CC BY
18УДК 624, 69.04
Е.В. Лесков, А.С. Васильев, С.В. Радионов, К.И. Ипатов, В.Л. Земляк
ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМИРУЕМОСТИ ЛЕДОВЫХ ПЕРЕПРАВ ПРИ ПОВЕРХНОСТНОМ АРМИРОВАНИИ КОМПОЗИЦИОННЫМИ МАТЕРИАЛАМИ
В ходе работы проведен обзор литературы по всем видам и способам армирования ледовых переправ. Показаны модельные и численные эксперименты по поверке льда, усиленного стальной арматурой, численные эксперименты образцов, усиленных различными видами стальной арматуры, для сравнения результатов, полученных экспериментальным путем с образцов усиленных стальной арматурой. Получены оригинальные результаты напряженно-деформированного состояния ряда материалов. В исследовании проанализированы: арматура горячекатаная А400, стекло-пластиковая композитная АСК, базальтовое волокно (АБК), углеродная (АУК), арамидокомпозитная (ААК), комбинированное сочетание стекла и базальта (АКК).
Ключевые слова: численное исследование, ледовые балки, модельный эксперимент, напряженно-деформированное состояние, прогиб, ледовая переправа.
INVESTIGATION OF THE DEFORMABILITY OF ICE RIBS AT SURFACE MOUNTING BY COMPOSITE MATERIALS
In the course of the work a review of literature on all types and methods of reinforcing ice crossings was conducted. The models and numerical experiments on the verification of ice of the enhanced experimental level are shown to compare the results obtained by experimental methods with the results of reinforced steel reinforcement. The original results of the stress-strain state for materials are obtained. In the study, the following materials were analyzed: hot-rolled A400 reinforcement; fiberglass composite ASA; basalt fiber (ABA); carbon (A UC); ar-amidocomposite (AAA); combined with a combination of glass and basalt (ACC). (slightly change the annotation)
Key words: numerical research, ice beams, model experiment, stress-strain state, deflection, ice crossing.
Работа выполнена в рамках базовой части государственного задания Министерства образования и науки Российской Федерации в период 2017 - 2019 гг., проект № 9.4934.2017/БЧ.
Введение
Зимние дороги, в частности ледовые переправы, необходимы для обеспечения и транспортной доступности как объектов нефтегазового и лесного комплексов, так и множества поселений в различ-
ных областях России. Отличительные особенности эксплуатации ледовых переправ - малые интенсивность и скорость движения транспортных средств [1]. Известно, что при перемещении нагрузки с определенной (критической) скоростью по поверхности льда в системе «лед - вода» возможно возникновение прогрессивных изгибно-гравитационных волн, при определенной интенсивности которых может произойти частичное или полное разрушения льда [1].
Для повышения несущей способности ледовых переправ существует множество способов, однако зачастую они очень трудоемки, дороги и не всегда эффективны. Положительный результат часто достигается только при соблюдении ряда обязательных условий, невыполнимых в реальности. Нормативными документами рекомендуются три основных способа увеличения несущей способности ледовых переправ: намораживание дополнительных слоев льда сверху (при помощи полива водой), снизу (при помощи наклонных термосифонов) и устройство деревянных настилов [2].
Возникает необходимость исследовать существующие способы увеличения несущей способности ледовых переправ, чтобы рекомендовать наиболее эффективные и экономически целесообразные.
Обзор исследований по усилению ледовых переправ
Проблемой усиления ледовых переправ занималось множество исследователей. В монографии «Усиление ледовых переправ геосинтетическими материалами» (Омск, 2015) О.В. Якименко и В.В. Сиротюк [3] рассматривается усиление только ледовых автозимников и переправ. Выполнен анализ существующих способов армирования льда, составлена классификация способов увеличения несущей способности ледовых переправ, рекомендованы наиболее эффективные и экономически целесообразные способы их усиления. На базе собственных исследований и публикаций В.В. Якименко и В.В. Сиротюк определили десять принципиальных условий, при выполнении которых армирующий материал может эффективно выполнять свои функции:
1) необходимо прочное сцепление арматуры с армируемым материалом для обеспечения перераспределения возникающих напряжений;
2) коэффициенты температурного расширения армируемого и армирующего материалов должны иметь близкие значения для более эффективного выполнения первого условия;
3) арматура должна располагаться в слое армируемого материала с наибольшими растягивающими напряжениями;
4) прочность арматуры на растяжение должна быть значительно выше прочности армируемого материала, с учетом усталостных явлений от многократных кратковременных силовых воздействий. В противном случае теряется смысл армирования материала;
5) модуль упругости арматуры должен быть значительно выше, чем у армируемого материала, иначе армируемый материал может получить избыточные горизонтальные деформации раньше, чем арматура воспримет и перераспределит растягивающие напряжения;
6) прочность и деформативность армирующего материала должны быть стабильны во времени как при высоких, так и при низких отрицательных температурах и высокой влажности. Только в этом случае можно гарантировать длительную несущую способность армированного покрытия;
7) арматура не должна обладать чрезмерной ползучестью для восприятия длительных температурных напряжений. Иначе она может либо не выдержать значительных длительных температурных напряжений, возникающих при низких отрицательных температурах, либо релаксировать эти напряжения, утратив свое назначение;
8) армирующий материал должен обладать минимальной повреждаемостью ребер в процессе его укладки в армируемый материал. В противном случае высокие исходные прочностные свойства армирующего материала не могут быть реализованы в полной мере;
9) желательно, чтобы армирующий материал не вызывал технологических и экологических осложнений;
10) стоимость армирующего материала должна обеспечивать экономическую эффективность его применения в армированных дорожных конструкциях.
