопровод кругового сечения представляет собой многослойное кольцо, состоящее из стальной оболочки и железобетонной обделки с двумя слоями кольцевой арматуры [3 - 5]. Параметры и конструктивные особенности водовода, размещенного в бетона низовой грани, аналогичны водоводу СШ ГЭС, за исключением его внешнего бетонного кольца: расстояние от внешнего арматурного кольца водовода до низовой грани - 1.5 м. Толщина арматурного кольца принята равной диаметру арматурных стержней. Предполагалось, что металл облицовки, бетон и арматурные кольца - изотропные, линейно деформируемые в упругости материалы. Расчеты выполнены с учетом трещиноватости внутренних бетонных колец водовода. При размещении водовода в бетоне низовой грани для внешнего бетонного массива рассматривалось два варианта: бетон -изотропного, линейно-деформируемый материал (I вариант) и бетон -трещиноватый массив (II вариант).
Задачи термоупругости решалась в квазистатической постановке с шагом 15 сут.
а б
2, 2?- точки на внутреннем арматурном кольце; -----------------------
3, 3'- точки на внешнем арматурном кольце
Рис. 1. Схема трубопровода:
а - размещенного на низовой грани плотины; б - в бетонном массиве низовой грани
В эксплуатационный период НДС водовода определяется гидростатическими нагрузками, носящими циклический характер, сезонными изменениями температуры наружного воздуха и воды в водоводе, НДС низовой грани плотины, уровнем напряжений, сформированных в процессе возведения сооружения и другими факторами.
Так как низовая грань плотины сжата в продольном направлении (вдоль водовода), то можно считать, что металлическая оболочка и арматура водовода также сжаты в этом направлении и не зависят от гидростатического давления в водоводе.
Напряженное состояние железобетонных водоводов носит циклический характер и формируется в условиях сезонного колебания температуры воды на пороге водоприемника и температуры наружного воздуха (рис. 2). В табл. 1 указаны необходимые для расчетов физические параметры. Для оценки влияния температурного режима на напряженное состояние железобетонного
водовода выполнены расчеты НДС конструктивных элементов
водовода, протекающего в условиях нестационарного теплообмена.
Условия сопряжения тепловых потоков на границе твердого тела с жидкостью и воздухом задаются через коэффициенты теплоотдачи: теплоотдача воздуха а\=6 Вт/( м2-град), теплоотдача воды, движущейся по трубам
Л
«2=600 Вт/(м ,-град), теплообмен «воздух-бетон» И1= а^к = 3,45 1/м, теплообмен «вода - сталь» И2= а21к = 17,14 1/м.
Таблица 1
Физико-механические свойства конструктивных элементов сталежелезобетонных водоводов
Физические параметры массива Стальная оболочка Бетон Материал арматурных колец
Модуль упругости, Е, МПа Плотность, р, кг/м3 Коэффициенты: Пуассона у линейного теплового расширения а, 1/град теплопроводности к, Вт/(м-град) температуропроводности к , м2/сек теплоотдачи аь Вт/( м -град) 2.1-105 7794 0,28 1.2-10-5 35 7.32-10-6 3.51 2.9-104 2400 0.17 0.95-10-5 1 0.54-10-6 0.87 2.1-105 7784 0.25 1.1-10-5 30 0.84-10-6 2.1
Динамика температурного поля трубопровода вдоль осевой линии от внутренней поверхности стальной оболочки до дневной поверхности (рис. 1а) при его размещении на низовой грани и в бетоне приведена на рис. 3. Результаты расчетов свидетельствуют о более благоприятном температурном режиме, формирующемся в поперечном сечении водовода, расположенного в бетонном массиве по сравнению с водоводом, вынесенным на низовую грань. Во внутренних элементах (оболочка и внутреннее арматурное кольцо) температурные режимы различаются не более, чем на 1°С. Приращение
Рис. 2. Температура воды на пороге водоприемника и сезонное колебание температура воздуха в
температуры наружного арматурного слоя различаются существенно: максимальное приращение температуры наблюдается в случае размещения водовода на низовой грани - около 30 °С (рис. 3а); в бетоне низовой грани - не более 10 °С (рис. 3б).
