Автореферат диссертации (1141535), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Модель льда, определяющая напряженнодеформированное состояние льда под нагрузкой, и алгоритм численного моделирования льда.2.Аналитическое решение для определения ледового воздействия на одноопорные ипротяженные сооружения при разрушении льда.3.Результаты анализа расчетных положений СП 38.13330.2012 в области определенияледовой нагрузки от ровного льда.4.Результаты численного анализа влияния формы опоры на ледовую нагрузку.5.Результаты численного анализа влияния различных факторов на суммарнуюледовую нагрузку на многоопорное сооружение.6.Подход к определению максимальной ледовой нагрузки от ровного льда с учетомизменчивости ледовых характеристик на протяжении ледового сезона и длинного рядастатистических ледовых данных.Степеньдостоверностирезультатовисследованийподтверждаетсясогласиемрезультатов расчетов и численного моделирования с данными лабораторных и натурныхизмерений ледовых воздействий на гидротехнические сооружения с вертикальной опорнойчастью.Апробация работыОсновные результаты работы были доложены на: XVIII Международной межвузовскойнаучно-практической конференция студентов, магистрантов, аспирантов и молодых учёных«Строительство – Формирование среды жизнедеятельности» (г.
Москва: ФГБОУ ВПО НИУМГСУ,2015);XX Международноймежвузовскойнаучно-практическойконференциястудентов, магистрантов, аспирантов и молодых учёных «Строительство – Формированиесреды жизнедеятельности» (г. Москва: ФГБОУ ВПО НИУ МГСУ, 2017); на международнойнаучно-практической конференции «Обеспечение гидрометеорологической и экологическойбезопасности морской деятельности» (г. Астрахань, 2015).ПубликацииМатериалы диссертационного исследования опубликованы в 9 научных работах, в томчисле 5 в изданиях, рекомендованных ВАК.7Структура и объем работыДиссертация состоит из введения, шести глав, заключения, приложений и спискалитературы, содержащего 130 наименований. Текст работы изложен на 142 страницах.Диссертация содержит 77 рисунков и 31 таблицу.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели изадачи исследования, показаны научная новизна и достоверность результатов, теоретическая ипрактическая значимость работы, а также представлены положения, выносимые на защиту.В первой главе проведен общий анализ ледовых полей, как фактора воздействия нагидротехнические сооружения.
Представлена краткая характеристика ледовых условийсеверных арктических морей, информация о рисках нарушений работы шельфовых и береговыхсооружений, подверженных ледовым воздействиям, с фактическими данными о локальныхразрушениях конструкций, вибрациях, опрокидывании и смещении конструкций маяков, и др.На основании анализа различных исследований и ледовых изысканий, проведенных, впервую очередь, в Охотском море, а также в морях Северного Ледовитого Океана (СЛО),представлены численные значения ключевых ледовых параметров. Также дана краткаяхарактеристика основных факторов, определяющих нагрузку от ледового поля на ГС.Во второй главе был проведен анализ методики определения нагрузки от ледового поляна вертикальные сооружения в соответствии с СП 38.13330.2010 на фоне известных данныхмасштабных измерений ледовых нагрузок, международного стандарта ISO 19906 и данныхисследований, опубликованных за последние годы.В главе отдельным пунктом представлены известные данные масштабных натурныхизмерений ледовой нагрузки, в первую очередь, собранные на платформе Моликпак в период1984-1989 гг., а также на маяках в Балтийском море.Анализ показал, что фундаментальных отличий между СП 38.13330.2012 и ISO 19906нет.
