Разработка методики расчета доковых конструкций гидротехнических сооружений на действия статических, динамических и температурных воздействий

Актуальность темы

диссертации. Доковые конструкции различных типов и назначений находят самое широкое применение в различных областях современного гидротехнического строительства. В большинстве случаев эти конструкции являются неотъемлемой частью судопропускных, судостроительных, судоремонтных, открытых водосбросных, водовыпускных, отстойных и других сооружений. В зависимости от условия применения доковые конструкции подвергаются разнообразным нагрузкам и воздействиям. Особенно сложными условиями работы отличаются доковые конструкции судоходных шлюзов, открытых поверхностных водосбросов, судостроительных, судоремонтных сооружений и отстойников. В условиях эксплуатации доковые конструкции могут подвергаться значительным статическим, динамическим (сейсмическим) и температурным воздействиям.

Несмотря на достигнутые успехи в области расчета инженерных конструкций взаимодействующих с грунтом, вопросы статического, динамического и термического расчета доковых конструкций вплоть до настоящего времени не получили должного развития.

Настоящая работа посвящена весьма актуальной проблеме — развитию и усовершенствованию методики расчета статических, динамических и термоконтактных задач доковых конструкций гидротехнических сооружений с использованием наиболее точных и совершенных линейных и нелинейных расчетно-механических моделей основания.

Целью диссертационной работы является разработка методики статического, динамического расчета элементов доковых конструкций как на основе существующих, так и предлагаемых новых линейных и нелинейных расчетно-механических моделей, а также решений термоконтактных задач.

Для достижения этой цели потребовалось решение следующих задач: — на основании всестороннего анализа и обобщения типов конструкций, специфических условий работы доковых конструкций гидротехнических сооружений разработать принципиально новую расчетно-механическую модель основания представляющую собой сочетание модели упругого слоя конечной толщины и модели Фусса-Винклера характеризуемой коэффициентом жесткости основания изменяющимся в пределах длины балочной конструкции по закону трехчленной параболы;

— установление основных расчетных параметров предлагаемой модели и взаимосвязи между ними;

— на основе предлагаемой новой расчетно-механической модели разработать методики расчета поперечного и продольно-поперечного изгиба гибких днищ доковых конструкций;

— с использованием физически нелинейной модели основания разработать методики деформационного расчета гибких днищ постоянной изгибной жесткости;

— исходя из модели Фусса-Винклера характеризуемой линейно изменяющимся по глубине грунта обратной засыпки коэффициентом жесткости разработать методики деформационного расчета гибких консольных стен постоянной и переменной толщины с учетом и без учета влияния собственного веса;

— разработать методики деформационного расчета гибких консольных стен постоянной толщины при наличии уровня грунтовых вод в обратных засыпках и ступенчато-прерывных законов изменения результирующего гидростатического давления воды на стенки и коэффициента жесткости грунта обратной засыпки по глубине;

— на основании принятой расчетной модели разработать методики расчета свободных колебаний гибких днищ постоянной изгибной жесткости и получить соответствующие уравнения для определения частоты и спектров частот колебаний;

— решить задачу о вынужденных колебаниях гибких днищ постоянной изгибной жесткости с использованием модели Фусса-Винклера характеризуемой постоянным или интегрально-средним значением коэффициента жесткости основания и гармонического закона изменения импульсивной нагрузки;

— предложить аналитические зависимости для описания свободных температурных перемещений точек тыловых поверхностей гибких стен постоянной и переменной жесткости, а также для гибких днищ постоянной жесткости;

— с использованием предложенных аналитических зависимостей для описания свободных температурных перемещений разработать методики расчета термоконтактных задач стен и днищ доковых конструкций для случая полностью опорожненной доковой камеры.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

— предложена новая расчетно-механическая модель основания представляющая собой модель упругого слоя конечной толщины и модели Фусса-Винклера характеризуемой переменным коэффициентом жесткости грунта, изменяющегося в пределах балочной конструкции (днища) по закону трехчленной параболы;

— с использованием предложенной расчетно-механической модели основания математически сформулированы и решены статические контактные задачи о поперечном и продольно-поперечном изгибе гибких днищ постоянной изгибной жесткости;

— предложена физически нелинейная модель основания и на ее основании сформулирована и решена статическая контактная нелинейная задача о деформационном расчете гибких днищ постоянной изгибной жесткости;

— на основании предложенной новой линейной расчетной модели математически сформулирована и решена динамическая контактная задача о свободных изгибных колебаниях гибких днищ постоянной жесткости и на основании этого решения получены уравнения частот для первых трех приближений. При осредненных значениях коэффициента жесткости основания исходя из построенного решения получены полные спектры частот колебаний для рассматриваемых граничных условий днища;

