Диссертация (1141536), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Численный анализ взаимодействия ровного ледового поля смногоопорными гидротехническими сооружениями с вертикальной опорнойчастью5.1.Анализ методики определения ледовой нагрузки от ледового поля на многоопорныесооружения. Постановка задачи исследованияПримеры многоопорных сооруженийСредигидротехническихсооруженийвстречаютсякакодноопорные,такимногоопорные сооружения. Количество, расположение опор и расстояние между зависит отспецифики сооружения, его функционального назначения и местных гидрометеорологических,ледовых условий. Примеры многоопорных сооружений изображены на рисунке 5.1.б)а)в)Рисунок 5.1 - Примеры многоопорных гидротехнических сооружений: а) четырехопорнаянефтегазовая платформа; б) многопролетный мост; в) причал СПГСуммарная ледовая нагрузка на многоопорное сооружение, как правило, определяется,согласно следующему принципу:Суммарная нагрузка = кол-во опор × пониж.
коэфф. × максимальная нагрузка на 1 опоруСогласно СП 38.13330.2012 «Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения»[1], суммарная нагрузка определяется по формуле: = 1 2 1(5.1)где – общее количество опор сооружения;1 - максимальная нагрузка на 1 опору;1 – коэффициент, учитывающий неодновременное возникновение максимальных нагрузок наотдельные опоры, определяемый по формуле:−1/21 = 0,83 + 0,17(5.2)2 – коэффициент взаимовлияния соседних опор, определяемый по СП 38.13330.2012 потаблице 5.1:94Таблица 5.1 - (таблица СП 38.13330.2012)Значение b/a0.1 и менееКоэффициент 21.00.50.55 + 0.451.0а – шаг колонн; - коэффициент, принимаемый по таблице 20 СП при /ℎ ; - число колонн в первом ряду по фронту сооружения;После определения максимальной ледовой нагрузки на одну опору 1 , ключевымвопросом становится учет факторов, определяющих суммарную нагрузку на все опоры, аименно: /1(5.3)или 1 2(5.4)Во многих источниках и стандартах, в том числе в стандарте ISO 19906 [19],рекомендуется вводить еще один коэффициент 3 , коэффициент учета затора ледовой массы впространстве между опорами.
С учетом дополнительного коэффициента 3 выражение (5.4)можно переписать в следующем виде:или 1 2 3(5.5)Таким образом, суммарную ледовую нагрузку на многоопорные сооружения определяюттри основных фактора, которые являются предметом многочисленных исследований:1) эффект взаимовлияния соседних опор на суммарную нагрузку [117-119];2) эффект неодновременного возникновения максимальных нагрузок на отдельныеопоры [118, 119];3) эффект от затора ледовой массы в пространстве между опорами [94, 96, 97].Влияние первого и второго фактора отдельно отследить затруднительно. Поэтомурассматривается обычно их совместное влияние на суммарную ледовую нагрузку. На данныймоментимеетсяограниченноеколичестворабот,представленныхнаразличныхмеждународных конференциях [99, 117-119], где была освещена данная проблематика.
В нихрассматривались в основном четырехопорные конструкции. Основными выводами данныхработ являлся тот факт, что отношение /1 зависит от: /1 ~ ; /где(5.6)95 – угол воздействия дрейфующего льда на конструкцию в плане. При этомобосновывалось,чтомаксимальнаясуммарнаяледоваянагрузкаприходитсяначетырехопорную конструкцию при воздействии льда под углом 20-30˚;/ – отношение расстояния между опорами , м, к диаметру опор , м. При этом вразных работах отмечался разный критерий зависимости /1 от /. В одних работахотмечалось, что /1 не изменяется при />6 [99], в других при />12-20 [118].Еще одним выводом был тот факт, что в зависимости от вышеописанных условийвеличина /1 для четырехопорной конструкции может варьироваться в диапазоне 2-3.5.Тем не менее, в данных работах не было раскрыто влияние толщины льда на величину /1 , не в полной мере раскрыта физика воздействия льда на опоры второго ряда взависимости от , не было согласованности в отдельных результатах.
Таким образом, очевиднанеобходимость проведения дальнейших исследований по данному вопросу.Эффект влияния образования затора ледовых обломков в пространстве между опорамина глобальную нагрузку широко не изучен. Имеются предположения о том, что затор можетувеличить площадь воздействия льда на конструкцию, что приведет к увеличению суммарнойнагрузки. Несмотря на рекомендации ряда источников [19, 21, 120] о необходимости учетаданного эффекта в виде дополнительного коэффициента 3 , нигде не представлены расчетныеположения к его определению. Согласно положениям ISO 19906 затор ледовых обломковможно ожидать при / < 4.Таким образом, с целью уточнения физики процесса воздействия ровного ледового поляна трех- и четырехопорные сооружения и уточнения методики определения ледовой нагрузкина многоопорное сооружение по СП 38.13330.2012 были определены следующие задачи длячисленного моделирования:1.
Анализ зависимости значения /1 от угла воздействия дрейфующего ледовогополя на опоры, толщины льда ℎ и от расстояния между опорами / для трех- ичетырехопорного сооружения.2. Анализ физики процесса воздействия ледового поля на сооружение с затором ледовоймассы в пространстве между опорами и оценка возможного увеличения суммарной нагрузки намногоопорное сооружение (трех- и четырехопорное).3. Отдельной задачей было поставлено сравнение трех- и четырехопорной конструкции сточки зрения величины ледовой нагрузки.965.2.Численный анализ эффекта взаимовлияния соседних опор на суммарнуюледовую нагрузкуЧетырехопорная конструкцияС целью исследования эффекта взаимовлияния соседних опор для четырехопорногосооружения численное моделирование было проведено для ряда различных сценариев, аименно для / =3; 4.5; 6; 8 при углах ледового воздействия =0; 15; 22.5; 45˚, как изображенона рисунке 5.2.
