×

Вы используете устаревший браузер Internet Explorer. Некоторые функции сайта им не поддерживаются.

Рекомендуем установить один из следующих браузеров: Firefox, Opera или Chrome.

Контактная информация

+7-863-218-40-00 доб.200-80
ivdon3@bk.ru

Методы моделирования напряженно-деформированного состояния для определения остаточного ресурса железобетонного консольного водосброса при различных граничных условиях

Аннотация

М.А. Бандурин, В.А. Бандурин

Дата поступления статьи: 12.12.2013

В статье рассматриваются методы моделирования напряженно-деформированного состояния, необходимые для оценки различных граничных условий технического состояния длительно эксплуатируемого железобетонного консольного водосброса. Входе длительной эксплуатации гидротехнических сооружений многие конструктивные элементы выходят из строя. Оценивалась степень риска аварии элементов железобетонного консольного водосброса. В постановке эксперимента ставилась задача определить остаточный ресурс, а именно степень надежности сооружения технического состояния за период эксплуатации, более 60 лет, при различных видах дефектов и повреждений, а также оценивался остаточный ресурс. Разработан комплекс с использованием системы базы данных Microsoft Access.

Ключевые слова: гидротехнические сооружения, консольный водосброс, напряженно-деформированное состояние, численное моделирование, техническое состояние, остаточный ресурс.

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Большинство длительно эксплуатируемых гидротехнических сооружений России находится неудовлетворительном в состоянии, требующем модернизации и реконструкции. По прошествии длительного периода эксплуатации гидротехнические сооружения продолжают работать, без плановых ремонтов, необходимо произвести техническую реконструкцию сооружения на базе инновационных, а также ранее проверенных технологий ремонта.
Консольный водосброс - открытое сопрягающее гидротехническое сооружение, где вода сначала совершает движение по сооружению, а затем – поток воды свободно сбрасывается на неукрепленный грунт. Такие сооружения наиболее экономичны, так как при одной и той же разности бьефов их железобетонная часть значительно меньше, а водобойная часть вообще не укрепляться и в основном они устраиваются на скальных грунтах. Когда грунты слабые, то консоль гасителя необходимо выносить на большое расстояние или же укрепить легко размываемый грунт в месте падения потока воды. В наиболее опасных случаях падающий с гасителя поток направляют в водобойный колодец, для гашения энергии, из которого он в дальнейшем отводится от сооружения. Наиболее распространены железобетонные и бетонные гасители, так как экономически выгодны [1].
Оценка остаточного ресурса водопроводящих сооружений, а именно консольных водосбросов, включает в себя поиск причин ухудшения степени физического износа, а также проектирование этапов мероприятий по обеспечению их надежного работоспособного технического состояния [2].
Всего в России находиться в эксплуатации гидротехнические сооружения, попадающие под действие закона «О безопасности гидротехнических сооружений» № 117-ФЗ [3], около 65 тысяч.
Безопасная эксплуатация гидротехнических сооружений обеспечивается следующими способами:
- подержание сооружений в технически исправном состоянии, которое выполняется эксплуатационниками;
- осуществление государственного надзора за безопасностью сооружений (производится Ростехнадзором);
- декларирование безопасности гидротехнических сооружений и внесение в Российский регистр.
Актуальность безопасности гидротехнических сооружений с каждым годом возрастает. Поэтому необходимо предвидеть аварийное разрушение сооружения и своевременно оценить остаточный ресурс его технического состояния.
Сейчас применяются различные параметры по оценке остаточного ресурса длительно эксплуатируемых гидротехнических сооружений, которые представлены в нормативно-технической документации (Зарегистрировано в Минюсте РФ 18.05.2002 N 3449) подразделяют:
- критерии безопасности 1-го уровня;
- критерии безопасности 2-го уровня.
Классификация состояния гидротехнических сооружений выполняется на основе критериев безопасности по видам:
- надежное эксплуатационное состояние гидротехнических сооружений (работоспособное);
- удовлетворительное эксплуатационное состояние (частично неработоспособное);
- предаварийное эксплуатационное состояние (предельное) [4].
Железобетонные консольные водосбросы в основном проектировались как балочно-рамная система. Водоперепускной лоток является рамой воспринимающей изгибающие моменты и перерезывающие силы, а также системой балок и ригелей перекрывающих пролет над дорогой.
Основной опорой водоперепускного лотка являться с нагорной стороны - бетонная подпорная стена которая поддерживает откос выемки, а с внешней стороны - опора из двух стоек. Продольный уклон водоперепускного лотка будет равен 1,5%. Для гашения скорости течения воды русло имеет уклон от 1:1 и укреплено бетонным лотком, для исключения размыва грунта и сползания породы основания косогора [5].
Рамная конструкция перекрывает два пролета, с внешней стороны лоток водосброса может иметь консольный вылет длиной от 4 м. Для обеспечения устойчивости вышележащего земляного полотна дороги в месте падения струи воды с консольного водосброса предусмотрено каменное мощение, а также подпорная стена для укрепления сооружения.
Была построена твердотельная модель напряженно – деформированного состояния железобетонного консольного водосброса. Число элементов и число узлов ансамбля соответственно составило 127830 и 102740. Кодирование исходной информации осуществлялось в терминах метода приращений с учетом фрагментального представления железобетонного консольного водосброса в виде – пластин и стержней. Спроектированный железобетонный консольный водосброс выполнен из бетона марки – В 25.
В постановке численного расчета железобетонного консольного водосброса преследовалась цель установления адекватности твердотельной модели напряженно – деформированного состояния при максимальном напоре воды с существующими натурными испытаниями при различных граничных условиях [6].
При проведении расчетов наибольшие значения нормальных напряжений при полном загружении составили 782,325.·107 Н/м2, а в численном расчете моделировании работы водосброса – 802,274·107 Н/м2, что составляет разницу менее 5% и подчеркивает адекватность твердотельной модели напряженно – деформированного состояния железобетонного консольного водосброса [7].
Обработка полученных данных моделирования показало наличие незначительных перемещений, как по горизонтали, так и по вертикали вдоль сооружения, что подтверждает расчеты о наличии большого запаса прочности конструкции железобетонного консольного водосброса.
На рис. 1 показана эпюра суммарных перемещений, где показано наличие наибольших суммарных перемещений, а именно в местах образования прогиба железобетонного консольного водосброса по длине.


