CC BY
16
УДК 627.84.001.24
ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ МАССИВНЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ В СОСТАВЕ СООРУЖЕНИЙ
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
Приводятся результаты решение пространственной задачи о напряженном состоянии турбинных водоводов, вынесенных на низовую грань бетонной плотины. Установлено, что в результате температурных воздействий в процессе эксплуатации водовода распределение напряжений не симметрично относительно их продольной оси. Выполнен сравнительный анализ напряженного состояния конструктивных элементов водоводов при различном сочетании нагрузок.
Ключевые слова: сталежелезобетонный водовод, математическое моделирование, квазистатическая термоупругость, напряженное состояние.
BEHAVIOR OF REINFORCED MASSIVE CONCRETE STRUCTURES OF DIFFERENT FACILITIES
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)217-03-37, e-mail: gahoval@mail.ru
The article describes the solution of 3D problem on stress state of power conduits arranged at the downstream side of concrete dams. It is found that thermal effect on the conduit while in service results in unsymmetrical distribution of stresses along their longitudinal axis. The author performs the comparative analysis of stress state of elements in the structure of conduits under various combinations of loads.
Key words: steel and concrete structure conduit, mathematical modeling, quasi-static ther-moelasticity, stress state.
Строительство массивных бетонных сооружений, к которым относятся крупномасштабные бетонные плотины, связано с разработкой комплекса структурно-технологических мероприятий, направленных на повышение долговечности и надежности сооружений, а также снижение трудоемкости и материалоемкости при их возведении. К наиболее ответственным зонам высоконапорных гидротехнических сооружений (ГТС) относятся сталежелезобетонные турбинные водоводы, рассчитанные на продолжительный период эксплуатации, имеющие высокий класс ответственности и требующие надежности и безопасности. Важнейшим элементом определения уровня безопасности гидротехнических сооружений (ГТС) при проектировании, прогнозировании и контроле их состояния в эксплуатационный период является математическое моделирование напряженно-деформированного состояния (НДС) сооружения в целом и от-
дельных его конструктивных элементов, позволяющее учитывать многие факторы, влияющие на состояние ГТС.
Оценка пространственного термонапряженного состояния элементов ста-лежелезобетонных трубопроводов выполнялась по результатам расчетов в трехмерной постановке для двух параллельных турбинных сталежелезобетонных водоводов Саяно-Шушенской ГЭС (СШ ГЭС), расположенных в центральной части плотины (9, 10 водоводы) и вынесенных на её низовую грань. Предполагалось, что плотина возведена и нагружена мгновенно. Расчеты выполнялись с учетом сезонного колебания температуры наружного воздуха в районе СШ ГЭС и воды на пороге водоприемника [3]. Расчеты выполнены с использованием метода граничных интегральных уравнений с учетом трещиноватости бетона [2, 3]. При этом учитывался опыт моделирования трещинообразования в железобетоне напорных водоводов [4]. Исходные данные для расчета приведены в табл. 1.
Таблица 1
Физико-механические свойства конструктивных элементов сталежелезобетонных водоводов
Физические параметры массива Стальная оболочка Бетон Материал арматурных колец
Модуль упругости, Е, МПа -5 Плотность, р , кг/м Коэффициенты: Пуассона V линейного теплового расширения а, 1/град теплопроводности к, Вт/(м-град) температуропроводности х , м2/сек л 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 1.110-5 30 0.84-10~6 2.1
Сталежелезобетонный водовод круглого сечения моделировался в виде многослойного кольца (рис. 1), состоящего из внутренней стальной оболочки и внешней железобетонной оболочки с двумя слоями арматурной стали (эквивалентными двум рядам кольцевой арматуры). При этом толщина каждого из арматурных колец принималась из условия равенства площади сечения кольца площади сечения арматурных стержней в соответствующем ряду армирования. Предполагалось, что металл оболочки, бетон и арматурные кольца - линейно деформируемые материалы. При численном решении граничная поверхность аппроксимируются плоскими элементами - треугольниками (рис. 1а) [2]. Геометрия поперечного сечения водоводов приведена на рис. 16. Результаты расчетов представлены главными напряжениями гт/, а3 (<т] >а2 >а3) конструктивных элементов жестко связанного с низовой гранью водовода в плоскости, перпендикулярной направляющей водовода (сечение А-А, рис. 1а), на отм. 339 м.
а)
б)
у
^^ Аз / /У / / / Ъ — / ! /'// 4 / Н 1 /'//, 2 Л М1 V- % \\ \
А " п "ш ' \\\ \\\ V \ \\\ \Д \л\ \\\ —и ^^ Л ¡Г мГ Ш ' У/у / / и-
1 - слой металлическая оболочка (материал -сталь 09Г2С);
2,4, 6- слои бетона (марка М250);
3, 5 - арматурные кольца стержней (сталь класса А-П, диаметр арматурных стержней внутренних и внешних колец от 40 до 70 мм)
Рис. 1. Аппроксимация поверхности элементов конструкций водовода криволинейными листами вблизи анкерных опор (а); схема поперечного сечения А - А (б)
При опорожненном водоводе в области сопряжения низовой грани с водоводами действуют растягивающих напряжений сг1 (рис. 2а). Значения ст, в верхних и нижних точках металлической оболочки различаются на -8%; значения сжимающих напряжений, направленных вдоль оси водоводов, в этих точках различаются на -5%.