Толщина льда была принята ℎ=0.5м и 1.0м.б)в)г)LДрейфующийледа)D=3мLРисунок 5.2 - Моделируемые ситуации воздействия льда на четырехопорную конструкцию: а)0˚; б) 15˚; в) 22.5˚; г) 45˚; –диаметр опоры, м; – расстояние между осями соседних опор, мРезультаты численного моделирования приведены в таблице 5.2 и на рисунках 5.3, 5.4,5.5.Таблица 5.2 - Таблица результатов численного моделирования учета эффекта взаимовлияниясоседних опор четырехопорного сооружения в зависимости от угла воздействия льда ,толщины льда и расстояния между опорами, Ftotal/F10˚22.5˚45˚h=0.5м (D/h=6)1.92.42.62.6L/D=4.51.92.72.92.7L/D=61.92.93.12.7L/D=81.93.03.22.8L/D=3h=1.0м (D/h=3)1.92.93.12.8L/D=61.93.42.8L/D=315˚3.2где Ftotal – суммарная ледовая нагрузка на 4-е опоры, F1 – нагрузка на одну опору.Ftotal/F197α, градРисунок 5.3 - График зависимости эффекта взаимовлияния опор Ftotal/F1 от расстояния междуFtotal/F1опорами и угла воздействия льда (для толщины льда h=0.5м)α, градFtotal/F1Рисунок 5.4 - График влияния толщины льда на Ftotal/F1 при L/D=3α, градРисунок 5.5 - График влияния толщины льда на Ftotal/F1 при L/D=698Результаты численного исследования позволили сделать следующие выводы:1.
Воздействие ровного ледового поля на четырехопорную конструкцию (при толщинельда h=0.5 и h=1.0м) дают соотношение Ftotal/F1=1.9-3.4, что, в целом, соответствует результатамранее проведенных исследований. При этом для более тонкого льда, толщиной – 0.5м,Ftotal/F1=1.9-3.2, для льда толщиной h=1.0м - Ftotal/F1=1.9-3.4.2. Наибольшая нагрузка отмечается, когда лед воздействует на все четыре опоры и когдаопоры второго ряда не находятся в тени передних опор (полностью или частично), что бываеткогда угол воздействия льда на опору лежит в диапазоне 20-30˚.3.
Согласно проведенному численному исследованию эффект взаимовлияния опор(Ftotal/F1) при L/D=6 и L/D=8 значительно не отличаются, в результате чего можноконстатировать, что для L/D>8 эффект взаимовлияния опор значительно изменяться не будет,т.е. Ftotal/F1=const.4.Как показал численный эксперимент толщина льда имеет большое влияние наэффект взаимовлияния опор, что наглядно изображено на рисунках 5.4 и 5.5. Этот эффект имеетместо потому, что при определенных условиях (высокой гибкости льдины или ее отдельногоучастка) лед разрушается при контакте с опорами второго ряда не путем дробления, арезультате потери устойчивости, как изображено на рисунке 5.6a. В ходе численногомоделирования разрушение льда при воздействии на опоры заднего ряда путем потериустойчивости (рисунок 5.6а) наблюдалось при толщине льда h=0.5м (D/h=6).
При толщине льдаh=1.0 м (D/h=3) лед разрушался на сжатие дроблением (рисунок 5.6б).а)б)Рисунок 5.6 - Схема разрушения ледового поля при L/D=6 и α=22˚: а) h=0.5м; б) h=1.0м99Трехопорная конструкцияЧисленное моделирование было проведено для сценариев, когда / =3; 4.5; 6; 8 приуглах ледового воздействия =0; 15; 30; 60˚, как изображено на рисунке 5.7.
Толщина льда былаб)а)г)LD=3.5мв)Дрейфующийледпринята ℎ=0.5м и 1.0м.LРисунок 5.7 - Моделируемые ситуации воздействия льда на трехопорную конструкцию: а) 0˚; б)15˚; в) 30˚; г) 60˚; –диаметр опоры, м; – расстояние между осями соседних опор, мРезультаты численного моделирования приведены в таблице 5.3 и на рисунках 5.8, 5.9,5.10.Таблица 5.3 - Таблица результатов численного моделирования учета эффекта взаимовлияниясоседних опор трехопорного сооружения в зависимости от угла воздействия льда , толщиныльда и расстояния между опорами, Ftotal/F10˚15˚30˚60˚h=0.5м (D/h=7) при D=3.5мL/D=32.62.31.92.5L/D=4.52.72.41.92.6L/D=62.72.51.92.7L/D=82.82.61.92.7h=1.0м (D/h=3.5) при D=3.5мL/D=32.82.41.92.7L/D=62.92.71.92.9где Ftotal – суммарная ледовая нагрузка на 4-е опоры, F1 – нагрузка на одну опору.Ftotal/F1100α, градРисунок 5.8 - График зависимости эффекта взаимовлияния опор Ftotal/F1 от расстояния междуFtotal/F1опорами и угла воздействия льда (для толщины льда h=0.5м) для трехопорной конструкцииα, градРисунок 5.9 - График влияния толщины льда на Ftotal/F1 при L/D=3 для трехопорнойFtotal/F1конструкцииα, градРисунок 5.10 - График влияния толщины льда на Ftotal/F1 при L/D=6для трехопорной конструкции101Выводы по результатам численного исследования следующие:1.В зависимости от угла воздействия ледового поля на трехопорную конструкциюотношение суммарной нагрузки к нагрузке на одну опору Ftotal/F1 может варьироваться вдиапазоне 1.9-2.9.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