Рис. 1. Эпюра суммарных перемещений

Суммарные перемещения по горизонтали вдоль балочно-рамной системы показывают малые смещения зон опирания второстепенных железобетонных балок, а суммарные перемещения по горизонтали поперек системы показывают критическое смещение колонны при потери несущей способности уже при 40%, которая тянет за собой и опертые на нее железобетонные балки [8].
При сравнении эпюр эквивалентного напряжения von Misеs наибольшие напряжения возникают по вертикали балочно-рамной системы, а именно на горизонтальных ригелях опертых на нее. Данные результаты свидетельствуют о возникновении критических напряжений в местах опирания водоперепускного лотка консольного водосброса, что приводит к разрушению рассматриваемых элементов и потере несущей способности всего сооружения.
На рис. 2 показаны наибольшие напряжения, возникающие в местах опирания железобетонного консольного водосброса на анкерные опоры, который работает как балочно-рамная система, жестко закрепленная на колоннах. По горизонтали возникают напряжения в нижней части балочно-рамной системы, а в напряжениях по вертикали в основном с боков вдоль фрагмента в нижней части опирания и посередине железобетонного консольного водосброса [9].
Стадии напряженно-деформированного состояния консольного водосброса - различаются при постепенном увеличении внешней нагрузки. Различают три характерные стадии; 1 – до появления трещин растянутой зоны в бетоне; 2 – после появления трещин растянутой зоны в бетоне; растягивающие усилия в местах, где образовались трещины, воспринимаются арматурой и участком бетона над трещиной; 3 – стадия разрушения, когда за короткий период напряжения в растянутой арматуре достигают физического или условного предела текучести [10].
В этой зоне происходит образование дефектов ведущих к разрушению железобетонного консольного водосброса, данная особенность моделирования подтверждается визуальными наблюдениями дефектов и повреждений, различных длительно эксплуатируемых гидротехнических сооружений. Из обработки полученных данных установлено, что опасным является снижение фактической толщины арматурного каркаса водоперепускного лотка не более на 15% от проектной, которое ведет к выходу из строя железобетонного консольного водосброса [11].


Рис. 2. Эпюра эквивалентного напряжения по von Misеs по горизонтали

Данные методы моделирования подчеркивают адекватность модели напряжено-деформированного состояния консольного водосброса, а именно включения в работу гидротехнического сооружения дефектов и повреждений. Получены результаты расчетов потери устойчивости и просадки водосброса в виде эпюр избыточных эквивалентных по горизонтали и вертикали von Misеs и абсолютных перемещений.
В ходе моделирования просадки, приведенного на рис. 3, и потери устойчивости на дне лотка установлено, что происходит потеря устойчивости опирания элементов непосредственно в эпицентре образования дефекта консольного водосброса, в дальнейшем происходить увеличение по направлению к его центру. Вертикальные напряжения увеличиваются по балочно-рамной системе сооружения, а горизонтальные напряжения перпендикулярно. В дальнейшем с увеличением размера дефекта происходит смещение колонн относительно подстилающего грунта и потеря устойчивости их, как вокруг горизонтальной и вертикальной осей.


