Научная статья на тему 'Конечно-элементное моделирование напряженно-деформированного состояния заанкеренного больверка'

Конечно-элементное моделирование напряженно-деформированного состояния заанкеренного больверка Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

CC BY
142
18
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МЕТОД КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ / НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ / ANSYS MECHANICAL / БЕРЕГОУКРЕПИТЕЛЬНОЕ СООРУЖЕНИЕ ТИПА ЗААНКЕРЕННЫЙ БОЛЬВЕРК / КНЕХТ / FINITE-ELEMENT METHOD / STRESS-STRAIN STATE / BANKED FASTENER TYPE BUILDING / BOLLARD

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Гайджуров П.П., Данько Ю.С., Касакова Н.В., Фаурян Ю.С.

Выполнен конечно-элементный анализ напряженно-деформированного состояния берегоукрепительного сооружения типа заанкеренный больверк при различных видах внешнего силового воздействия. Установлено, что принятые геометрические параметры сооружения обеспечивают требуемый запас прочности и гарантируют устойчивую работу объекта во всем диапазоне проектных нагружений. Сформулированы практические рекомендации по корректировке конструкционной схемы кнехта (битенга).

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Гайджуров П.П., Данько Ю.С., Касакова Н.В., Фаурян Ю.С.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Finite element modeling of stress-strainstates of an anchor bolwerk

A finite-element analysis of the stress-strain state of the bank-protection structure of the type anchor bolveverk with various types of external force is performed. It has been established that the adopted geometrical parameters of the structure provide the required margin of safety and ensure the stable operation of the object in the entire range of design loads. Practical recommendations are formulated for adjusting the design structure of the bollard (biteng).

Текст научной работы на тему «Конечно-элементное моделирование напряженно-деформированного состояния заанкеренного больверка»

Конечно-элементное моделирование напряженно-деформированного состояния заанкеренного больверка

П.П. Гайджуров, Ю.С. Данько, Н.В. Касакова, Ю.С. Фаурян Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону

Аннотация: Выполнен конечно-элементный анализ напряженно-деформированного состояния берегоукрепительного сооружения типа заанкеренный больверк при различных видах внешнего силового воздействия. Установлено, что принятые геометрические параметры сооружения обеспечивают требуемый запас прочности и гарантируют устойчивую работу объекта во всем диапазоне проектных нагружений. Сформулированы практические рекомендации по корректировке конструкционной схемы кнехта (битенга). Ключевые слова: метод конечных элементов, напряженно-деформированное состояние, Ап8увМеЛашса1, берегоукрепительное сооружение типа заанкеренный больверк, кнехт.

Несмотря на то, что за последнее десятилетие произошли значительные положительные изменения в развитии автодорожного сообщения на территории Российской Федерации и Южного Федерального округа, в частности, тем не менее возникают значительные проблемы, связанные с перегруженностью главных автомагистралей страны. В этой связи основной альтернативой автомобильным перевозкам становится речной транспорт. Однако для реализации данной альтернативы необходимо существенно усовершенствовать логистические центры вдоль главных речных «артерий». В этой связи актуальным направлением является создание искусственных внутренних гаваней, оборудованных причальными стенками в сочетании с соответствующими берегоукрепительными сооружениями [1-7].

В настоящей статье в качестве объекта исследования рассматривается берегоукрепительное (причальное) сооружение, состоящее из шпунтовой стенки протяженностью более 140 м, усиленной анкерными связями, регулярно расположенными с шагом 2,1 м. С учетом конструктивных особенностей данного сооружения в качестве основной расчетной схемы принимаем поперечное сечение больверка, проходящее через анкерную связь (рис. 1). Временные нагрузки, действующие на сооружение, представлены следую-

щими составляющими: давление от груза складского помещения - давление от пригрузки подъездного участка - д2; нагрузка от подъёмно-транспортного средства - Ркр; нагрузка от навала пришвартованного судна -Рпр; гидростатическое давление на шпунт -дг (к - уровень воды у стенки). Собственный вес материала грунтового основания и конструктивных элементов шпунтовой стенки не учитываем, т.к. эта нагрузка является постоянной и соответствующие деформации на момент приложения временных силовых воздействий должны удовлетворять проектному решению.

Грунтовое основание причального сооружения неоднородно-слоистое и образовано из следующих материалов (рис. 1):

р кр|

Р1 1

р р^р^м6 гттт

Рдр ..нтнп/1п+ * * *

Ркр

_О « 00 Ъс? ^ ^ е> ^ 'О о о о

р о .0 О.0.О.О О ъъ <?.Ъ0 ъ ОАО ъъ & $0 Ъ0 0.

¿.УЧ. -УУ-А -УУЛ

< >\7- ¿.УЧ. ¿-УЧ. -УЧ'-Д -УУ-Л ХУ<

т ^ ^ ^ ^

я

Рис. 1. - Основная расчетная схема

А) Естественное основание:

1 - песок средней крупности плотный однородный насыщенный водой;

2 - суглинок тяжелый пылеватый текучий;

3 - песок мелкий плотный неоднородный насыщенный водой;

4 - суглинок тяжелый пылеватый мягкопластичный; Б) Искусственное (насыпное) основание:

5 - дренажная призма (каменная наброска);

6 - песок мелкий;

7 - слой, состоящий из смеси песка, ракушечника и обломков бетона. Механические константы основания приведены в табл. 1.

