Пространственное численное моделирование и совершенствование конструкций гидротехнических затворов

Плоские и сегментные затворы входят в состав механического оборудования гидротехнических сооружений, в значительной мере определяя надежность и безопасность гидроузла в целом. Многолетний опыт эксплуатации подтверждает, что аварийные ситуации с затворами могут быть сопряжены с материальными, экологическими и социальными ущербами. Поэтому работы по совершенствованию методов расчета и конструктивных решений гидротехнических затворов соответствуют требованиям Федерального Закона «О безопасности гидротехнических сооружений» и включены Федеральным агентством по науке и инновациям в Программу развития гидроэнергетики РФ на 2002;2007 г. г.

В настоящее время проектирование гидротехнических затворов регламентируется нормативно-методическими документами, разработанными в основном в середине ХХ-го века [68], [69]. При этом действующие Нормы, обеспечивая в целом достаточно высокий технический уровень проектных решений, не в полной мере соответствуют потребностям современной практики проектирования, строительства и эксплуатации затворов. Так, натурные данные по отказам затворов показывают, что в настоящее время сложилась ситуация, когда методологические резервы и возможности традиционных расчетных подходов во многом исчерпаны. Вместе с тем, компьютерные технологии позволяют сегодня оперативно решать многовариантные задачи анализа пространственных конструкций гидротехнических затворов с адекватным учетом факторов, ранее не рассматривавшихся, либо учитываемых упрощенно и/или несовместно.

Существующие расчетные методики [64], [68], [69] как правило основаны на раздельном анализе работы элементов несущего каркаса затворов по балочным схемам в условиях плоского изгиба. При этом напорная обшивка затворов рассчитывается на местный изгиб отдельных отсеков как тонких пластин с простейшими условиями загружения и опирания на контуре. Подобный фрагментарный подход не отражает действительной работы конструкций, не учитывая в необходимой мере пространственных эффектов, затрудняя в итоге поиск оптимальных конструктивных решений.

В частности, с позиций классической теории стержней не удается достоверно оценивать концентрацию напряжений. При этом, в соответствии со статистикой аварий и повреждений затворов с указанным фактором, так или иначе, связана значительная доля нештатных ситуаций. В связи с этим в проектной практике остается открытой проблема рационализации конструктивных решений с точки зрения минимизации концентраторов напряжений.

Расчеты сдвоенных затворов выполняются без учета совместной работы секций. В результате расчетные значения параметров напряженно-деформированного состояния затворов не согласуются с данными натурных наблюдений. Как следствие, имеет место снижение безотказности и долговечности таких затворов, существуют методологические препятствия для рационализации конструкции.

Учитывая значительные фактические сроки службы, актуальным является определение остаточного ресурса коррозионно-изношенных затворов, решение практических задач реконструкции эксплуатируемых затворов. Вместе с тем, в настоящее время нет единого нормативного подхода к решению этой проблемы.

В действующих нормативных документах отсутствует положение по оценке живучести конструкций затворов, нет ограничений по значениям е минимальных коэффициентов запаса общей устойчивости затвора[64], [90].

В расчетах гидротехнических затворов на сейсмостойкость определение гидродинамического давления в прямой форме не регламентируется [65], поэтому здесь необходимо уточнение практической методики определения присоединенных масс воды.

Перечисленные проблемы являются существенным препятствием на пути повышения надежности и безопасности гидротехнических затворов.

Цель работы. Повышение надежности гидротехнических затворов путем совершенствования их конструктивных решений и методов расчета.

Задачи работы:

1. Анализ существующих методов расчета и принципов конструирования гидротехнических затворов. Обобщение опыта эксплуатации, статистики аварий и повреждений.

2. Исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) и рационализация профиля ригелей плоских затворов.

3. Совершенствование методики статического и прочностного расчета сдвоенных плоских затворов.

4. Разработка инженерной методики оценки остаточного ресурса коррозионно-изношенных затворов.

5. Совершенствование конструкции сегментного затвора на основании многопараметрического анализа НДС и оценки живучести.

6. Уточнение методики определения присоединенных масс воды в расчетах гидротехнических затворов на сейсмостойкость по линейно-спектральной теории (JICT).

