Delist.ru

Живучесть большепролетных металлических покрытий (28.04.2010)

Автор: Дробот Дмитрий Юрьевич

{P} – вектор внешней нагрузки;

{u(t)} – вектор перемещений узлов;

(t)} – вектор скоростей в узловых точках;

{ue(t)} – вектор ускорений в узловых точках.

Для подтверждения результатов компьютерных расчетов на живучесть, в том числе применимости выбранной математической модели отказа части конструкции, необходимы экспериментальные исследования. Ввиду сложностей обеспечения подобия экспериментальной модели натурной конструкции (при учете нелинейной динамической реакции на отказ), а также технических трудностей контроля параметров НДС (перемещений, напряжений), в главе рекомендуется подход, широко используемый для оценки степени повреждения конструкций в практике современных обследований и сейсмостойкого строительства. Такой подход акцентирован на контроль параметров вибродиагностики: частот свободных колебаний до и после тестовых повреждений, а также частот затухающих колебаний (см. рис. 3). Подход может быть использован, если отказ части конструкции приводит к изменению частот на величину, хорошо поддающуюся контролю.

Рисунок 3. – К экспериментальным исследованиям на живучесть n-го уровня

В третьей главе исследуется живучесть покрытия Крытого Конькобежного Центра в Крылатском (г. Москва), представляющего вантовое сооружение, перекрывающее пространство, ограниченное полукруглым сегментом радиусом ~ 118 м (рис. 4а). В качестве объекта рассмотрения данное покрытие выбрано по причине, обусловившей цели и задачи главы – весной 2007 г. в одном из звеньев левой оттяжки произошел хрупкий срез втулки («пальца»), который привел к значительным перекосам и деформациям покрытия. Таким образом, произошел «прецедент» аварийного воздействия, которое могло привести к обрушению всего сооружения. Такой «прецедент» ? аргумент в поддержку точки зрения о недопустимости ключевых элементов в ответственных конструкциях.

При предварительном логико-топологическом анализе, основанном на анализе последствий мысленного удаления отдельных узлов или элементов конструкции, для удобства анализа представим несущие конструкции ККЦ как систему дискретного типа, состоящую из четырех взаимосвязанных частей: первая часть включает образующие поверхность диска покрытия радиальные элементы (фермы, связи по верхним поясам ферм, прогоны с уложенным по ним профнастилом) и кольцевую балку; вторая содержит все 19 вант, третья ? опорную ж.б. башню, четвертая – элементы пилонной группы (Л-образный пилон, состоящий из двух ног с затяжкой понизу, и две оттяжки с элементами упоров в ж.б. башню). В автореферате остановимся только на отказах с «самым неблагоприятным» последствием ? обрушением всего

- Отказы элементов четвертой части. Отказ затяжки по пилонам приводит к механизму – посадке Л-образного пилона на «шпагат». Отказ одной из ног пилона тоже приводит к механизму – произойдет поворот второй ноги вокруг собственной оси и относительно своей нижней опоры; аналогичными будут последствия отказа любого из узлов соединения затяжки с ногами пилона. Отказ одной оттяжки или ее упора в ж.б. башню не приводит к геометрической изменяемости сооружения, поэтому при таком повреждении потенциально возможно обеспечить живучесть за счет резервов несущей способности в элементах пилона и второй оттяжки, топологически дублирующей первую;

- Наиболее «тонкие места» – это связь второй, третьей и четвертой частей и связь третьей и четвертой частей. Связь второй и четвертой частей системы в одном узле представляет собой элемент последовательного соединения. При отказе такой логической связи (верхнего узла) система теряет структурную целостность и превращается в кинематический механизм. Аналогичные последствия будут при отказе связи между третьей и четвертой частями (опорных узлов ног пилона). Эти отказы являются «наихудшими» повреждениями;

- Анализ реализованных после аварии мер по усилению покрытия показывает, что они не достаточны – покрытие по-прежнему сохраняет нулевую живучесть: а) выполненные для опор ног пилона упоры в ж.б. башне позволят обеспечить потенциальную живучесть только при отказе затяжки пилона; б) усиление узлов кольцевой балки таким образом, что последняя работает как неразрезная, позволит обеспечить потенциальную живучесть покрытия при отказе любой, но некрайней ванты; в) ввод двух новых тросов, дублирующих и разгружающих оттяжки, не изменяет значение узловой связности сооружения, равной нулю.

