Учебное пособие 1659

11

Рис. 4. Низшие собственные формы колебания висячего трубопроводного перехода: а) вертикальная форма 1в, б) форма 2в, в) горизонтальная форма 1г, г) форма 2г

Исследовалось влияние описанных безразмерных конструктивных параметров висячего трубопровода на собственные частоты и соответствующие формы свободных колебаний. Модальный анализ показал, что собственные частоты малых свободных колебаний снижаются с увеличением параметра деформативности системы r (рис. 5). Кроме того, с уменьшением жесткости висячей системы форма 1в перемещается на более высокое место, уступая формам 2в и 2г. Изменение параметров кабельной фермы: относительной стрелы провисания кабеля f/l и относительной жесткости кабельной фермы n0 оказывают значительное влияние только на форму 1в.

Рис. 5. Графики зависимости низших собственных частот от коэффициента деформативности висячего перехода

Низшие собственные формы с деформированием в вертикальной плоскости по одной и двум полуволнам синусоиды имеют во всем рассматриваемом диапазоне изменения коэффициента деформативности практически одинаковые частоты, их можно считать кратными.

При выполнении динамических расчетов трубопроводов на нагрузки, действующие в продольном направлении (например, инерционные силы, возникающие при гидравлическом ударе) необходим анализ собственных форм продольных колебаний трубопроводов. Сильфонные компенсаторы, устанавливаемые на протяженных трубопроводных переходах во избежание возникновения усилий от температурного сжатия или расширения, имеющие малую жесткость в продольном направлении, оказывают влияние на частоты продольных колебаний трубопровода, смещая их на низшие позиции спектра. При

13

Наибольшее влияние наблюдается для низшей собственной формы, при которой стержень колеблется без деформирования как жесткое тело.

Четвертый раздел диссертации посвящен экспериментальнотеоретическим исследованиям реакции на кратковременные силовые воздействия эксплуатируемого висячего трубопроводного перехода. Производится сравнительный анализ экспериментальных виброграмм с данными, полученными при численных расчетах КЭ-модели реального водовода с помощью двух методик: разложения по собственным формам и непосредственного интегрирования.

Натурные экспериментальные исследования осуществлялись в январе 2015 года на эксплуатируемом висячем водоводе через р. Оку в г. Орле диаметром 820 мм и основным пролетом 76 м. В ходе эксперимента возбуждались колебания трубопровода путем приложения силового воздействия в одном из двух характерных сечений, расположенных в середине и четверти пролета (рис. 8).

Рис. 8. Схемы проведения эксперимента: а) силовое воздействие осуществляется в середине пролета, б) силовое воздействие - в четверти пролета

Силовое воздействие передавалось на трубопровод путем периодического натяжения и ослабления двух концов троса, прикрепленного к трубе водовода. Регистрация возбуждаемых при проведении натурного эксперимента колебаний осуществлялась с помощью электронного измерительного комплекса с использованием двух триангуляционных лазерных датчиков серии РФ603 производства

ООО «РИФТЕК» (республика Беларусь). Изучение динамической реакции висячего трубопровода осуществлялось на двух сериях экспериментов, в каждой из которых силовое воздействие на конструкцию осуществлялось в среднем сечении трубопровода или в четверти пролета. В первом случае возбуждались симметричные собственные формы сооружения, а во втором – антисимметричные.

Для оценки возможности и условий применения разработанной в диссертации динамической КЭ-расчетной схемы висячего трубопровода выполнялось сопоставление экспериментальных данных с результатами расчетного моделирования колебаний на реализованные в эксперименте силовые импульсные воздействия в среднем сечении (рис. 9, а) и четверти пролета (рис. 9, в). Расчетные графики по методу разложения по собственным формам и по методу непосредственного интегрирования дали практически одинаковые результаты. Анализируя приведенные на рис. 9 графики, можно сделать вывод об удовлетворительной сходимости амплитуд колебаний в зоне приложения нагрузки, полученных при расчете по двум методикам, с результатами эксперимента. Амплитуды в сечениях, удаленных от точки приложения нагрузки, несколько меньше экспериментальных.