7. Разработка практических рекомендаций по проектированию и эксплуатации плоских и сегментных затворов.

Методы исследования. Исследования конструкций затворов выполнялись с помощью программного комплекса COSMOS/M, реализующего метод конечных элементов (МКЭ).

Научную новизну работы составляют:

• методика определения рационального профиля ригелей плоских затворов;

• методика статического расчета сдвоенного плоского затвора;

• инженерный способ определения остаточного ресурса коррозионно-изношенных конструкций;

• методика оценки живучести и рационализации конструкции сегментного затвора;

• способ определения присоединенных масс воды при оценке сейсмостойкости гидротехнических затворов.

Достоверность результатов работы обеспечивается:

• положительными результатами сопоставления расчетных значений с данными натурных исследований;

• качественным и количественным согласием в области возможного сравнения с результатами решения задач по существующим методам расчета;

• анализом полученных результатов с точки зрения их физической достоверности.

Практическое значение работы заключается в разработке расчетных методик и усовершенствовании конструктивных решений гидротехнических затворов, повышающих их надежность и безопасность.

Внедрение результатов. Результаты исследований использованы при проектировании новых и реконструкции эксплуатирующихся гидротехнических затворов (основного сегментного и аварийно-ремонтного секционного на береговом водосбросе Саяно-Шушенской ГЭС на р. Енисейосновного сегментного и ремонтного плоского секционного на эксплуатационном водосбросе Ирганайского гидроузла на р. Аварское Койсусегментных водосливной плотины Усть-Илимской ГЭСсдвоенного затвора Краснодарского водохранилища) в СПКТБ «Ленгидросталь» и ОАО «Институт Ленгидропроект» (г.Санкт-Петербург).

Апробация полученных результатов.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях «Неделя Науки СПбГПУ», Санкт-Петербург, (2004,2005,2006 г. г.), на Научно-технической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения Н. Я. Панарина (СПбГАСУ, Санкт-Петербург, 2005 г.), на заседаниях кафедры СКиМ СПбГПУ, 2006 г. Материалы диссертации опубликованы в шести печатных работах, в том числе 2 статьи из списка изданий, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и списка литературы в 98 наименований. Объем диссертации 151 страница машинописного текста, 104 рисунка, 15 таблиц.

4.4. Выводы.

1. Наибольшие значения присоединенных масс воды получились в предложенном способе ее определения.

2. Значения напряжений исследуемой конструкции указывают на необходимость учета присоединенных масс жидкости по форме колебаний, вносящей наибольший вклад в сейсмическую нагрузку для «сухого затвора» .

3. Представленный способ учета присоединенных масс воды является универсальным и может использоваться в расчетах на сейсмостойкость по ЛСТ для напорных конструкций любого профиля.

Глава 5 Заключение.

5.1. Практические рекомендации по проектированию конструкций гидротехнических затворов.

По итогам работы следует выделить основные практические рекомендации:

1) Рекомендации к проектированию ригелей переменного профиля: а) при проектировании затворов с ригелями переменного профиля следует ввести промежуточный участок длиной ДЬ с углом перехода 0 с =0/(1,6−4,7), где 0 — угол наклона смежных сечений в зоне «перелома». б) при условии выполнить уменьшение высоты ригеля на АН = Д1^0С.

2) Рекомендации к расчету сдвоенных затворов: а) расчеты сдвоенных затворов следует выполнять, включая в расчетную схему две секции, моделируя шарнирное опирание между секциями, что соответствует натурным условиям эксплуатации затвора, учитывает жесткостные параметры и совместность работы секций.

3) Рекомендации к оценке остаточного ресурса коррозионно-изношенных гидротехнических затворов: а) исследование работоспособности коррозионно-изношенных затворов следует проводить первоначально в линейно-упругой постановке с учетом поэтапного уменьшения фактических толщин металла. При достижении максимальных напряжений значения предела текучести, выполнить нелинейный анализ для выявления локальных зон пластических деформаций.