Итак, до аварии ключевыми элементами являются: ноги пилона, затяжка, ванты, а ключевыми узлами: узлы ног пилона, узлы кольцевой балки, опорные узлы ферм; после восстановления из вышеперечисленных можно исключить только затяжку, ванты, кольцевую балку. Исходя из этих результатов предварительной оценки кинематических последствий вышерассмотренных тестовых повреждений, научный и инженерный интерес представляют численные динамические расчеты неусиленного покрытия только при отказе наиболее нагруженной оттяжки.

Рисунок 4. ? Привязка характерных узлов и элементов:

а) рассмотренный при численном расчете вариант конструктивной схемы;

б) элементы пилонной группы

Для численных расчетов в главе обоснованы две комбинации нагрузок со следующей интенсивностью (нагрузки приняты равномерно распределенными по покрытию; в скобках указана интенсивность нагрузки на вторую половину покрытия):

- комбинация № 1 для расчета по предельным состояниям 1-й группы и отладки математической модели 350 (270) кгс/м2;

- комбинация № 2 для расчета на живучесть 163 (138) кгс/м2.

С одной стороны, по данным об изменении частот свободных колебаний при удалении оттяжки нельзя сделать конкретного вывода о живучести покрытия; а) согласно приложению 9 СП 31-114-2004, полученный максимум изменения частот на 26 % характеризует степень повреждения от «легкой» до «умеренной»; б) отказ оттяжки по изменению частотного отклика «эквивалентен» увеличению нагрузки на покрытие до величин, соответствующих расчетному (предусмотренному при проектировании) «зимнему» периоду эксплуатации. Но с другой стороны, о рискованности принятого конструктивного решения, когда вес «половины» покрытия «перекидывается» через одну точку, удерживаемую оттяжками, свидетельствует сильная неравномерность в распределении потенциальной энергии деформации между элементами конструкции ? на элементы пилонной группы приходится ~ 80 % энергии всего сооружения [до (после) отказа на элементы двух оттяжек приходится 18 (25) % всей энергии, на элементы всех 19 вант – 47 (36) %, на элементы ног пилона – 11 (16) %, на затяжку по ногам – 1,2 (0,9) %].

Результаты численных динамических расчетов математической модели неусиленного покрытия на отказ оттяжки, наиболее нагруженной при неравномерной снеговой нагрузке, показывают, что:

1). В рамках стержневой модели вопрос сохранности покрытием несущей способности при данном повреждении находится в пределах погрешностей численных расчетов, а также в пределах границ применимости коэффициентов надежности и условий работ методики предельных состояний – полученные напряжения в элементах пилонной группы (рис. 5а) при действии нормативных постоянных и временных длительных составляющих нагрузок близки к нормативному сопротивлению по пределу текучести (максимальное нормальное напряжение ?max во второй оттяжке по истечении 0,85 с после отказа составляет 3840 кгc/см2, в левой ноге пилона – 3750 кгc/см2, в правой ноге пилона – 3100 кгc/см2, в затяжке по пилону – 3800 кгc/см2; Ryn = 3900 кгс/см2 для материала конструкций стали С390).

ледует учесть, что при строительстве и эксплуатации сооружения в оттяжках и ногах пилона могли возникнуть дополнительные усилия, например, вызванные неравномерными осадками ж. б. башни, перекосами при монтаже, неравномерностью предварительного натяжения и т. п.

Рисунок 5. – а) Нормальные напряжения в оттяжке (эл. № 4360),

ногах пилона (эл. № 2009, 2010), затяжке по пилону (эл. № 2019),

б) прогиб кучности покрытия (уз. № 12918) и верха пилона (уз. № 1411),

2). При отказе оттяжки наблюдается ряд негативных факторов:

- Величина прогиба покрытия не может гарантировать надежную фиксацию узла опирания ферм Ф2 на кольцевую балку (максимальное приращение прогиба, вызванное отказом, в момент аварии составляет ~ 61 см; см. на рис. 5б перемещения узла № 12918);

- Существует вероятность падения пилона на покрытие, т. к. в момент динамической реакции и, даже если элементы покрытия «выдержат» отказ оттяжки, то и после затухания колебаний величина наклона Л-образной опоры в сторону покрытия превышает заданную проектом величину отклонения опоры в противоположном направлении, равную 12 см [при t = 0,85 с верх пилона дополнительно смещается к центру покрытия на 42 см, а к моменту затухания на 22 см (см. на рис. 5б перемещение вдоль оси Y узла №