а б
-?о -М-4-----------------------------.-------------------т---------------і-і-г---------------------•-------------------*-------------------т—|- |_,м
□.С Э.2 0,4 0.6 0 3 1,0 1.2 ' '1/1 1,6 1..Й 2.0 2,4 2.6 Г.Й
1,..., 12- месяц В году
Рис. 3. Динамика температурного поля в водоводе при изменении температуры наружного воздуха от -17,3°С до +17,9°С и воды в водоводе от
+2,0°С до 12.4°С:
а - водовод размещен на поверхности низовой грани; б - водовод размещен в бетоне низовой грани
В табл. 2 приведены максимальные тангенциальные напряжения конструктивных элементов сталежелезобетонного водовода (ае, МПа) с учетом температурных воздействий, работы бетона низовой грани, как изотропного, линейно-деформируемого материала (I вариант) и трещинообразования в бетоне (II вариант) со стороны дневной поверхности.
Таблица 2
Максимальные тангенциальные напряжения (МПа) конструктивных элементов сталежелезобетонного водовода_____________
Номер кольца Конструктивных элемент Водовод на поверхности низовой грани Водовод в бетоне низовой грани
I вариант II вариант
1 Металлич. оболочка:
точка 1 163,3 136,2 138,3
точка 1' 132,4 120,2 121,6
2 Внутренняя арматура*: точка 2 82,1 62,4 71,2
точка 2' 64,8 52,0 58,7
3 Внешняя арматура*: точка 1 107,2 54,0 81,0
точка 1' 87,0 5 4, 1 65,9
* Н апряжения приведены непосредственно в арматуре
Напряженное состояние оболочек сталежелезобетонного водовода, расположенного в теле плотины, характеризуются уменьшением максимальных растягивающих тангенциальных напряжений во всех конструктивных элементах по сравнению с водоводом, вынесенным на низовую грань плотины:
а) в металлической оболочке: на 18% в точке 1 и на 9,2% в точке 1' в расчетах варианта II и на 22% и 10,2% в соответствующих точках в расчетах варианта I;
б) во внутренней арматуре: на 15 % в точке 2, на 11% в точке 2' в первом варианте и на 31% и 23% во втором варианте;
в) во внешней арматуре - на 32% в точке 3, на 31% в точке 3' в первом варианте, вдвое и на 60% больше в соответствующих точках во втором варианте.
Таким образом, с точки зрения влияния температурных воздействий на НДС конструктивных элементов турбинных водоводов, обеспечения их монолитности и долговечности, в практике строительства высоконапорных сооружений в условиях Сибири расположение водовода в теле плотины должно быть более эффективным.
Приведенные выше результаты анализа НДС многослойного материала свидетельствуют о возможности использования комплекса программ для решения задач термоупругости в квазистатической постановке, разработанного на основе метода граничных интегральных уравнений, в расчетах НДС массива горных пород с пройденной в нем выработкой, закрепленной композитным материалом. Решение прикладных задач в конкретных ситуациях (например, влияние проветривания выработок на значительных глубинах разработки месторождений Севера) позволит получить количественную оценку температурных напряжений массива вблизи выработок.
Для более точной постановки задач, адекватно отражающих реальную ситуацию, необходимо привлечь экспериментальные данные или полученные на их основе эмпирические зависимости. Это относится к заданию распределения температуры на контурах, потоку тепла и исходным напряжениям в массиве.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Gakhova L.N. Solving problems of stressed states of a mass having block structure / Geoecology and Computers. — Moscow, Rotterdam: Balkema. — 2000.
2. Гахова Л.Н. Температурные напряжения в кусочно-однородном массиве / Труды IX междунар. конф. «ГЕО-Сибирь-2013», т. 2. - Новосибирск: СГГА, 2013.
3. Гахова Л.Н., Кузнецова Ю.А. Расчет напряжений в сталежелезобетонных турбинных водоводах методом граничных интегральных уравнений // Известия ВУЗов. Строительство. — 2010. —№ 8.
4. Гахова Л.Н. Напряженное состояние многослойных железобетонных конструкций с учетом трещинообразования в бетоне / Труды 2-ой Российско-Китайской научной конф. «Нелинейные геомеханико-геодинамические процессы при отработке месторождений полезных ископаемых на больших глубинах»: - Новосибирск: ИГД СО РАН, 2012.
5. Гахова Л.Н., Кузнецова Ю.А. Оценка напряженного состояния турбинных водоводов методом граничных интегральных уравнений // Известия ВУЗов. Строительство. — 2011. — № 8-9.
© Л. Н. Гахова, 2014