4) Рекомендации к проектированию сегментных затворов: а) стрингеры выполнять неразрезными, таврового сечения, во избежание накладных швов на обшивке, приводящих к усилению коррозии металла. б) соединение диафрагм со стрингерами выполнять с помощью поперечных ребер разной длины. в) вводить систему перекрестных ребер для придания жесткости и устойчивости опорному порталу. е) дополнять расчетную схему опорными элементами, узлами подвеса и опорного шарнира. ж) выполнять расчет затвора в начальный момент подъема с определением подъемного усилия. и) определять расчетные нагрузки на фундаментные болты с учетом запроектной ситуации с выходом из строя наиболее загруженного болта. л) оптимизировать вес по запасу прочности и устойчивости конструкции. м) определять запас конструкции на прочность при различных расчетных комбинациях.

5) Рекомендации к расчету конструкций затворов на сейсмостойкость:

1) в расчете гидротехнических затворов на сейсмостойкость по ЛСТ учитывать присоединенные массы воды по форме колебаний, вносящей наибольший вклад сейсмическую нагрузку в предварительном анализе «сухого затвора» .

6) Рекомендации в ведомственные нормы проектирования гидротехнических затворов:

1) включить в расчет одну из наиболее вероятных запроектных ситуаций.

2) рекомендовать коэффициент запаса на устойчивость в пределах от 1,6 для сегментных и 3,0 для плоских гидротехнических затворов. з) в расчетах коррозионно-изношенных затворов учитывать фактор физической нелинейности из предположения наступления пластических деформаций в локальных зонах с наибольшей коррозией металла.

5.2. Основные итоги диссертационной работы.

Основные итоги работы заключаются в следующем: 1) В работе выполнен обзор методов расчета затворов водосбросов на статические нагрузки и сейсмические воздействия.

2) Предложены новые конструктивные решения в металлоконструкциях затворов.

3) Использованные в работе методики расчета гидротехнических затворов согласованы с опытом проектирования затворов традиционными способами.

4) На базе конечно-элементного анализа впервые представлены практические рекомендации по проектированию и рационализации параметров ригелей переменного сечения.

5) В работе впервые проанализировано напряженно-деформированное состояние сдвоенного плоского затвора при раздельном и совместном расчете секций в сравнительном анализе с натурными данными.

6) Предложен способ оценки дальнейшей работы коррозионно-изношенных затворов в предположении наступления пластических деформаций в локальных зонах.

7) Проанализирована и усовершенствована ранее запроектированная конструкция сегментного затвора. Исследована прочность конструкции при различных расчетных комбинациях, включая аварийную ситуацию. Выполнено исследование устойчивости конструкции.

8) На основании проведенных исследований параметров устойчивости для различных конструкций затворов рекомендован диапазон значений коэффициентов устойчивости для гидротехнических затворов.

9) На основе проведенных исследований затворов на сейсмостойкость предложен новый способ определения присоединенных масс воды для напорной поверхности любого профиля.

10) Выработаны практические рекомендации к проектированию новых и модернизации действующих гидротехнических затворов.

11) Полученные результаты моделирований и расчетов затворов позволили уменьшить затраты на экспериментальные исследования, и сократить время проектирования механического оборудования водосбросов Саяно-Шушенской и Ирганайской ГЭС, находящихся в зонах сейсмической активности.

12) По результатам проведенных исследований установлен запас прочности сегментных затворов водосливной плотины Усть-Илимской ГЭС с учетом воздействия ледовых нагрузок и коррозионного износа металлоконструкций.

13) На основании расчетов секций основного плоского колесного сдвоенного затвора водосброса Краснодарского водохранилища выполнена проектная документация.

5.3. Направления будущих исследований.

Будущие исследования намечается выполнять по следующим направлениям:

1) Исследование сороудерживающих решеток при шарнирном соединении секций полос с ригелями, в сопоставлении со сварными конструкциями решеток.

2) Учет присоединенных масс воды в динамическом анализе затворов.

3) Применение вероятностного подхода к решению проблемы расчета коррозионно-изношенной конструкции, при учете нелинейности скорости коррозии по времени.

4) Исследование влияния коррозии в закладных частях на прочность металлоконструкций затворов.