Анализ напряженного состояния вблизи полостей и раковин бетонных гидротехнических сооружений методом граничных интегралов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.07, кандидат технических наук Усачева, Александра Александровна

• Усачева, Александра Александровна
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Усачева, Александра Александровна

Содержание.

Введение. 1. Состояние вопроса и задачи исследований.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ напряженного состояния вблизи полостей и раковин бетонных гидротехнических сооружений методом граничных интегралов»

Актуальность проблемы. Одними из наиболее распространенных дефектов массивных бетонных гидротехнических сооружений (плотин, подпорных стен и др.) являются раковины и полости, которые ухудшают условия работы сооружения, снижая его прочность и устойчивость, повышая деформативность и водопроницаемость.

Такие дефекты могут быть вызваны использованием низкокачественного бетона, неправильным ведением технологического процесса и неверными конструктивными решениями.

Раковины на поверхности гидротехнического сооружения появляются на стадии производства работ в результате расслоения под опалубкой бетонной смеси.

Пустоты в теле бетона формируются также при производстве работ, когда крупный заполнитель бетонной смеси на каком-либо участке не проходит между арматурными стержнями.

В настоящее время отсутствуют данные о напряженном состоянии вблизи раковин и полостей разнообразной формы и ориентации, которые встречаются при обследованиях массивных бетонных гидротехнических сооружений.

Отсутствие научно-обоснованной методики расчета напряженного состояния вблизи сложных (как по форме, так и по виду напряженного состояния) раковин и полостей не дает возможности установить необходимость их ремонта с точки зрения пригодности гидротехнических сооружений к дальнейшей эксплуатации.

Целью работы является разработка практических рекомендаций по определению напряженного состояния вблизи раковин и полостей самой разнообразной формы и ориентации, которые встречаются при обследованиях массивных бетонных гидротехнических сооружений. Из поставленной цели вытекают следующие задачи исследований:

1. Разработка и обоснование методики расчета и программы на ЭВМ, f учитывающих различные параметры, встречающиеся при обследованиях массивных бетонных гидротехнических сооружений: форму раковин и полостей, их ориентацию, расположение по высоте сооружения;

2. Параметрический анализ зависимости напряженного состояния вблизи раковин и полостей массивных бетонных гидротехнических сооружений от вышеперечисленных факторов;

3. Разработка практических рекомендаций по оценке напряженного состояния вблизи раковин и полостей массивных бетонных гидротехнических сооружений.

Научная новизна: разработана методика расчета, основанная на методе граничных • интегралов по определению напряженного состояния вблизи раковин и полостей, учитывающая различные факторы, встречающиеся при обследованиях массивных бетонных гидротехнических сооружений: форму раковин и полостей, их ориентацию, расположение по высоте сооружения; впервые проведен параметрический анализ зависимости напряженного состояния вблизи раковин и полостей от вышеперечисленных факторов; впервые составлены таблицы предельных высот расположения раковин и полостей в массивных бетонных гидротехнических сооружениях, при которых начинается развитие трещин.

Практическая ценность работы. Разработанная нами методика расчета дает возможность достаточно надежно и научно обосновано определять « напряженное состояние вблизи раковин и полостей массивных бетонных гидротехнических сооружений. Разработанная на ее основе программа для ЭВМ проста в эксплуатации и учитывает разнообразные факторы, встречающиеся при обследованиях гидротехнических сооружений: форму раковин и полостей, их ориентацию, расположение по высоте сооружения. Впервые полученные нами таблицы предельных высот могут быть использованы в практике обследования массивных гидротехнических сооружений для выявления нестабильных раковин и полостей.

Реализация работы. Разработанная методика, программа и таблицы могут быть внедрены в практику проектирования и эксплуатации массивных бетонных гидротехнических сооружений.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях Московского Государственного Университета Природообустройства, кафедрах гидротехнических сооружений и инженерных конструкций в 2001-2003 г.г.

Публикации. По материалам диссертации опубликованы три печатные работы.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии (60 наименований, 13 на иностранных языках) и содержит 130 страниц текста, включая 63 рисунка и 6 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Гидротехническое строительство», Усачева, Александра Александровна

Заключение

1. Нами совместно с Научно-исследовательским институтом энергетических сооружений было произведено обследование шлюза № 2 канала имени Москвы. В результате обследования были обнаружены крупные и мелкие раковины, расположенные в верхней части стены шлюза. Большая часть крупных раковин наблюдалась на высоте более 8 м от дна шлюза. Они вытянуты вдоль стен шлюза и имеют форму близкую к овалу с волнообразным контуром. Кроме того, проводились исследования бетонных образцов в форме куба с длиной ребра 15 см. Все обследованные раковины в зависимости от формы были разбиты на группы и типы.

