Delist.ru

Живучесть большепролетных металлических покрытий (28.04.2010)

Автор: Дробот Дмитрий Юрьевич

Согласно результатам логико-топологического анализа, покрытие обладает потенциальной живучестью, что объясняется фактором многократной внутренней статической неопределимости и связности. Исключение составляют три горизонтальных опоры, реализующие статически определимое закрепление покрытия в горизонтальной плоскости. Но отказ одной из опор относительно безопасен, т. к. он не приведет к серьезным последствиям, поскольку при действии на покрытие вертикальных нагрузок, удельные вес которых превалирует, усилия в этих опорах практически нулевые.

Для численных расчетов на живучесть в главе обоснована комбинация равномерных постоянных и длительных нагрузок на покрытие, интенсивностью 145 кгс/м2.

По данным модального анализа и энергетического портрета конструкции, можно обосновать логичный с инженерных позиций предварительный вывод: из всех возможных повреждений наиболее опасным представляется отказ узла внешнего контура с примыканием нити и раскосов к опорному кольцу; поскольку:

- При данном отказе наблюдается максимальное изменение (до 27,1 %) величин собственных частот;

- На весь внешний контур приходится ~ 60 % потенциальной энергии деформаций, а в сравнении с другими единичными повреждениями при локальном отказе внешнего кольца покрытию сообщается наибольший «обратный» импульс – при «старте» данного повреждения высвобождается 1,2 % потенциальной энергии деформации всего покрытия (при отказе нити – 0,13 %, отказе раскоса – 0,03 %, отказе прогона – 0,012 %, отказе внутреннего кольца – 0,06 %).

Результаты численных динамических расчетов математической модели неусиленного покрытия на ряд тестовых повреждений показывают, что:

1). Ключевым элементом является только внешний контур, а заложенный при проектировании запас по несущей способности таков, что при любых других единичных повреждениях элементы покрытия работают в упругой стадии.

Визуально разрушение при локальном отказе внешнего контура схоже с процессом развития «трещины» вглубь покрытия: из-за падения в области отказа жесткости покрытия точки внешнего контура начинают движение в радиальном направлении к центру покрытия, как следствие, появляется зона локального провиса (рис. 9а); cжатый контур вдавливается внутрь и «сминает» близлежащие раскосы и прогоны (рис. 9б), которые теряют устойчивость с образованием пластических шарниров (рис. 12а).

Для данного покрытия, как и для рассмотренного в 3-й главе, наблюдается эффект, согласно которому квазистатический расчет на локальный отказ опорного контура при едином kдин = 1,5…2 неприемлем:

а) максимумы горизонтальных реакций наблюдаются значительно раньше амплитудных величин других «важных» параметров НДС покрытия (прогиб кучности, усилия в раскосах, нитях достигают максимума при t ? 0,8 с; применительно к реакциям – первой и «сразу» в момент времени 0,01 сек включается опора, ближайшая к месту отказа, для которой Rmax,уз. №3069 = 1067 тс, для второй опоры Rmax,уз. №2554 = 1105 тс при t = 0,05 с, для третьей Rmax,уз. №57 = 710 тс при t = 0,3 с;

б) Существенно различаются значения коэффициентов динамичности (для первой опоры kдин,max = 3,4, для второй kдин,max = 2,6, для третьей kдин,max = 16,7, для остальных «важных» параметров при данном отказе kдин,max < 1,9).

Для исследуемого покрытия отличие в скорости реакции и величинах kдин обосновываются тем, что в сооружении есть значительные перепады жесткости между отельными частями (сравни, например, нормальную жесткость опорного контура и изгибную жесткостью диска покрытия из его плоскости). Большие значения kдин для горизонтальных реакций объясняются кратковременным ударом по опорам сжатого внешнего контура, утратившего целостность.

2). Существенную роль при данном повреждении играет длина участка локального отказа Lотк (исследование влияния Lотк обусловлено тем, что для континуального опорного контура нельзя строго выделить единичное повреждение):

- При Lотк ? 19 см покрытие не разрушится, т. к. при этих величинах происходит соударение концов контура с его последующим замыканием. Но возникающая в контуре при столкновении его концов разрыва ударная сила максимальной интенсивностью ~ 2200 тс при Lотк = 18 см (до отказа действует сила в 910 тс), приводит к негативным последствиям – увеличению пиковых величин аварийных горизонтальных реакций. Максимальное увеличение реакции на 60 %, наблюдается в узле № 57 и реализуется при Lотк = 10 см (для сравнения за 100 % взяты значения, приведенные в п. 1). В процессе затухающих колебаний опорный контур еще неоднократно будет размыкаться, что не представляет опасности, т. к. в эти моменты времени покрытие будет совершать колебания по нечетным половинам периодов, а значит, будет происходить разгрузка наиболее нагруженных элементов раскосов и прогонов;

- При Lотк > 19 см покрытие не разрушится только в случае действия на него нагрузок от собственного веса несущих элементов. В этом случае относительные пластические деформации в наиболее напряженных элементах (раскосах и прогонах) не превысят 4,5 %.