Результаты данного исследования в качестве современного и технологичного решения рекомендуют и другие ученые, в частности О.Н. Бурмистровавна [3]. Директор Института механики и технологии производств (г. Ухта) предлагает использовать технологию, разработанную в 2008 г. В.В. Сиротюк (СибАДИ) - армирование льда геосеткой. Эта технология позволяет решить сразу две проблемы - повысить несущую способность льда (на 30-65%) и уменьшить образование температурных трещин.
Изучением физико-механических характеристик ледовых переправ занимались В.Л. Земляк, А.С. Васильев, К.И. Ипатов. В работе «Исследование напряженно-деформированного состояния ледяного покрова от воздействия на него движущейся нагрузки» основное внимание было уделено определению физико-механических характеристик льда [2].
Рис. 1. Универсальная нагружающая установка.
Исследование несущей способности армированных ледовых балок
Для выполнения модельных экспериментов была спроектирована и собрана универсальная
нагружающая установка (рис. 1), которая состояла из силовой рамы из стоек, станин, верхней и нижней балок, нагружающего устройства и измерительного модуля [2]. Для армирования ледяных балок размерами L*B*H = 2000x200x200 мм использовались цельносварные каркасы из стальной арматуры.
Эксперименты на ледяных балках проводились с целью оценки влияния поверхностного усиления растянутой зоны армирующим каркасом на их (балок) несущую способность в условиях чистого изгиба. Численный расчет напряженно-деформированного состояния ледяных образцов выполнялся в программном комплексе ANSYS Workbench v15, с использованием модуля ANSYS Mechanical.
Для армирования ледовых балок применялись цельносварные каркасы из стальной арматуры диаметром 6 мм, различающиеся количеством и расположением поперечных и продольных связей.
Схемы каркасов представлены на рис. 2.
Время увеличения нагрузки, шаг нагрузки и прогибы балки на каждом из этапов нагружения в результате эксперимента представлены в табл. 1.
Таблица 1
Данные эксперимента при разрушении армированной ледяной балки
t нагруж., сек. m нагрузки, кг f прогиба, мм
0 0 0
2.2 277 1.25
2.5 347 1.55
2.8 405 1.92
3.1 472 2.4
3.4 524 2.83
3.7 584 3.35
4.9 563 5.3
На рис. 3 представлен процесс нагружения армированного образца на установке.
Рис. 3. Трещины в ледовой балке в результате эксперимента.
Численное исследование ледяных балок, усиленных различными видами арматуры
Для расчета ледяной балки использовались следующие механические характеристики: начальный модуль упругости Е=765 МПа, прочность при одноосном сжатии Rb=0.6 МПа, прочность при одноосном растяжении Rí=0.5 МПа, плотность р=930 кг/м3, коэффициент Пуассона ц=0.3. Механические характеристики льда определялись согласно [3]. Отметим, что неармированный ледяной образец разрушался в экспериментах при прогибах от 4 до 5 мм. С учетом того, что при разрушении армирующий материал каркаса не достигал своих расчетных сопротивлений, в численном эксперименте в ПК ANSYS достижение образцами прогиба более 4,5 мм будем считать разрушением образцов.
В табл. 2 представлены механические характеристики материалов, используемых для усиления льда в численных экспериментах: арматура горячекатаная А400, стеклопластиковая композитная АСК, базальтовое волокно (АБК), углеродная (АУК), арамидокомпозитная (ААК), комбинированная сочетанием стекла и базальта (АКК).
Таблица 2
Расчетные механические характеристики стальной и композитной арматуры
Наименование показателя А400 АСК АБК АУК ААК АКК
Предел прочности при растяжении, с ы, МПа 365 168 256 840 448 320
Предел прочности при сжатии, с ьс, МПа 365 63 96 180 96 96
Модуль упругости, Е, МПа 20104 50103 50103 130103 70103 100103
Программный комплекс ANSYS [10] выполняет расчеты методом конечных элементов. Для расчетов использовался нелинейный конечный элемент Solid 65 в форме гексаэдра, реализующий модель прочности Willama-Warnke [11]. Численным исследованиям НДС армированных конструкций
посвящены работы [4 - 9] На рис. 4 сопоставлены данные модельного эксперимента и расчета в программном комплексе ANSYS. Согласно результатам модельного эксперимента, разрушающая нагрузка на балку составила около 563 кг при прогибе 5,31 мм.
800
0 12 ПрОГкРб, ММ 4 5 6
Рис. 4. Сравнение результатов модельного эксперимента и расчета в ПК ANSYS.