— разработана методика расчета вынужденных колебаний гибких днищ постоянной изгибной жесткости при осредненных значениях коэффициента жесткости винклерового основания и вибрационной динамической нагрузки изменяющейся по гармоническому закону;

— предложены новые аналитические зависимости для описания свободных тем-пературных перемещений точек тыловых поверхностей гибких стен постоянной и переменной по высоте толщины днища и постоянной по длине толщины;

— на основании этих зависимостей впервые математически сформулированы и решены термоконтактные задачи, о стенах и днищах доковых конструкций позволяющие проанализировать термонапряженные состояния этих конструкций при положительных постоянных и переменных законах изменения расчетного температурного воздействия.

Практическая ценность работы. Результаты выполненных исследований позволяют внедрить в практику расчета конструкций взаимодействующих с грунтом принципиально новых линейных и нелинейных расчетно-механических моделей основания, позволяющие наиболее полно учитывать совместную работу «конструкция-основание» при статических и динамических воздействиях. Рассмотренные в диссертационной работе методики расчета статических, динамических и термоконтактных задач имеют прямое отношение к практике проектирования доковых конструкций гидротехнических сооружений. Предложенные методики расчетов могут быть использованы при уточнении отдельных положений существующих нормативных документов по проектированию доковых конструкций судоходных шлюзов, поверхностных водосбросов, судостроительных, судоремонтных и других сооружений. Предложенные методики расчета позволяют также усовершенствовать существующие теории расчета конструкций на сплошном грунтовом основании.

Апробация работы. Основные результаты выполненных исследований были доложены на IV республиканской научной конференции аспирантов и молодых соискателей (Баку, 2000 г.), на IV Российской Национальной конференции по сейсмостойкому строительству и районированию с международным участием (Сочи, 2001 г.) и семинарах кафедры гидротехнических сооружений и гидравлики, испытания и сейсмостойкости сооружений Азербайджанского Архитектурно-Строительного Университета (Баку, 2000;2002 г. г.) и отражены в пяти опубликованных научных трудах.

На защиту выносятся следующие вопросы:

1. Методика статического расчета гибких днищ постоянной изгибной жесткости на поперечный и продольно-поперечный изгиб с использованием предложенной новой линейной расчетно-механической модели основания.

2. Методы расчеты гибких днищ постоянной жесткости с использованием физически нелинейной модели основания.

3. Методы деформационного расчета гибких консольных стен постоянной и переменной жесткости с учетом и без учета влияния собственного веса.

4. Метод деформационного расчета гибких консольных стен доковых конструкций при прерывных законах изменения результирующей распределенной нагрузки и коэффициента жесткости винклерового основания по глубине грунта обратной засыпки.

5. Методы расчета динамической контактной задачи о свободных изгибных колебаниях гибких днищ постоянной изгибной жесткости.

6. Метод расчета вынужденных колебаний гибких днищ доковых конструкций при действии импульсивных нагрузок.

7. Методы расчета термоконтактных задач стен и днища доковых конструкций с использованием новых аналитических зависимостей для описания свободных температурных перемещений точек тыловой поверхности гибких стен и днища доковых конструкций для случая полностью опорожненной камеры.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованной литературы, включающего 94 наименования. Общий объем работы 164 страниц, в том числе 36 рисунков и 6 таблиц.

Основные результаты проведенных исследований сводятся к следующему:

1. На основании всестороннего анализа и обобщения типов конструкций, специфических условий работы доковых конструкций гидротехнических сооружений, предложена принципиально новая расчетно-механическая модель основания, представляющая собой сочетание модели упругого слоя конечной толщины и модели Фусса-Винклера характеризуемой коэффициентом жесткости основания, изменяющегося в пределах длины расчитываемой конструкции по закону трехчленной параболы.

2. С применением расчетно-теоретического метода определены основные расчетные параметры предлагаемой комбинированной модели и установлены взаимосвязи между этими расчетными параметрами.

3. На основе принятой расчетно-механической модели математически сформулирована и решена статическая контактная задача о поперечном и продольно-поперечном изгибе гибких днищ доковых камер на сплошном грунтовом основании. Общее решение рассматриваемых статических контактных задач построено методом последовательных приближений по Пикару с использо-ванием так называемой краевой функции, содержащей все необходимые стати-ческие и кинематические параметры начального сечения рассчитываемой конс-трукции. При рассмотрении задач о продольно-поперечном изгибе, днища доковых конструкций представляются в виде сжато-изогнутой или растянуто-изогнутой гибкой балки на сплошном грунтовом основании в зависимости от предельного расчетного случая определения нагрузок и воздействий на доковую камеру. Получены расчетные зависимости для определения неизвестных начальных параметров, а также деформаций и усилий в произвольных сечениях днища.