15

Рис. 10. Схема приложения инерционных сил при гидравлическом ударе

Для определения ударных сил, возникающих в трубопроводе, запишем закон сохранения энергии:

шей увеличенный объем участка трубопровода во время гидравлического удара,

– начальная скорость жидкости. В правой части уравнения (2) приведены сле-

сти соответственно до и после закрытия заслонки, – скорость распространения ударной волны вдоль трубопровода. Изменение объема трубы в процессе гидравлического удара найдем, используя закон Гука для преобразования кольцевых напряжений, найденных по формуле Лапласа для цилиндрических оболочек. Потери энергии, связанные с демпфированием трубопроводной системы, могут быть вычислены с помощью различных аналитических методик или эмпирически. В настоящем исследовании демпфирование учитывалось с помощью коэффициентов затухания по Рэлею пропорционально массе и жесткости расчетной схемы, назначаемых в соответствии с результатами анализа опытных данных.

Для нахождения ударной силы из уравнения (2) определяется зависимость между ударной силой и вызываемой ею деформацией несущей системы в продольном направлении, определяемой методами строительной механики. Максимальное значение ударной силы растет с увеличением жесткости трубопроводной системы в продольном напрвлении.

Для исследования особенностей НДС висячих трубопроводных переходов при возникновении гидравлического удара выполнялись численные динамические расчеты в ВК SAP 2000 для эксплуатируемого в г. Орле водовода диаметром 820 мм и пролетом 76 м. В расчетах фактические параметры сооружения считались

18

Для анализа представленных на рис.13, а эпюр приведем характерные величины: максимальные изгибающие моменты в трубопроводе вблизи правого конца - 7355 кНм, у противоположного конца водовода -325 кНм, максимальный пролетный момент - 450 кНм, максимальная продольная сила - 4555 кН. На рис.13, б графики расчетных продольных перемещений (сплошная линия) закрепленного трубопровода сравниваются с аналогичными величинами (штриховая линия), полученными для расчетной схемы без закрепления опорных узлов трубопровода. Видна существенная разница, особенно в первые моменты времени. Развивающиеся в трубопроводе усилия достаточны для разрушения установленных закреплений трубопровода, что имело место на реальном объекте. Кроме того, график свидетельствует о возникновении слабозатухающих колебаний с высокой частотой (2.5 Гц) и амплитудой, достигающей 5 см на протяжении длительного времени после прекращения воздействия. Такие колебания могут приводить к усталостному разрушению материала трубопровода, и должны устраняться путем увеличения гибкости и усиления демпфирующих свойств трубопроводной системы.

Выполненные расчеты показывают, что при гидравлическом ударе в трубопроводах большого диаметра со сложным профилем могут возникать ударные нагрузки, вызывающие усилия и перемещения, значительно превышающие усилия и перемещения от статических нагрузок.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По итогам выполненных в диссертационной работе теоретических и экспериментальных исследований сделаны следующие выводы:

на основе анализа современного состояния рассматриваемой проблемы расчета в нелинейной постановке висячих трубопроводных переходов выявлено, что при разработанности теории висячих систем для применяемых в мостостроении сооружений отсутствуют системные исследования нелинейного деформирования висячих трубопроводных сооружений при статических нагружениях и динамических нагрузок при гидравлическом ударе;

разработаны и сопоставлены различные варианты конечноэлементных статических и динамических моделей однопролетных висячих трубопроводных переходов, учитывающих особенности их конструктивных решений;

обоснована применимость принятых в теории висячих мостов основных безразмерных параметров висячих несущих систем: коэффициента деформативности в вертикальной и горизонтальной плоскостях, относительной жесткости кабельной системы и изгибной жесткости трубопровода, относительной стрелы провисания несущего кабеля; введен дополнительный безразмерный – параметр, характеризующий относительную жесткость температурных компенсаторов.

выполнены численные исследования влияния геометрической нелинейности деформирования висячих трубопроводов при статических равновесных

инеравновесных загружениях временной нагрузкой для используемых в строительстве параметров трубопроводных переходов.

