Диссертация (1141536), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Численная модель показала схожие результаты снатурным экспериментом: при первоначальном контакте была загружена вся центральная частьизмерительной панели штампа, при дальнейшем внедрении штампа в лед площадь зонвысокого давления не превышала 10% от общей площади измерительной панели.Второе сравнение численной модели было проведено с результатами прорезания льдафизической моделью четырехопорной конструкции в бассейне Крыловского научного центра.Как было продемонстрировано на рисунке 3.15 характер разрушения льда по численной моделии по натурному эксперименту был схожим.
Коэффициенты взаимовлияния опор, определенныепо результатам численного моделирования, были незначительно ниже (не более чем на 5%) чемте, что получились по результатам эксперимента в бассейне при скорости 0.05 м/с (когданаблюдалось хрупкое разрушение льда).В целом, сопоставление результатов численного моделирования c практическимиисследованиями в Охотском море [98] и в Крыловском научном центре [99] говорит о том, чтопредставленная численная модель льда может быть использована для исследования общихзакономерностей и физики процесса взаимодействия ледовых полей с одноопорными имногоопорными гидротехническими сооружениями, и давать достаточно близкие к натурнымэкспериментам результаты.73Глава 4.
Аналитическое и численное исследование взаимодействия ровноголедового поля с одноопорными гидротехническими сооружениями свертикальной опорной частью4.1.Постановка задачи исследованияКак было отмечено в Главе 2 для определения максимальной ледовой нагрузки отровного ледового поля на вертикальную опору (при прорезании льда опорой) в отечественных ииностранных методиках используются прочностные параметры льда и масштабный эффектледовой нагрузки. Исследование этих двух ключевых факторов в проекции на отечественныйстандарт лежит в основе анализа, представленного в данной главе. В рамках анализа былипроведены следующие исследования:- численный анализ специфики воздействия льда на одноопорные сооружения. Анализвлияния формы опоры на ледовое воздействие;- аналитическое исследование масштабного эффекта ледовых воздействий на основеизвестных данных о крупномасштабных измерениях ледовых воздействий;- численный анализ влияния наличия зон многолетнего льда в поле однолетнего льда наледовую нагрузку.4.2.Численный анализ воздействия льда на одноопорные сооружения.
Анализ влиянияформы опоры на характеристики ледового воздействияНаряду с прочностными характеристиками льда и масштабным эффектом ледовойнагрузки форма опоры сооружения в плане является одним из ключевых факторов, влияющихна величину ледовой нагрузки. В отечественном стандарте форма опоры в плане учитываетсяпри помощи коэффициента , который определяется по таблице 4.1.Таблица 4.1 - Коэффициент формы опоры в плане (из СП 38.13330.2012)Коэффициент формыопоры в планеОпора с передней гранью в видемногогранника илиполуциркульного очертания0.83прямоугольника174При этом есть примечание о том, что в случае подвижки примерзшего к опоре ледовогополя в случае опоры с передней гранью в виде прямоугольника значение не менется, т.е.
=1, а в случае с передней гранью в виде многогранника или полуциркульного очертания =1.26.В зарубежных стандартах, таких как ISO 19906, API RP 2N также упоминается оважности роли формы опоры в плане на ледовую нагрузку, но в расчетных формулах она никакне учитывается.При помощи численной модели, представленной в Главе 3, было исследованонапряженно-деформированное состояние льда перед разрушением, процесс разрушения льдапри взаимодействии с опорой, а также давление, которое лед оказывает на опору с переднейгранью в виде прямоугольника, полуциркульного очертания и в виде многогранника.Рассматривался случай смерзания льда с опорой и его отсутствия.
В исследованияхпринималось ледовое поле толщиной 0.6 м, характерные размеры опор - 3 метра.В таблице 4.2 представлены результаты численного моделирования, где указанызначения максимальной ледовой нагрузки на опоры различной формы в плане исоответствующие коэффициенты m. Сравнивая результаты с таблицей 4.1, можно сделать дваосновных вывода:- в случае отсутствия смерзания результаты моделирования дают коэффициенты формыопоры в плане для опор с передней гранью полуциркульного очертания и в видемногоугольника выше, чем по СП 38.13330.2012, а именно 0.90 и 0.92, вместо 0.83;- в случае смерзания льда нагрузка на прямоугольную опору также увеличивается.Меняется и коэффициент опоры на =1.23 вместо = 1. Как видно из рисунка 4.1, увеличениенагрузки вызвано увеличением площади зоны высокого давления при первоначальномконтакте.Таблица 4.2 - Результаты численного моделирования в виде максимальной ледовой нагрузки наопоры различной формы в плане, МН, и значения коэффициента опор Ледовая нагрузка, МН, (коэффициент формы опоры m)Сценарий ледовоговоздействияОпора с передней гранью в виде:прямоугольникаполуциркульногоочертаниямногогранникаВ отсутствие смерзанияльда с опорой5.2 (1)4.7 (0.90)4.8 (0.92)При наличии смерзанияльда с опорой6.4 (1.23)6.7 (1.29)6.6 (1.27)75а)б)Ледовоеполе1МПаПрямоугольная опораПрямоугольная опораРисунок 4.1 - Поле нормальных главных напряжений ледового поля: а) без смерзания; б) присмерзании льда с опорой; 1 – участки высоких напряжений в ледовом поле до начала егоразрушенияЧто касается изменения ледовой нагрузки во времени при воздействии ледового поля наопоры различной формы в плане, то результаты численного моделирования дали картину,отображенную на рисунках 4.2, 4.3, 4.4.