Рис. 3. Эпюра избыточных эквивалентных напряжений по von Misеs

Выполнен трехмерный анализ жесткости консольного водосброса с учетом контактного опирания. В ходе проведённого анализа выявлено, что вертикальные напряжения увеличиваются по оси водоперепускного лотка, а горизонтальные напряжения перпендикулярно оси консольного водосброса.
При незначительных потерях толщины арматуры на эпюрах перемещений характерно отражаются допустимые значения [12]. Образование дефектов приводит к нарушению нормального технического состояния  железобетонного консольного водосброса.
В ходе проведенного расчета были выделены зоны консольного водосброса, которые содержат однотипные виды повреждений, что позволяет в дальнейшем упорядочить специфику прокладывания профилей георадаров и определения мест для измерения толщины металла.
Программно-технический комплекс (ПТК) для проведения оценки остаточного ресурса технического состояния гидротехнических сооружений предназначен для определения различных параметров дефектов и повреждений, а также расчета прогнозируемого срока остаточного ресурса их элементов [13].
При создании ПТК использованы результаты проведенных наблюдений и исследований, к которым относятся:
– результаты произведенного визуального осмотра консольного водосброса;
– геометрические размеры дефекта, полученные при помощи георадара ОКО-2.
Техническая часть ПТК для проведения эксплуатационного мониторинга включает в себя техническую схему и может быть использована для проведения оценки остаточного ресурса технического состояния консольного водосброса и грунтов под ними, выявлению опасных дефектов и повреждений, а также оценке и прогнозированию его технического состояния и дальнейшей пригодности к эксплуатации [14].
В качестве исходных данных для работы программной среды ПТК служат результаты наблюдений и исследований, к которым относятся:
– результаты произведенных выявлении дефектов;
– количественные параметры повреждения элементов консольного водосброса;
– количественная оценка в различных частях элементов консольного водосброса.
Оценивалась также степень риска аварии элементов консольного водосброса. ПТК запроектирован с использованием линейки системы управления базами данных Microsoft Access, проекта Microsoft Access [15].
В программной среде ПТК существует также возможность выводить профили георадарного зондирования с каждой антенны и производить обработку полученных данных. В среде ПТК, возможно, также проводить классификацию дефектов и координатную привязку с помощью системы ГЛОНАСС.
Использование предлагаемого ПТК позволяет выполнить оценку и прогнозирование напряженно-деформированного состояния и степени риска аварии элементов консольного водосброса. Одной из злободневных задач в настоящее время в сфере обеспечения безопасности длительно эксплуатируемых гидротехнических сооружений является оценка остаточного ресурса.

Литература:

1.Reinertsen R. Residual life of technical systems; diagnosis, prediction and life extension // Reliability Engineering & System Safety. 1996. Т. 54. № 1. С. 23-34.
2. Бандурин, М.А. Мониторинг и расчет остаточного ресурса аварийных мостовых переездов через водопроводящие сооружения [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, № 4. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4p1y2012/1260 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
3. Ray A.K., Tiwari Y.N., Chaudhuri S. Evaluation of mechanical properties and assessment of residual life of a service-exposed water wall tube // Engineering Failure Analysis. 2000. Т. 7. № 6. С. 393-402.
4. Ищенко, А.В.Повышение эффективности и надежности противофильтрационных облицовок оросительных каналов [Текст]: Монография / А.В. Ищенко. – Ростов-на-Дону, Сер. Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион, 2006. – 364 с.
5. Бандурин, М.А. Особенности технической диагностики длительно эксплуатируемых водопроводящих сооружений [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, № 2. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n2y2012/861 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
6. Бандурин, М.А. Совершенствование методов проведения эксплуатационного мониторинга и определения остаточного ресурса водопроводящих сооружений [Текст] // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. 2013. № 1. С. 68-79.
7. Бандурин, М.А. Проблемы оценки остаточного ресурса длительно эксплуатируемых водопроводящих сооружений [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, №3. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/891 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
8. Бандурин, М.А. Совершенствование методов продления жизненного цикла технического состояния длительно эксплуатируемых водопроводящих сооружений [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2013, №1. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n1y2013/1510 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
9. Бандурин, М.А. Особенности технической диагностики длительно эксплуатируемых водопроводящих сооружений [Текст] // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. 2005. № 1. С. 141.
10. Бандурин, М.А. Конечно-элементное моделирование напряженно-деформированного состояния Ташлинского дюкера на Право-Егорлыкском канале [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, №3. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/889 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
11.Бандурин, М.А.Применение программно-технического комплекса для решения задачи проведения эксплуатационного мониторинга и определения остаточного ресурса водопроводящих сооружений [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, №4. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4p1y2012/1200 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
12. Бандурин, М.А. Мониторинг напряженно-деформированного состояния мостовых переездов на водопроводящих каналах [Текст] // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. 2012. № 4. С. 110-124.
13. Дьяченко В.Б., Бандурин М.А. Мониторинг длительно эксплуатируемых мелиоративных систем с помощью неразрушающих методов диагностики [Текст] // Труды Кубанского государственного аграрного университета. 2009. Т. 1. № 21. С. 169-171.
14. Бандурин, М.А. Моделирование напряженно-деформированного состояния оросительного лотка-оболочки [Электронный ресурс] // «Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета», 2006, № 24. С. 76-81. - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2006/08/pdf/33.pdf, (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
15. Ткачев, А.А. Управление водораспределением в оросительных магистральных каналах [Текст] // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова, 2010, № 06. С. 24-27.