19

анализ динамических параметров применяемых в строительстве конструкций висячих трубопроводных переходов выявил особенности спектра собственных частот и взаимное расположение собственных форм свободных колебаний с перемещениями трубопровода в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

выполненные на эксплуатируемом висячем трубопроводе экспериментальные исследования динамической реакции на кратковременные силовые воздействия позволили выявить особенности колебаний, которые различаются в зависимости от возбуждаемых собственных форм; наряду обычной реакцией на возбуждение могут возникать резонансные колебания с повышенными амплитудами; благодаря повышенной деформативности сооружения и наличия плотного спектра собственных частот и возможных кратных частот, могут возникать неустойчивые колебания типа биения с перекачкой энергии из одних форм движения в другие;

разработана основанная на использовании современных конечноэлементных комплексов методика моделирования динамического поведения висячих трубопроводных переходов на возникающие при гидравлическом ударе воздействия, которая может эффективно использоваться при проведении научных исследований и на стадии проектирования.

Выполненные исследования динамического поведения трубопроводных переходов при нестационарных режимах эксплуатации показали, что усилия, возникающие при гидравлическом ударе в трубопроводе, существенно увеличиваются с ростом жесткости системы в продольном направлении и могут приводить к разрушительным последствиям; приводится пример такого явления на эксплуатируемом сооружении.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

Публикации в журналах, входящих в перечень ВАК:

1.Доманова Ю.А. Нелинейный статический анализ висячего трубопроводного перехода на действие вертикальной временной нагрузки / Ю.А. Доманова, В.С. Сафронов // Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура – Воронеж, 2014. – Вып. 3 (35) – С. 118 – 127

2.Доманова Ю.А. Динамические характеристики висячих двухпилонных трубопроводных переходов с вертикальными подвесками / Ю.А. Доманова, В.С. Сафронов // Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура – Воронеж, 2015. – Вып. 1 (37) – С. 112 – 123

Публикации в других изданиях:

3.Доманова Ю.А. Исследование влияния ветровых связей на динамические параметры и оценка возможности возникновения вихревого резонанса при эксплуатации трубопроводного перехода / Ю.А. Суханова // Научный вестник ВГАСУ. Студент и наука – Воронеж, 2010. – Вып. 6, С. 24-28

20

4.Доманова Ю.А. Прочностной анализ несущих конструкций висячего трубопровода через реку Ока в г. Орел / Ю.А. Суханова, В.С. Сафронов, // Строительная механика и конструкции – Воронеж, 2010. – Вып. 1, С. 59 – 64

5.Доманова Ю.А. Динамический расчет висячего трубопровода при гидравлическом ударе / Ю.А. Суханова, В.С. Сафронов, // Строительная механика и конструкции. – Воронеж, 2011 – Вып. 1 (2), 2011, С. 67 – 77

6.Доманова Ю.А. Нелинейный статический анализ трубопроводного перехода с вантовой несущей системой / Ю.А. Доманова, В.С. Сафронов // Строительная механика и конструкции. – Воронеж, 2012 – Вып. 1 (4), С. 91 – 97

7.Доманова Ю.А. Предотвращение разрушения висячих трубопроводных переходов при внезапной остановке насоса / Ю.А. Доманова, В.С. Сафронов // Механика разрушения бетонов, железобетонов и других строительных материалов. Сборник статей по материалам 7-й международной научной конференции: в двух томах – Воронеж, 2013 – С. 39 – 46

8.Доманова Ю.А. Расчетная схема висячего трубопровода для статического анализа несущей системы на действие вертикальной нагрузки / Ю.А. Доманова, В.С. Сафронов, // Строительная механика и конструкции – Воронеж, 2014. – Вып. 1 (8) – С. 49 – 56

9.Доманова Ю.А. Расчетный анализ натурных измерений резонансных колебаний висячего водовода / Ю.А. Доманова // Строительная механика и кон-

струкции – Воронеж, 2015. – Вып. 1 (10) – С. 37 – 47

_________________________________________________________________

__

Отпечатано: отдел оперативной полиграфии издательства учебной литературы и учебно-методических пособий Воронежского ГАСУ

394006 Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84