2. В соответствии с 1-ой задачей исследований нами разработана вычислительная программа метода граничных интегралов для расчета на персональных ЭВМ напряженного состояния вдоль контура раковин и полостей массивных бетонных гидротехнических сооружений, удобная для применения и успешно прошедшая тестирование.

3. Все раковины и полости в зависимости от разработанной нами формы были условно разбиты на группы, типы и подтипы. Проведенный нами параметрический анализ зависимости напряженного состояния вокруг раковин и полостей от их формы показал, что в группах I, II и III наибольшие максимальные напряжения растяжения и сжатия наблюдаются у раковины ИЛИ ПОЛОСТИ группы III подтипа 26 (т| ~ щах = 1,151 И Т|+ щах = 4,900).

4. Сравнение групп I, И, III и IV показывает, что наиболее опасными являются раковины и полости группы III. Для группы V максимальное растягивающее тангенциальное напряжение (rfmax = 1,811) наблюдается у раковины и полости подтипа 26, а максимальное сжимающее напряжение (Л+ max = = 6,605) — у раковины подтипа 1а.

5. Анализ, проведенный по всем группам, показал, что наибольшую опасность с точки зрения максимальных растягивающих и сжимающих напряжений представляют раковины и полости группы V (л "max = 1,811; Л+ max = = 6,605).

6. На основании проведенных расчетов нами впервые составлены таблицы предельных высот гидротехнических сооружений над раковинами и пустотами разработанной нами формы, при которых от них начинается образование трещин, в зависимости от класса бетона. Наиболее опасными являются раковины и полости типов 1 и 2 группы V (Н = 16,4 м при В10 -растяжение, Н= 12,6 м при В10 - растяжение). Опасны также раковины и полости типа 2 группы III (Н = = 19,8 м при В10 - растяжение).

7. В соответствии со 2-ой задачей исследований нами впервые проведен параметрический анализ зависимости напряженного состояния вокруг обследованных раковин от их формы показал, что для раковин в группах I и II наиболее опасной является раковина типа 2 группы II (л max = 1,709 и г|+ шах = 4,200). Для раковин групп III и IV большие значения максимальных напряжений растяжения и сжатия наблюдаются у раковин типа 2 группы III (л "шах = 1,134 И V max =4,012).

8. Сравнение эпюр раковин IV и V групп показывает, что большее максимальное напряжение растяжения (л max = 1,846) наблюдается у раковин типа 2 группы V, а наибольшее максимальное напряжение сжатия (л+тах= 3,878) наблюдается у типа 1 группы IV. Для VI и VII групп большие максимальные напряжения растяжения и сжатия наблюдаются у раковин типа 2 Группы VII (л " max = 1,615 и л+ max = 5,653).

9. Проведенный анализ по всем группам обследованных раковин показывает, что наибольшую опасность с точки зрения максимальных растягивающих напряжений представляют раковины типа 2 группы V (л"max = = 1,846), а с точки зрения максимальных сжимающих напряжений - типа 2 группы VII (л+ шах = 5,746).

10. В соответствии с 3-ей задачей исследований на основании проведенных расчетов нами впервые составлены таблицы предельных высот гидротехнических сооружений над обследованными раковинами, при которых от них начинается образование трещин, в зависимости от класса бетона. Наиболее опасной является раковина типа 1 группы V (Н = 12,4 м; В10 - растяжение). Менее опасной является раковина типа 2 группы VIII (Н = 16,2 м; В10-растяжение). Наименее опасной является раковина типа 1 группы II (Н = 30,6 м; В10- растяжение).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Усачева, Александра Александровна, 2003 год

1. Аверин А. М., Бурмистров Е. Ф. Распределение напряжений в балках с отверстием. В кн.: Некоторые задачи теории упругости о концентрации напряжений, равновесии и колебаниях упругих тел. Изд-во Саратовского ун-та, 1964.

2. Аветисян А.С. Исследование концентрации напряжений в бесконечной плоскости, ослабленной отверстием в форме ромба, при двухосном напряженном состоянии. В кн.: Уч. зап. Ереванского пединститута, 2,1963. — 87-104 с.