Рисунок 9. – При t = 0.44 c: а) вертикальный прогиб покрытия (см);

б) огибающая относительных пластических деформаций

В главе обосновано несколько вариантов усиления (рис. 10), альтернативных варианту, реализованному в натуре (рис. 11); все варианты усилений определяются восприятием усилия сжатия внешнего контура:

а) Увеличение сечений раскосов и кольцевых элементов;

б) Введение новых элементов раскосной решетки;

в) Введение мембранного кольца вдоль наружного контура (аналогично реализованному усилению внутреннего кольца);

г) Введение горизонтальных или радиальных (возможно с зазором) опор в плоскости покрытия, т. е. связей с нижележащим ж. б. диском трибун.

Рисунок 10. ? Альтернативные варианты усиления (показана 1/4 покрытия)

Организацией, осуществлявшей проектирование этого сооружения, резервирование внешнего контура было достигнуто за счет системы ловителей, предназначенных в случае отказа наружного контура воспринять радиальные усилия нитей с последующей их передачей на нижележащий кольцевой ж.б. диск, венчающий конструкций трибун. Система ловителей представляет собой 96 стальных шпилек, проходящих сквозь внешний контур, и включающихся в работу в качестве горизонтальных опор только при перемещениях контура внутрь на величину более 5 см. Проектной организацией было введено резервирование внутреннего контура за счет «кольца-обоймы», выполненного из двух стального листов (толщиной 2 см) и 16 центральных радиальных ферм, расположенных внутри центрального кольца. Расчеты, выполненные в данной главе, показывают, что с позиции вопроса единичной живучести усиление внутреннего контура является

Рисунок 11. – а) Реализованное усиление; б) схема работы ловителя

Результаты численных динамических расчетов покрытия, усиленного системой ловителей: а) показывают, что покрытие при самом наихудшем повреждении ? отказе узла пересечения внешнего контура, двух раскосов и нити ? обладает свойством живучести [получены конечные величины перемещений и деформаций (максимальное перемещение кучности при t = 0,33 с равно ~ 37 см); в раскосах, прогонах пластические деформации ограничены величиной в 5 %, а в нитях – 9 % (рис. 12б)]; б) подтверждают главный недостаток системы ловителей в сравнении с альтернативным вариантом усиления «г» ? ловители не препятствуют реализации значительных величин горизонтальных реакций, вызываемых потерей внешним контуром целостности.

Рисунок 12. – Развитие относительных пластических деформаций во времени для различных элементов: а) неусиленного покрытия; б) усиленного

Также в главе выполнена оценка эффективности методики мониторинга повреждений несущих конструкций покрытия, основанной на контроле наиболее представительных частот и форм собственных колебаний. В целом по результатам анализа изменений собственных частот и форм в зависимости от тестовых повреждений можно сделать предположение о малой эффективности такой методики – частотный отклик на рассмотренные повреждения оказался относительно небольшим [менее 3 % для усиленного ловителями покрытия при самом опасном тестовом повреждении – отказе узла внешнего контура (сравни рис. 13а и 13в); менее 25 % при смене периода эксплуатации с «летнего» на «зимний»], а, следовательно, трудно поддающимся контролю.

?1,неповр = 1,29 Гц ?1,повр = 0,97 Гц ?1,повр = 1,26 Гц

Рисунок 13. – а, б) Первая форма собственных колебаний неповрежденного и поврежденного покрытия; в) свободных колебаний поврежденного покрытия, усиленного с помощью ловителей

1. Сформулирована проблема обобщенной и единичной живучести строительных конструкций.

2. Предложен подход к проведению экспериментальных исследований на живучесть.

Результаты по рассмотренным покрытиям

Общее. Результаты численных динамических расчетов подтвердили и обосновали недопустимость для данных, а, возможно, и для других типов сооружений удобного для инженерной практики при расчете на живучесть упрощения, заключающегося в использовании одинакового и единого коэффициента динамичности kдин для всех параметров. Использование kдин = 1,5… 2 в данных покрытия не позволит «выявить» существенные аварийные значения горизонтальных реакций. Полученная величина которых при квазистатическом расчете будет до 15 раз меньшей, чем при прямом динамическом.

Такая разница объясняется разной «динамической» жесткостью отдельных частей конструкций и эффектом «динамического» удара, проявившимся при определенных отказах.

3. ККЦ в Крылатском. Согласно результатам логико-топологического анализа, покрытие, как до аварии, так и после восстановления обладает нулевой живучестью. До аварии ключевыми элементами являются: ноги пилона, затяжка, ванты, а ключевыми узлами: узлы ног пилона, узлы кольцевой балки, опорные узлы ферм. Отказ ноги или узла пилона – самое опасное повреждение, при котором обрушится все покрытие. После восстановления из вышеперечисленных можно исключить затяжку, ванты, кольцевую балку.

Результаты численных динамических расчетов отлаженной математической модели неусиленного покрытия на ряд тестовых повреждений показывают,

- Вопрос сохранности покрытием несущей способности при отказе оттяжки находится в пределах погрешностей численных расчетов, т. к. полученные напряжения в элементах Л-образной опоры и второй оттяжки близки к расчетному сопротивлению при действии нормативных постоянных и временных длительных составляющих нагрузок. В случае бoльших нагрузок покрытие обрушится;

- При отказе оттяжки наблюдается ряд негативных факторов. Существенная величина прогиба покрытия не может гарантировать надежную фиксацию узла опирания ферм Ф2 на кольцевую балку. В момент динамической реакции Л-образная опора наклонена в сторону покрытия;

- Ключевыми элементами покрытия являются пояса и некоторые раскосы ферм.

загрузка...