Разрушающая нагрузка на балку со стальным каркасом составила около 700 кг, при нагрузке 644 кг произошел резкий рост деформаций в середине балки. Разрушение льда произошло от действия изгибающего момента в середине балки. Прогиб при этом составил 4,52 мм.
На рис. 5 представлены результаты расчетов «нагрузка - прогиб» для ледяных балок, усиленных стандартной и композитной арматурой. Расчеты выполнены в ПК ANSYS Workbench 17.2. В качестве основного критерия для расчетов выбран резкий рост перемещений (деформаций) на графике «нагрузка - прогиб».
800
700
,_600
ас
2С
£400
8s оо
го
^00
100 о
О 2 4 6 8 10 12 14 16
Прогиб, мм
Рис. 5. Результаты расчетов «нагрузка - прогиб».
Сопоставление результатов прогибов показано в табл. 3.
Таблица 3
Сопоставление результатов прогибов
Наименование армирующего материала Прогиб при разрушении, мм Отклонение от образцов, армированных А400, %
А400 4,52 0
АСК 13,45 -197,56
АБК 13,45 -197,56
АУК 6,09 -34,73
ААК 10,04 -122,12
АКК 7,21 -59,51
Исходя из полученных графиков и данных табл. 3, можно сделать следующие выводы: 1) для образцов, армированных стальной арматурой А400, наблюдается удовлетворительное совпадение расчетных и опытных данных;
-Расчет ДЫБУБ арматура А400
— - Расчет АЫБУБ АСК
— • Расчет АЫБУБАБК
— Расчет АЫБУБАУК -- Расчет АЫБУБААК .......Расчет АЫБУБАКК
2) наименьшие деформации можно наблюдать у образцов, армированных стальной арматурой А400. Как можно заметить, отклонение максимальных прогибов образцов, армированных различными композитами, от образцов, армированных А400, составило соответственно -197,56; 197,56; -34,73; -122,12; -59,51%;
3) наибольшие прогибы были получены при армировании стеклопластиком и базальтовыми волокнами.
1. Козин, В.М., Земляк, В.Л. Физические основы разрушения ледяного покрова резонансным методом. -Комсомольск-на-Амуре: ИМиМ ДВО РАН, ПГУ им. Шолом-Алейхема, АмГПГУ, 2013. - 250 с.
2. Козин, В.М. Установка для испытаний ледовых балок, усиленных поверхностным армированием // Вестник Приамурского гос. ун-та им. Шолом-Алейхема. - 2016. - № 1 (22). - С. 32-41.
3. Якименко, О.В., Сиротюк, В.В. Библиотека СибАДИ. Усиление ледовых переправ геосинтетическими материалами. Монография. - URL: http://bek.sibadi.org/iulltext/ESD56.pdf/
4. Васильев, А.С. Разработка алгоритмов численного исследования конструкций из неоднородной среды методом конечных элементов / А.С. Васильев, Н.А. Тарануха // Вестник ПГУ им. Шолом-Алейхема. - Серия «Физико-математические науки». - 2016. - № 1(22). - С. 78-88.
5. Васильев, А.С. Разработка конечного элемента для конструкций из гетерогенной среды с металлической составляющей / А.С. Васильев, Н.А. Тарануха // Вестник ПГУ им. Шолом-Алейхема. - Серия «Физико-математические науки». - 2016. - № 4(25). - С. 19-31.
6. Ипатов, К.И. Исследование напряженно-деформированного состояния ледяного покрова от воздействия на него движущейся нагрузки / К.И. Ипатов, В.Л. Земляк, В.М. Козин, А.С. Васильев // Вестник ПГУ им. Шо-лом-Алейхема. - Серия «Физико-математические науки». - 2017. - № 1 (26). - С. 103-113.
7. Васильев, А.С. Численное моделирование и расчет выступа колонны в современных программных комплексах / А.С. Васильев, Р.Е. Бойчин, В.Л. Земляк // Вестник ПГУ им. Шолом-Алейхема. - Серия «Физико-математические науки». - 2017. - № 1 (26). - С. 79-89.
8. Тарануха, Н.А. Численное исследование конструкций из гетерогенных сред на основе метода конечных элементов / Н.А. Тарануха, А.С. Васильев // Вестник ПГУ им. Шолом-Алейхема. - Серия «Физико-математические науки». - 2017. - № 1 (26). - С. 90-102.
9. Васильев, А.С. Анализ критериев предельного состояния конструкций из композитных материалов / Н.А. Тарануха, А.С. Васильев // Ученые записки КнАГТУ. - Серия «Науки о природе и технике». - 2015. -№ III, 1(23). - 2015. - С 81-87.
10. Lee, H.H. Finite Element Simulations with ANSYS Workbench 14. Theory, Applications, Case Studies - SDC PUBLICATIONS Schroif Development Corporation. BetterTextbooks. LowerPrices/ www.SDCpublications.com, 2012. - 619 p.
11. Willam, K.J. Constitutive model for the triaxial behavior of concrete / K.J. Warnke, E.P. Warnke // Seminar of concrete structures subjected to triaxial stresses: Dergamo: Italy. - 1974. - V. 19. - May, 17 - 19. - P. 3-11.