б)а)F,МНF,МН231время, свремя, св)1Ледовоеполе23МПаПрямоугольнаяопораРисунок 4.2 - График изменения ледовой нагрузки при воздействии ледового поля напрямоугольную опору: а) при отсутствии смерзания; б) с учетом смерзания льда с опорой; в)поля нормальных главных напряжений ледового поля76б)а)F,МНF,МН4321время, св)1время, с243МПаОпораЛедовое полеРисунок 4.3 - График изменения ледовой нагрузки при воздействии ледового поля на опоруполуциркульного очертания: а) при отсутствии смерзания; б) с учетом смерзания льда с опорой;в) поля нормальных главных напряжений ледового поляб)а)F,МНF,МН321время, св)21время, с3МПаОпораЛедовое полеРисунок 4.4 - График изменения ледовой нагрузки при воздействии ледового поля на опору ввиде многоугольника: а) при отсутствии смерзания; б) с учетом смерзания льда с опорой; в)поля нормальных главных напряжений ледового поля77На основании результатов численного моделирования, представленных на рисунках 4.2,4.3, 4.4 можно сделать следующие выводы:1)При воздействии ледового поля на прямоугольную опору главные напряжения вольду и давление льда на опору распределяются неравномерно: наибольшие напряженияотмечаются в угловых зонах, где напряженное состояние в 2-3 раза превышает среднеезначение по площади контакта (рисунок 4.2в), а именно 2-6 МПа по сравнению со средним 1.52МПа.
В угловых же зонах происходит первичное разрушение льда.2)Для прямоугольных опор, а также для другого типа опор в случае смерзания сольдом набольшие ледовые нагрузки отмечаются при первоначальном контакте. Далее пиковыенагрузки ледового поля при внедрении опоры в лед составляют 20-80% от первоначальной.Такая же закономерность отмечалась и при проведении масштабных натурных испытаний вОхотском море (проект JOIA) [101].3)В случае опоры с передней гранью полуциркульного очертания и в видемногогранника, когда нет смерзания льда с сооружением, ледовая нагрузка увеличивается помере внедрения опоры в лед.4.3. Исследование масштабного эффекта ледовой нагрузки на основе известных данных окрупномасштабных измерениях ледовых воздействийМасштабный эффект ледовой нагрузки, а именно зависимость ледового давления отплощади зоны контакта льда с сооружением (ℎ) и от отношения ширины опоры к толщинельда (/ℎ), характерен для многих хрупких материалов.
Характерен он и для льда. Масштабныйэффект, наряду с прочностными характеристиками ледового поля, во многом определяетвеличину ледовой нагрузки от ровного льда на гидротехнические сооружения.Как известно, ровное ледовое поле оказывает максимальную нагрузку на опорусооружения при разрушении на сжатие дроблением (при прорезании ледового поля опорой). Сучетом формул для определения ледовых нагрузок от ровного льда по СП 38.13330.2012 [1]максимальное ледовое давление на сооружение можно определить следующим образом:- на отдельно стоящую опору (рисунок 4.5а):, =,= с ℎℎ= (4.1)- на секцию протяженного сооружения (рисунок 4.5б):, =где – коэффициент формы опоры;,= с ℎℎ= (4.2)78 – коэффициент учета скорости деформации льда;, – коэффициенты смятия; – прочность льда на сжатие, МПа;, ℎ – ширина опоры и толщина льда, м.Для сравнения в международном стандарте ISO 19906 [19] ледовое воздействиеопределяется через эффективное ледовое давление, формула которого выведена на основаниибольшого количества натурных измерений:ℎ = ( ) ( )ℎℎ(4.3)1где – показатель прочности льда, МПа (2.8 – для Арктических районов, 2.4 – длясубарктических районов, 1.8 – для умеренного климата);, – эмпирические коэффициенты.В американском стандарте API RP 2N [34] представлены следующие формулы (длясреднего значения давления плюс два стандартных отклонения):=8.1√(при 0.1<A<29м²) = 1.5МПа (при A>29м²)а)(4.4)(4.5)б)Рисунок 4.5 - Воздействие ледового поля на: а) отдельно стоящую опору; б) на секциюпротяженного сооруженияПри том, что формулы (4.1) - (4.4) отличаются, в основе каждой из них лежит дваосновных параметра: прочностной параметр льда и масштабный эффект ледовой нагрузки, чтоговорит о схожести подходов определения максимального ледового воздействия поотечественному и международным стандартам (что также подтверждается и в [77]).
Ноотличаются подходы к определению самих этих параметров.79Эти два параметра являются предметом многочисленных исследований. Многие из них[102-116, 126] говорят о том, что масштабный эффект ледовой нагрузки зависит не только от/ℎ (отношения ширины опоры к толщине льда), но и от толщины льда (или площадивоздействия льда ℎ), что наглядно отражено на графике Мастерсона [103]. К примеру, дляучета обоих факторов исследователями К.Н.Шхинеком и S.Loset в работе [31] было предложеноиспользовать следующую формулу: = 1 (/ℎ) ∗ 2 (ℎ) = 3 + ℎ−(4.6)Формула (4.3) является производной формулы (4.6) и, соответственно, учитываетзависимость давления льда от /ℎ и ℎ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