Расчетные формулы во всех стандартах используют прочностные характеристики льда иучитывают масштабный эффект ледового воздействия, правильное определение которогоявляется важным с точки зрения корректности определения ледовых нагрузок.Результатом анализа стал вывод о том, что с целью усовершенствования методикиопределения ледовой нагрузки целесообразно, в первую очередь:- уточнить базовые расчетные положения с целью гармонизации российскихстроительных норм с ведущими зарубежными нормами;- на базе имеющих многочисленных данных натурных и лабораторных испытанийуточнить учет масштабного эффекта ледовой нагрузки в расчетных формулах;8- уточнить расчетные положения по определению ледовых нагрузок на многоопорныесооружения, в том числе с учетом затора ледяной массы между опорами.В третьей главе представлена численная модель для моделирования воздействияровного ледового поля на гидротехническое сооружение с вертикальной опорной частью.Численная модель была разработана в программе ANSYS, верифицирована на базе двухэкспериментальных работ и использована в рамках диссертационного исследования с цельюизучения силового воздействия ледового поля на гидротехнические сооружения.В начале главы дан общий обзор возможности моделирования ледовых воздействий припомощи МКЭ с выводом о том, что численное моделирование ледовых воздействий нагидротехнические сооружения возможно при условии, что определены два основных фактора:1)Определенамодельматериала(льда),характеризующаяегонапряженно-деформированное состояние при заданных нагрузках, и заданы критерии его разрушения;2)Определен алгоритм численного моделирования льда.Для численной модели были определены следующие ключевые положения:- был выбран подход к моделированию ровного ледового поля как твердого сплошного тела;- процесс разрушения льда был задан при помощи Модели Удаления Элементов;- в качестве критерия прочности для льда была принята теория Мора-Кулона.Численная модель была верифицирована на основе двух экспериментальных работ:1.Внедрение прямоугольного горизонтального штампа в ледовое поле (натурныеиспытания в Охотском море, 1998;2.Лабораторные модельные испытания взаимодействия ледового поля с четырех-опорной конструкцией в бассейне Крыловского научного центра, 2011.В рамках сравнения результатов численного моделирования с первым натурнымэкспериментом по внедрению горизонтального штампа в ровный лед была проведена оценкаизменения ледовой нагрузки во времени.
В ходе полевого испытания и численногомоделирования был отмечен одинаковый пик нагрузки при первоначальном контакте, равный150 кН. Далее после взлома кромки льда нагрузка упала до 30 кН. При дальнейшем внедренииштампа в лед был отмечен циклический характер нагрузки. Повышение нагрузки по численноймодели было до 40-130 кН, по результатам натурных измерений до 30-90 кН (рисунок 1).Также была проведена оценка характера воздействия льда на установку.
Численнаямодель показала схожие результаты с натурным экспериментом: при первоначальном контактебыла загружена вся центральная часть измерительной панели, при дальнейшем внедренииштампа в лед площадь зон высокого давления не превышала 10% от общей площадиизмерительной панели (рисунок 2).9F, кН150212090603001100T, c304070605090801020Рисунок 1 - График колебаний нагрузки от ледового поля на экспериментальную установку(штамп): 1 – в ходе полевых испытаний; 2 – в ходе численного моделирования0Второе сравнение численной модели было проведено с результатами прорезания льдафизической моделью четырехопорной конструкции в бассейне Крыловского научного центра.Как было продемонстрировано на рисунке 3 характер разрушения льда по численной модели ипо натурному эксперименту был схожим.а)г)б)д)в)е)МПаРисунок 2 - Графическое представление результатов численного моделирования в виде полейглавных нормальных напряжений: а) б) в) ледового поля; г) д) е) измерительной панели.10б)а)Рисунок 3 - Картина разрушения льда при воздействии на четырех опорное сооружение подуглом: а) при численном моделировании; б) в ходе модельных испытанийКоэффициенты взаимовлияния опор (таблица 1), определенные по результатамчисленного моделирования, были незначительно ниже (не более чем на 5%) чем те, чтополучились по результатам эксперимента в бассейне при скорости 0.05 м/с, когда наблюдалосьхрупкое разрушение льда.Таблица 1 - Общий коэффициент взаимовлияния опор четырех опорной конструкции приразных углах воздействия ледового поля,РасстояниемеждуЭкспериментУгол воздействияЧисленнаяледового поляV=0.01 м/сV=0.05 м/смодель6D0˚1.732.342.16D30˚2.93.623.46D45˚2.532.512.5опорамигде V – скорость прорезания моделью ледового поля.Сопоставление результатов численного моделирования c исследованиями в Охотскомморе и в Крыловском научном центре говорит о том, что представленная численная модельльда может быть использована для исследования общих закономерностей и физики процессавзаимодействия ледовых полей с гидротехническими сооружениями, и давать достаточноблизкие к натурным экспериментам результаты.В четвертой главе в рамках выполнения аналитических и численных исследованийвзаимодействия ровного ледового поля с одноопорными гидротехническими сооружениями свертикальной опорной частью были проведены следующие исследования:- численный анализ специфики воздействия льда на одноопорные сооружения.