д

1

Таблица 1

Механические константы основания

Материал Модуль деформации, МПа Коэффициент Пуассона

Песок (1) 38,8 0,3

Суглинок (2) 3,1 0,35

Песок (3) 31,5 0,3

Суглинок (4) 6,2 0,35

Дренажная призма (5) 41103 0

Песок (6) 30 0,3

Насыпной слой (7) 30 0,3

Шпунтовая стенка выполнена из стальных труб с внешним диаметром 72 см и толщиной стенки 9 мм. Анкерные тяги представляют собой металлические стержни круглого поперечного сечения диаметром 6 см. Геометрические характеристики трубы и анкерной тяги приведены в табл. 2. Механические постоянные шпунта и анкера: модуль упругости Е =2-105МПа, коэффициент Пуассона ^=0,28.

Таблица 2

Геометрические характеристики трубы и анкерной тяги

Элемент конструкции Площадь поперечного сечения, м2 Осевой момент инерции сечения, м2

Шпунт 0,0201 0,00127

Анкер 0,00283 6,36-10-7

Ростверк и порогообразующая подпорная стенка берегоукрепительного сооружения выполнены из бетона, имеющего механические характеристики:£'=2,1-104 МПа; У=0,16.

2 2

Величины прикладываемых усилий: д1=8 т/м ; д2=6 т/м ; Ркр=8 т; Рпр =1,7 т; цт = рк, где плотность воды р=1000 кг/м , высота погруженной в воду

части шпунта ^=[0...4,5 м]. Значения усилий дь д2,Ркр,Рпр приняты для экстремального режима эксплуатации объекта.

Размеры расчетной области сечения берегоукрепительного сооружения показаны на рис. 2.

Рис. 2. - Размеры расчетной области сечения берегоукрепительного

сооружения в мм

Моделирование больверка выполнялось с помощью программного комплекса АШУБМеЛашса! [8-10]. Рассматривалась задача о плоской деформации. Конечно-элементная сетка для исследуемой области приведена на рис. 3.

Рис. 3. - Конечно-элементная сетка

Для моделирования грунтового основания, ростверка и подпорной стенки использовались плоские 4-х и 3-х узловыеконечные элементы. Шпунт, анкерная тяга и упорная анкерная плита представлены двумерными

стержневыми (балочными) конечными элементами. Ансамблирование выполнено таким образом, что анкерная тяга воспринимает только усилие, обусловленное смещением шпунта, и реакцию от анкерной плиты.

Для реалистичного моделирования взаимодействия шпунта и массива дренажной призмы использована процедура кооптирования, суть которой в данном случае состоял в объединении только горизонтальных перемещений смежных узлов, принадлежащих смежным стержневым и плоским конечным элементам.

С помощью модального анализа установлено, что наиболее активное развитие деформаций больверка будет происходить в горизонтальном (1-ая форма собственных колебаний) и вертикальном (2-ая форма собственных колебаний) направлениях, что связано с жесткостными характеристиками слоев грунтового основания. Последующие формы собственных колебаний не представляют опасности для несущей способности сооружения, т. к. не имеют физического смысла в рассматриваемом контексте работы объекта.

Результаты конечно-элементного моделирования в виде контрастно окрашенных (черно-белых) картин распределения полей вертикальных (осадка)^ и горизонтальных их перемещений для наиболее нагруженного вари-

анта работы сооружения приведены соответственно на рис. 4 и 5.

и у, м

О

о о о ш ш

-. О 68531 -.050321 -.052112 -.043903 -. 035694 -.027484 -.019275 -.011066 -.002856 .005353

Рис. 4. - Вертикальные перемещения 14,

Рис. 5. -Горизонтальные перемещения и.

и х, м

'X

Следует отметить, что полученное перемещение НуПЫК. стоит рассмат-

ривать как технологическое, т. е. при повторном нагружении осадка уплотнившегося грунта будет меньше.

На рис. 6, 7 представлены соответственно эпюры изгибающих моментов М и продольных сил N ,возникающих в стержневых конечных элементах.

М, Н-м

__-291033

^ -225027

|=| -159021

О

93015.1 27009

ЗЁ997.1

Ш

105003 Р^ 171009 237015 303021

Рис. 6. - Эпюра изгибающих моментов

N, Н

_ -188142

^^ -161011 -133ЙЙ0 ^^ -106748

- -79617

^^ -52485.7

Р^ -25354.3 □□ 1777

28 908.3 56039.7

Рис. 7. - Эпюра продольных сил

На основании численного моделирования можно сделать следующие выводы:

- конструкция берегоукрепительного сооружения обладает необходимой несущей способностью по первой и второй группам предельных состояний, т. е. имеет необходимый запас прочности и жесткости;

- анализ возможных сценариев нагружения заанкеренного больверка показал, что данное сооружение является устойчивым, что исключает возможный поворот шпунта относительно точки крепления анкерной тяги, глубинный сдвиг шпунтовой стенки по кругло-цилиндрической поверхности скольжения, проходящей ниже подошвы шпунтовой стенки, а также значительный сдвиг анкерной плиты в плоскости анкерной тяги;

- во всех расчетных вариантах нагружения больверка изгибающие моменты в анкерных тягах не возникают;

- Капитальное покрытие в зоне работы подъемно-транспортной техники следует выполнять после полной стабилизации осадок территории.