3. Амензаде Ю.А. Теория упругости. Изд. 3-е. — М.: Высшая школа, 1976. —210 с.

4. Ахметзянов Ф.Х. Оценка прочности и долговечности повреждаемых бетонных и железобетонных элементов. — Казань: Новое знание. 1997. 68 с.

5. Альбрехт Р. Дефекты и повреждения строительных конструкций./ Пер. с нем. — М.: Стройиздат, 1979. — 208 с.

6. Бабич И.Ю., Каминский А.А. О критических нагрузках, вызывающих развитие трещин возле эллиптического отверстия. — Прикл. мех. М. 1965.

7. Бенерджи П. Баттерфилд Р. Методы граничных элементов в прикладных науках. — М.: Мир, 1984. — 494 с.

8. Баклашов И.В. Концентрация напряжений около отверстий с волнистым контуром. — В кн.: Научн. тр. Моск. ин-та радиоэлектроники и горной электромеханики, 1964. — 49 с.

9. Бойм А.А. О концентрации напряжений в растянутой бесконечной пластине, ослабленной отверстием трапецеидальной формы. В кн.: Научн. зап. Львовск. политехи, ин-та, 1955. — 121-125 с.

10. Бурмистров Е. Ф. Концентрация напряжений в пластинке с отверстием -Изв. АН СССР, ОТН, 1958. — 8, 41-47 с.

11. Бурмистров Е. Ф. О концентрации напряжений около овальных отверстий некоторого вида.— В. кн.: Инж. сб., 17. Изд-во АН СССР, М., 1953.

12. Бурмистров Е. Ф. Некоторые задачи теории конструктивно ортотропных оболочек и концентрации напряжений в пластинах . Автореферат докт. диссерт. институт мех. АН УССР, К., 1963.

13. Вайнберг Д.В., Синявский А.А. Концентращя напружень в дисках з отворами спещально! форми.— ДАН УРСР, 1960. — 1358- 1363 с.

14. Гидротехнические сооружения / под ред. Н,П. Розанова. М.: Агропромиздат, 1985. — 431 с.

15. Гидротехнические сооружения / под ред. Г.М. Каганова. Т.2, М.: Энергоатомиздат, 1994. 464 с.

16. Гибшман М.Е. и др. Мосты и сооружения на дорогах, часть 2, — М.; Транспорт, 1972. 404 с.

17. Гришин М.М., Слисский С.М., Антипов А.И. и др. ГТС, Учебник для строительных спецвузов. Часть 1-2. — М.: Высшая школа, 1979.

18. Гринев В.Д. Тексты проблемных лекций по курсу "Железобетонные и каменные конструкции" для студентов специальности 29.03.П.Г.С.— Минск, 1988.

19. Грушко Г.С. Распределение напряжений около отверстия, имеющего форму полукруга, край которого подвержен равномерному давлению.— В кн.: Научн. тр. Харьковск. горного ин-та. 1962. — 218220 с.

20. Гурьянов В.М., Космодамианский А.С. Вплив кривини на напружений стан 1зотропно! пластинки з криволшшним отвором.— Приют, мех., 1963. — 487-495 с.

21. Демидов С.П. Теория Упругости. — М.: Высшая школа, 1979. — 432 с.

22. Долидзе Д.Е. Испытание конструкций и сооружений. — М.: Высшая школа. 1975. — 254 с.

23. Зенкевич О., Чанг И. Метод конечных элементов в теории сооружений и в механике сплошных сред,- М.: Наука, 1974. — 240 с.

24. Исследование гидротехнических сооружений, их аварий и реконструкций: Сб. науч. тр. МГМИ. 1990.

25. Колосов Г.В. Об одном приложении теории функций комплексного переменного к плоской задаче математической теории упругости. Юрьев, 1909.

26. Крауч.С., Старфилд А. Методы граничных элементов в механике твердого тела. — М.: Мир. 1987. 328 с.

27. Лещинский М.Ю. Испытание бетона. Справочное пособие. — М.: Стройиздат, 1980. 360 с.

28. Ляв А. Метематическая теория упругости. — М.: ОНТИ, 1935.

29. Мусхелишвили Н.И. Некоторые основные задачи математической теории упругости. — М.: Наука, 1966.

30. Новожилов В. В. Теория упругости. — М.: Судпромгиз, 1958.

31. Ободовский Б.А. Случай вращающегося диска, ослабленного игольчатым отверстием.— В кн.: Научн. труды Ждановск. металлург, ин-та. 1955, —300-310 с.