Анализвлияния формы опоры на ледовое воздействие;11- аналитическое исследование масштабного эффекта ледовых воздействий на основеизвестных данных о крупномасштабных измерениях ледовых воздействий;- численный анализ влияния зон многолетнего льда в поле однолетнего льда на ледовуюнагрузку.Результаты численного моделирования, проведенного в рамках диссертационногоисследования, показали, что значения коэффициента формы опоры могут отличаться от тех, чтопредставлены в стандарте СП 38.13330.2012.
Значения, которые получены численныммоделированием, представлены в таблице 2: в случае отсутствия смерзания со льдом опоры спередней гранью полуциркульного очертания и в виде многогранника дают значениявыше,чем те, что представлены в СП 38.13330.2012, а именно 0.9-0.92 вместо 0.83. Значениедля многогранника было представлено и в стандарте СНиП II-57-75 (предыдущая редакциястандарта «Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения»).
В случае смерзанияльда с опорой, численное моделирование показывает увеличение нагрузки не только для опор спередней гранью полуциркульного очертания и в виде многогранника, но и для прямоугольныхопор.Таблица 2 - Коэффициенты формы опорыОпора с передней гранью в видеКоэффициент формыопоры в планеполуциркульного очертания(многогранника)прямоугольникапри отсутствии смерзания льда с опоройСП 38.13330.20120.831.0Численное моделирование0.90 (0.92)1.0при наличии смерзания льда с опоройСП 38.13330.20121.261.0Численное моделирование1.29 (1.23)1.23В разделе 4.3 Главы 4 было проведено исследование масштабного эффекта ледовойнагрузки на фоне известных данных натурных измерений ледовых воздействий на ГС.Основной целью исследования было уточнение методики определения максимальной ледовойнагрузки по СП 38.13330.2012.
Как известно, коэффициент смятияпо СП 38.13330.2012учитывает зависимость ледовой нагрузки только от отношения, без учета площадиконтакта ледового поля с сооружением. В результате при определенных условиях могутвозникать ошибки в расчетах, что наглядно изображено на рисунке 4:12Рисунок 4 - График зависимости ледового давления p от толщины льда: 1 – по ISO 19906 дляАрктической зоны; 2-по СП38.13330.2012 при температуре верхней кромки льда -5˚С; 3 –график изменения давления льда на опоры диаметром D=2м в Желтом море; 4 – наизмерительную панель шириной b=1.13м (Моликпак); на измерительные панели ширинойb=1.2м на маяк Норстремсгрунд в Балтийском мореС целью более корректного учета масштабного эффекта также было выведеноаналитическое решение по принципу, предложенному ранее К.Н.Шхинеком и S.Loset:(1)где– максимальное ледовое давление, МПа;– ширина опоры, м;- толщина льда, м;– показатели степени;– эмпирические показатели прочности.Основной идеей при выводе аналитического решения было учесть в одной формулеосновные преимущества методик определения максимальной ледовой нагрузки по СП38.13330.2012, ISO 19906 и с учетом данных натурных измерений.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