4. Разработана методика деформационного расчета гибких днищ постоянной изгибной жесткости доковых конструкций на нелинейно-деформируемом грунтовом основании и исходя из реальной диаграммы между напряжением и деформацией в диапазоне уплотняющих грунт давлений достигающей величины от нуля до предельной критической нагрузки для грунта основания. Рассматриваемая нелинейная контактная задача решена путем линеаризации нелинейного уравнения изгиба где реальная диаграмма между напряжением и осадкой заменяется двумя прямолинейными отрезками. Первая из них охватывает диапазон напряжений от нуля до условного расчетного сопротивления грунта основания, а вторая от последнего до второй предельной критической нагрузки на грунт. Получены расчетные зависимости для определения деформаций и усилий в произвольных сечениях днища. Предложенная методика расчета позволяет наиболее полно использовать несущую способность грунта основания при проектировании балочных конструкций и фундаментов.

5. Исходя из модели Фусса-Винклера, характеризуемой линейной изменяющейся по глубине коэффициентом жесткости грунта обратной засыпки разработана методика деформационного расчета гибких консольных стен доковых конструкций с постоянной изгибной жесткостью на первый эксплуатационный случай. Математически сформулирована и решена статическая контактная задача деформационного расчета гибких стен доковых конструкций постоянной толщины с учетом влияния собственного веса. Получены необходимые расчетные формулы для оценки напряженно-деформированного состояния консольной стены.

6. Разработана методика деформационного расчета гибкой консольной стены переменной толщины с использованием модели Фусса-Винклера. При этом дифференциальное уравнение изгиба стены решено с использованием метода разложения искомой функции на степенные ряды. Здесь также получены необходимые расчетные зависимости для определения деформации и усилий в произвольных сечениях гибкой стены переменной толщины.

7. Разработана методика деформационного расчета гибких консольных стен при наличии уровня грунтовых вод в обратных засыпках и ступенчато-переменного закона изменения коэффициента жесткости грунта обратной засыпки по глубине. Данная задача решена также с помощью степенных рядов с использованием реккурентных соотношений. При этом участки консольной стены выше и ниже уровня грунтовых вод рассмотрены раздельно.

8. Исходя из модели Фусса-Винклера характеризуемой коэффициентом жесткости основания изменяющегося по длине днища трехчленной параболы математически сформулировано динамическая контактная задача о свободном изгибном колебании гибких днищ постоянной изгибной жесткости. При этом приведенная масса колеблющейся конструкции определены с учетом погонной массы днища и воды, наполняющей камеры до расчетного уровня. Дифференциальное уравнение главных форм колебаний днища решено с использованием динамической краевой функции и метода последовательных приближений. Получены расчетные формулы для определения деформаций и усилий в произвольных сечениях днища в любой момент времени, а также скорости перемещений точек днища. На основании построенного общего решения получены расчетные формулы для определения частоты колебаний для первых трех приближений. В случае использования осредненного значения коэффициента жесткости основания получены полные спектры частот колебаний для рассматриваемых граничных условий днища.

9. Решена динамическая контактная задача о вынужденном колебании гибких днищ постоянной изгибной жесткости при действии вибрационной нагрузки изменяющейся по гармоническому закону с учетом интегрально-среднего значения коэффициента жесткости основания. Получены расчетные формулы для определения динамического прогиба, угла поворота, изгибающего момента и перерезывающей силы в произвольных сечениях днища в любой момент времени. На основании построенных общих решений динамических контактных задач проанализированы частные случаи и путем сопоставления с решениями других авторов доказаны их достоверность.

10. Исходя из требований нормативных документов предложены аналитические зависимости для описания свободных температурных перемещений точек тыловой поверхности гибких консольных стен постоянной и переменной жесткости, а также днище постоянной изгибной жесткости для случая полностью опорожненной камеры. Впервые сформулировано и решены термоконтактные задачи о гибких стенах и днищах доковых конструкций и получены расчетные зависимости для оценки термонапряженного состояния этих конструкций. Разработанные методики расчета термоконтактных задач позволяют учитывать влияние дополнительного реактивного давления грунта обратной засыпки от расчетного температурного воздействия на величину деформаций и усилий возникающих в этих конструкциях.