32. Орехов В.Г., Зерцалов М.Г. Механика разрушений инженерных сооружений и горных пород. — М.: АСВ, 1999. — 330 с.

33. Октябрьское поле, № 3, 23 января, 2001 года.

34. Огородников С.П. и др. Гидротехническое и промышленное строительство. — Калинин, 1975.

35. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. — М.: Наука, 1988.- 712 с.

36. Розанов Н.П. ГТС, Учебное пособие для высш, с-х. учеб. завед. по спец. "Гидромелиорация". — М.: Агропромиздат, 1985.— 432 с.

37. Руфферт. Г. Дефекты бетонных конструкций. — М.: Стройиздат, 1987. — 111 с.

38. Савин Г.М. Распределение напряжений около отверстий. — Киев: Наукова думка, 1965.

39. Савин Г.М. Концентрация напряжений около отверстий. — Москва: ГИИТЛ, 1951.

40. СниП 2.06.08-87. Бетонные и железобетонные конструкции гидротехнических сооружений. М.,1987.

41. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. — М,: Наука. 1975.— 576 с.

42. Третьяков А.К., Филонидов А.М. Контроль бетона ультрозвуком в ГТС. — М.: Энергия, 1964.

43. Физдель И.А. Дефекты бетонных, каменных и других строительных конструкций и методы их устронения. — М.: Госстройиздат, 1961.

44. Хар И.С. Дослщжения концентраци напруг у безкшчених пласшнках, ослабленних склепшчастим або трапецо'щальним отвором при розтягу.— ДАН УРСР, 1953. — 4, 294-298 с.

45. Хар И. С. Дослиджешя концентраци напрут у важкш швплопщш бит склепшчастого i трапецощального отвор1в, щцкршлених абсолютно жорсгкими кшьцями — ДАН УРСР, 1953.

46. Хачиян Э.Е. Растяжение пластинки с овалообразным отверстием.— В кн.: Студ. научн. тр. Ереванск. ун-та, 8, 1958. — 85-196 с.

47. Шагин А.А., Бондаренко Ю.В., Гончаров Д.Ф. Реконструкция зданий и сооружений. Учебное пособие для строительных спец. вузов. — М.:Высшая школа. 1991. — 342 с.

48. Cruze Т. A. Numerical solutions in three-dimensional elastostatics. — Int. J. Solids Struct, 1969. — p. 1259-1274.

49. Hahn H. G. Zur Spannungkonzentration in gezogenen Scheiben mit kreuzformiger Offiiung, Forsch, ind. — Wes. 30,1964. — Nr. 2, (50-53).

50. Inglis С. E. Engineering, vol. 1913. — p. 415

51. Kirch G. Die Theorie d. Elastizitat u. d. Bedurfnisse d. Festigkeitslehre, v. D, j. m. 42,29,1898. — S. 799.

52. Love A. E. H. A treatise on the mathematical theory of elastiscity, 4 edn., 1944. — New York: Dover. Имеется перевод: Ляв A.E. Математическая теория упругости. —М. —Л., 1935.

53. Mitchell L. Н. Stress concentration at semi-circular notch. «Trans ASME», 1965. — 938-939 (РЖМех., 1966. — 10B51).

54. Poshl T. Math, zeitschrift, Bd, 11, 1921. — S.95.

55. Rizzo F. J., Shippy D. J. An integral education approach to boundary value problems of classical elastostatics.— Q Appl. Math., 1967. — p. 83-95

56. Sen-Gupta A. M. Stress distributions in a thin plate around a hole in the form a loop of lemniscate of Bernoulli, Bull. Calcutta Math. Soc., 1955. — 153-156 (РЖМех., 1957.— 11,13009).

57. Showdown W. The disturbance of stress in an infinite plate by a lemniscate-shaped hole, Brit. J., Appl. Phys. 1955. — 220-223 (РЖМех., 1956,— 7,5339)

58. Sokolnikoff I. S. Matematical theory of elastisity, 1956, 2nd edn. — New York: McGraw-Hill, 1956.

59. Villaggio Piero Limiti superiori del fattore di concentrazione della tensione intorno a fori ipotrocoidali, Aerotecnica, 1, 1963. — 119-128 (РЖМех., 1964. — 10B40).

60. Yeng S. F. The use of complex variables to obtain stresses in a notched plate under tension/ «Appl. Scient. Res.», 1964-1965. — A14, N 3 (РЖМех., 1966. — 2B38).