- требуется усилить консольную часть конструкции кнехта (битенга) путем закачивания внутрь его бетона. В месте заделки битенга в ростверк предусмотреть замоноличивание утолщенного стального

вкладыша, предотвращающего растрескивание бетона в зоне сопряжения этих элементов конструкции; - в период эксплуатации берегоукрепительного сооружения следует обеспечить мониторинг несущих конструкций больверка в форме визуального контроля за отклонениями от первоначальной формы и раскрытием трещин.

Литература

1. Басов К.А. ANSYS: справочник пользователя. - М.: ДМК Пресс, 2012. - 640 с.

2. Волосухин В.А., Гайджуров П.П., Евтушенко С.И. и др. Инженерные конструкции: учебное пособие для студентов вузов - Новочеркасская гос. мелиор. академия; Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2007. - Ч.2. - 488 с.

3. Даревский В.Э. Сооружения, удерживающие грунтовые массивы (противооползневые и берегоукрепительные сооружения, подпорные стены и набережные). М.: Мастер, 2011. — 304 с.

4. Седрисев Д.Н., Рубинская А.В. Основы проектирования гидротехнических сооружений, лесных бирж и рейдов приплава. - М.: Издательство "Академия Естествознания", 2013. - 119 с.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

5. Яковлев П. И., Тюрин А. П., Фортученко Ю. А. Портовые гидротехнические сооружения. - М.: Транспорт, 1989. — 320 с.

6. MaryKathrynThompson, JohnM. Thompson. ANSYSMechanicalAPDLfor-FiniteElementAnalysis, 2017. 245 p.

7. Прокопов А.Ю., Акопян В.Ф., Гаптлисламовна К.Н. Изучение напряженно-деформированного состояния грунтового массива и взаимного влияния подземных конструкций существующих и вновь возводимых сооружений в береговой зоне морского порта Тамань. // Инженерный вестник Дона, 2013,

№4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2104.

8. Агаханов Э.К., Курачев Р.М. Напряженно-деформированное состояние радиационно-теплового экрана реактора АЭС. // Инженерный вестник Дона, 2018, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2018/5215.

9. Zienkiewicz O.C., Taylor R.L. The Finite Element Method for Solid and Structural Mechanics. Volume 2. Butterworth-Heinemann, Sixth Edition, 2005, 736 p.

10.Gao X., Zhang G., Roe C. A Study on the Effect of the Stress State on Ductile Fracture, 2010, 57 p.

References

1. Basov K.A. ANSYS: spravochnik pol'zovatelya [ANSYS: user reference]. M.: DMK Press, 2012. 640 p.

2. Volosukhin V.A., Gaidzhurov P.P., Evtushenko S.I. and others. Inzhenernye konstrukcii: uchebnoe posobie dlya studentov vuzov [Engineering structures: a manual for university students - Novocherkassk State. melior academy; South-Ros. state tech. un-t (NPI)]. Novocherkassk: SRSTU, 2007. Part 2. 488 p.

3. Darevsky V. E. Sooruzheniya-uderzhivayushchie-gruntovye-massivy-protivoopolznevye-i-beregoukrepitelnye-sooruzheniya-podpornye-steny-i-naberezhnye [Structures that hold soil massifs (landslide and shore protection structures, retaining walls and embankments)]. M: Max, 2011. 304 p.

4. Sadriev D. N., Rubinskaya A. V. Osnovy-proektirovaniya-gidrotekhnicheskih-sooruzhenij-lesnyh-birzh-i-rejdov-priplava [Principles of design of hydraulic structures, timber exchanges and raids of priprava]. Moscow: Publishing House "Academy Of Natural Sciences", 2013. 119 p.

5. Yakovlev P. I., Tyurin A. P., Fortuchenko YU. A. Portovye gidrotekhni-cheskie sooruzheniya [Port hydraulic engineering constructions]. M.: Transport, 1989.320 p.

6. Mary Kathryn Thompson, John M. Thompson. ANSYS Mechanical APDL

for Finite Element Analysis, 2017. 245 p.

7. Prokopov A.Yu., Akopyan V.F., Gaptlislamovna K.N. Inzenernyj vestnik-Dona (Rus), 2013, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2104.

8. Agakhanov E.K., Kurachev R.M. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2018, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2018/5215.

9. Zienkiewicz O.C., Taylor R.L.The Finite Element Method for Solid and Structural Mechanics. Volume 2.Butterworth-Heinemann, Sixth Edition, 2005, 736 p.

10. Gao X., Zhang G., Roe C. A Study on the Effect of the Stress State on Ductile Fracture, 2010, 57 p.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.