- Реализуются значительные величины горизонтальных реакций в опорных ногах пилона (в левой ноге 225 тс, в правой 1325 тс; рис. 6). Следует отметить, амплитудные значения разных параметров (усилий, напряжений, опорных реакций) достигаются в поврежденном сооружении в разные моменты времени после отказа. Первый амплитудный отклик по вертикальному прогибу покрытия, напряжениям в правой оттяжке, затяжке достигается в районе 0,8 с – такое время реакции близко к половине периода колебаний по второй частоте поврежденного сооружения (1 / 0,57 / 2 ? 0,87 с). Но амплитудные значения горизонтальных, вертикальных реакций происходят гораздо раньше – в момент времени около 0,05 - 0,1 с после отказа. При этом коэффициент динамичности для горизонтальных реакций вдоль оси Y достигает значительных величин kдин,max = 26 (левая нога), kдин,max = 6 (правая нога) в сравнении с величиной kдин,max = 1,2…1,45 для остальных важных с инженерных позиций параметров НДС (прогиб кучности покрытия, напряжение в затяжке, оттяжке и т. д.).

Разница в значениях коэффициента динамичности приводит к выводу о недопустимости для данного сооружения упрощения, наиболее удобного для инженерной практики при расчете на живучесть, заключающегося в использовании одинакового коэффициента динамичности для всех параметров. В противном случае использование при квазистатическом расчете kдин = 1,5…2 не позволит «поймать» значительные величины горизонтальных реакций ног пилона (при квазистатическом расчете и при kдин = 1 горизонтальная реакция в левой ноге составляет 9 тс, в правой – 58 тс).

Рисунок 6. – Горизонтальные реакции ног пилона вдоль осей X и Y, кгс

Разница в скорости реакции (времени отклика) и значении kдин объясняется: а) тем, что в сооружении есть значительные перепады жесткости между отдельными частями: конструкция Л-образной стойки является более «динамически» жесткой в направлении ног, чем покрытие в перпендикулярном ему направлении, движение которого зависит от «скорости» кинематического вращения пилона вокруг своих опор;

б) кратковременным обратным ударом по ногам пилона силой, действовавшей в отказавшей оттяжке.

3). Не подтвердилось предположение, что при времени отказа, отличном от заданной величины (0,001 с), возможны «более неблагоприятные» последствия. Для (не)подтверждения была выполнена серия расчетов при варьировании tотк = 0,001…3,5 с, т. е. при tотк ? (0,57·10-5 - 2) · Т2,повр, где Т2,повр – период колебаний поврежденного сооружения по второй частоте. Особенность полученных графиков коэффициентов динамичности (рис. 7) – убывающий характер – свидетельствует, что наибольшие величины НДС реализуются при величине tотк, стремящейся к

Рисунок 7. – Изменение коэффициента динамичности kдин в зависимости от времени отказа tотк

В связи с нулевой живучестью покрытия, как до аварии, так и после реализованных мер по усилению, в данной главе на основе результатов анализа живучести и анализа «эволюции» конструктивной формы покрытия на стадии «П» обосновывается несколько вариантов усиления. В автореферате приведем основной вариант, концепция которого состоит из усиливающих мероприятий двух групп. Первая группа: при наиболее опасных тестовых повреждениях живучесть обеспечивается за счет введения новых элементов, благодаря которым фермы диска покрытия начинают работать по неразрезной схеме. Для этого по нижним поясам ферм между центральными (наиболее низкими) узлами протягиваются тросы, работающие в качестве затяжек (рис. 8). Уменьшение провиса тросов достигается их подвеской к промежуточным узлам ферм. Вторая группа: поскольку ключевыми элементами покрытия являются пояса, некоторые раскосы ферм, ванты и кольцевая балка, то для обеспечения живучести при отказах их узлов или элементов надо преобразовать конструктивную форму диска покрытия в плиту, уже работающую в двух направлениях. Для этого:

- Между узлами по нижним поясам ферм вводятся горизонтальные элементы в тангенциальном направлении, одно из назначений которых ? обеспечение устойчивости из плоскости нижних поясов, испытывающих сжатие при некоторых отказах;

- Добавляется система наклонных элементов от нижних узлов одной фермы к верхним узлам соседних [такие элементы позволят «удержаться» поврежденной ферме или ферме, потерявшей опору (например, при отказе ванты), за две соседние].

Рисунок 8. ? Предлагаемый вариант усиления (показан сектор покрытия)

В четвертой главе при последовательности анализа, цели и задачах, совпадающих с предыдущей главой, исследуется живучесть покрытия Ледового дворца спорта на Ходынском поле (г. Москва). Покрытие представляет собой висячий односетчатый купол (диаметр ~ 110 м, стрела провиса ~ 1,9 м). Большинство элементов покрытия выполнено из сварных металлических двутавров (нити, прогоны, внутренний контур) и труб (элементы раскосной решетки), исключение – сталебетонный внешний опорный контур.

загрузка...