Рис. 2. Главные напряжения (МПа) (а) и о3 (б) в конструктивных элементах осушенных водоводов
На рис. 3 приведены эпюры максимальных значений главных напряжений наиболее нагруженных конструктивных элементов водовода - стальной оболочки и кольцевой арматуры, в период работы агрегата (сечение А-А). В табл. 2 для верхних точек конструктивных элементов водовода (А1 - А3 , см. рис. 1б) приведены результаты расчетов главных напряжений, вызванных гидростатическим давлением в водоводе, соответствующим НПУ = 539 м при максимальных и минимальных значений температур наружного воздуха.
Рис. 3. Эпюры максимальных значений главных напряжений (МПа) (а) и о3 (б) в стальной оболочке и внутреннем арматурном кольце водовода в период работы агрегата
Таблица 2
Главные напряжения конструктивных элементов водовода при гидростатическом давлении в водоводе в период работы гидроагрегата
Конструктивные элементы водовода Главные напряжения, МПа
грвозд._ , 7 1 шт -17,3 с Тв°зд. =+179оГ 1 шах +17,9 с грвозд._ , 7 1 шт -17,3 с Твозд =+179оГ 1 шах +17,9 с
Металлическая оболочка 129,4 114,6 -118,2 -79,6
Внутреннее арматурное 79,3 52,2 -251,1 -194,3
кольцо
Внешнее арматурное 96,8 67,4 -206,7 -142,8
кольцо
Растягивающие напряжения <7Х в стальной оболочке по сечению распределены неравномерно (рис. За): наибольшие <тх наблюдаются в верхней части, наиболее удаленной от низовой грани, меньшие значения - в точке сопряжения низовой грани с водоводом. В боковых частях оболочки растягивающие напряжений не превосходят 86% от максимальных значений.
Аналогичный характер распределения (7Х наблюдается во внутреннем арматурном кольце: в боковых частях растягивающие напряжения не превосходят 89% от максимальных значений (в верхней части арматурного кольца сг, достигает 79,3 МПа, рис. За), наименьшие значения - в месте заделки водовода в низовую грань плотины. Такой характер распределения сг1 свидетельствует о возможных растягивающих деформациях контура металлической оболочки и арматуры в направлении, параллельном низовой грани.
В период работы гидроагрегата для сжимающих напряжений сг3, направленных параллельно низовой грани плотины, характерна их концентрация в верхней части водовода. Максимальные значения сг3 наблюдаются при минимальных температурах наружного воздуха и достигают -118,4 МП в стальной оболочек и -251,1 МПа во внутреннем арматурном кольце - наиболее нагруженном конструктивном элементе водовода. В нижних точках водовода (вблизи низовой грани плотины) сжимающие продольные напряжения меньше, чем в верхних, что не противоречит характеру изменения напряженного состояния низовой грани плотины по данным натурных наблюдений [4, 5].
В качестве особенности распределения напряжений в элементах водовода можно отметить тот факт, что растягивающие напряжения при осушенном водоводе меняются равномерно от наибольших сг1 в металлической оболочке к наименьшим значениям во внешнем арматурном кольце. При работающем гидроагрегате растяжения во внешнем арматурном кольце больше, чем во внутреннем. Характер распределения сжимающих (продольных) напряжений иной: в обоих случаях наиболее нагруженным является внутреннее арматурное кольцо.
Таким образом, установлено, что характер изменения как растягивающих, так и сжимающих (продольных) напряжений в период работы агрегатов и в осушенном водоводе различен, что может объясняться не только изменением параметров гидростатического давления в водоводе, но и изменением температурного режима внутренней стороны трубопровода.
Температурные воздействия в процессе эксплуатации существенно изменяют напряжения в конструктивных элементах водовода. Распределение напряжений не симметрично относительно его продольной оси, что указывает на возможность рационального подхода к распределению арматуры по сечению водовода: в удаленных от низовой грани плотины его частях степень армирования должна быть больше, чем на контакте с низовой гранью.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Гахова Л.Н., Кузнецова Ю.А. Расчет напряжений в сталежелезобетонных турбинных водоводах методом граничных интегральных уравнений // Известия ВУЗов. Строительство. -2010. - №8. - с. 59 - 65.
2. Гахова Л.Н. Кузнецова Ю.А. Напряженное состояние сталежелезобетонных турбинных водоводов в составе конструкции высоконапорной плотины // Гидротехническое строительство. 2015. - №8.- С. 7 - 12.
3. Гахова Л.Н. Температурные напряжения в кусочно-однородном массиве / Труды IX международной научной конференции «ГЕО-Сибирь-2013», т. 2. - Новосибирск: СГГА, 2013.
4. Лисичкин С.Е., Рубин О.Д., Николаев Б.А., Камнев Н.М. Особенности расчета и проектирования сталежелезобетонных напорных водоводов // «Гидротехническое строительство», - 1999, - №1, - С. 37-44.
5. Александров Ю.Н. Об измерениях напряжений в арматуре массивных железобетонных конструкций // Гидротехническое строительство.- 2011. - № 2. - С. 19 - 23.
6. Пермякова Л.С., Рассказчиков В.А., Уляшинский В.А., Епифанов А.П., Кузнецова Ю.А. Напряженно-деформированное состояние элементов напорного тракта турбин Саяно-Шушенской ГЭС // Гидротехническое строительство.- 2008. - № 11. - С. 11 - 18.
© Л. Н. Гахова, 2016
