Конечно-элементное моделирование напряженно-деформированного состояния заанкеренного больверка

Конечно-элементное моделирование напряженно-деформированного состояния заанкеренного больверка

П.П. Гайджуров, Ю.С. Данько, Н.В. Касакова, Ю.С. Фаурян Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону

Аннотация: Выполнен конечно-элементный анализ напряженно-деформированного состояния берегоукрепительного сооружения типа заанкеренный больверк при различных видах внешнего силового воздействия. Установлено, что принятые геометрические параметры сооружения обеспечивают требуемый запас прочности и гарантируют устойчивую работу объекта во всем диапазоне проектных нагружений. Сформулированы практические рекомендации по корректировке конструкционной схемы кнехта (битенга). Ключевые слова: метод конечных элементов, напряженно-деформированное состояние, Ап8увМеЛашса1, берегоукрепительное сооружение типа заанкеренный больверк, кнехт.

Несмотря на то, что за последнее десятилетие произошли значительные положительные изменения в развитии автодорожного сообщения на территории Российской Федерации и Южного Федерального округа, в частности, тем не менее возникают значительные проблемы, связанные с перегруженностью главных автомагистралей страны. В этой связи основной альтернативой автомобильным перевозкам становится речной транспорт. Однако для реализации данной альтернативы необходимо существенно усовершенствовать логистические центры вдоль главных речных «артерий». В этой связи актуальным направлением является создание искусственных внутренних гаваней, оборудованных причальными стенками в сочетании с соответствующими берегоукрепительными сооружениями [1-7].

В настоящей статье в качестве объекта исследования рассматривается берегоукрепительное (причальное) сооружение, состоящее из шпунтовой стенки протяженностью более 140 м, усиленной анкерными связями, регулярно расположенными с шагом 2,1 м. С учетом конструктивных особенностей данного сооружения в качестве основной расчетной схемы принимаем поперечное сечение больверка, проходящее через анкерную связь (рис. 1). Временные нагрузки, действующие на сооружение, представлены следую-

щими составляющими: давление от груза складского помещения - давление от пригрузки подъездного участка - д2; нагрузка от подъёмно-транспортного средства - Ркр; нагрузка от навала пришвартованного судна -Рпр; гидростатическое давление на шпунт -дг (к - уровень воды у стенки). Собственный вес материала грунтового основания и конструктивных элементов шпунтовой стенки не учитываем, т.к. эта нагрузка является постоянной и соответствующие деформации на момент приложения временных силовых воздействий должны удовлетворять проектному решению.

Грунтовое основание причального сооружения неоднородно-слоистое и образовано из следующих материалов (рис. 1):

Р1 1

р р^р^м6 гттт

Рдр ..нтнп/1п+ * * *

Ркр

_О « 00 Ъс? ^ ^ е> ^ 'О о о о

р о .0 О.0.О.О О ъъ <?.Ъ0 ъ ОАО ъъ & $0 Ъ0 0.

¿.УЧ. -УУ-А -УУЛ

< >\7- ¿.УЧ. ¿-УЧ. -УЧ'-Д -УУ-Л ХУ<

т ^ ^ ^ ^

я

Рис. 1. - Основная расчетная схема

А) Естественное основание:

1 - песок средней крупности плотный однородный насыщенный водой;

2 - суглинок тяжелый пылеватый текучий;

3 - песок мелкий плотный неоднородный насыщенный водой;

4 - суглинок тяжелый пылеватый мягкопластичный; Б) Искусственное (насыпное) основание:

5 - дренажная призма (каменная наброска);

6 - песок мелкий;

7 - слой, состоящий из смеси песка, ракушечника и обломков бетона. Механические константы основания приведены в табл. 1.

д

1

Таблица 1

Механические константы основания

Материал Модуль деформации, МПа Коэффициент Пуассона

Песок (1) 38,8 0,3

Суглинок (2) 3,1 0,35

Песок (3) 31,5 0,3

Суглинок (4) 6,2 0,35

Дренажная призма (5) 41103 0

Песок (6) 30 0,3

Насыпной слой (7) 30 0,3

Шпунтовая стенка выполнена из стальных труб с внешним диаметром 72 см и толщиной стенки 9 мм. Анкерные тяги представляют собой металлические стержни круглого поперечного сечения диаметром 6 см. Геометрические характеристики трубы и анкерной тяги приведены в табл. 2. Механические постоянные шпунта и анкера: модуль упругости Е =2-105МПа, коэффициент Пуассона ^=0,28.

Таблица 2

Геометрические характеристики трубы и анкерной тяги

Элемент конструкции Площадь поперечного сечения, м2 Осевой момент инерции сечения, м2

Шпунт 0,0201 0,00127

Анкер 0,00283 6,36-10-7

Ростверк и порогообразующая подпорная стенка берегоукрепительного сооружения выполнены из бетона, имеющего механические характеристики:£'=2,1-104 МПа; У=0,16.

2 2

Величины прикладываемых усилий: д1=8 т/м ; д2=6 т/м ; Ркр=8 т; Рпр =1,7 т; цт = рк, где плотность воды р=1000 кг/м , высота погруженной в воду

части шпунта ^=[0...4,5 м]. Значения усилий дь д2,Ркр,Рпр приняты для экстремального режима эксплуатации объекта.

Размеры расчетной области сечения берегоукрепительного сооружения показаны на рис. 2.

Рис. 2. - Размеры расчетной области сечения берегоукрепительного

сооружения в мм

Моделирование больверка выполнялось с помощью программного комплекса АШУБМеЛашса! [8-10]. Рассматривалась задача о плоской деформации. Конечно-элементная сетка для исследуемой области приведена на рис. 3.

Рис. 3. - Конечно-элементная сетка

Для моделирования грунтового основания, ростверка и подпорной стенки использовались плоские 4-х и 3-х узловыеконечные элементы. Шпунт, анкерная тяга и упорная анкерная плита представлены двумерными

стержневыми (балочными) конечными элементами. Ансамблирование выполнено таким образом, что анкерная тяга воспринимает только усилие, обусловленное смещением шпунта, и реакцию от анкерной плиты.

Для реалистичного моделирования взаимодействия шпунта и массива дренажной призмы использована процедура кооптирования, суть которой в данном случае состоял в объединении только горизонтальных перемещений смежных узлов, принадлежащих смежным стержневым и плоским конечным элементам.

С помощью модального анализа установлено, что наиболее активное развитие деформаций больверка будет происходить в горизонтальном (1-ая форма собственных колебаний) и вертикальном (2-ая форма собственных колебаний) направлениях, что связано с жесткостными характеристиками слоев грунтового основания. Последующие формы собственных колебаний не представляют опасности для несущей способности сооружения, т. к. не имеют физического смысла в рассматриваемом контексте работы объекта.

Результаты конечно-элементного моделирования в виде контрастно окрашенных (черно-белых) картин распределения полей вертикальных (осадка)^ и горизонтальных их перемещений для наиболее нагруженного вари-

анта работы сооружения приведены соответственно на рис. 4 и 5.

и у, м

О

о о о ш ш

-. О 68531 -.050321 -.052112 -.043903 -. 035694 -.027484 -.019275 -.011066 -.002856 .005353

Рис. 4. - Вертикальные перемещения 14,

Рис. 5. -Горизонтальные перемещения и.

и х, м

'X

Следует отметить, что полученное перемещение НуПЫК. стоит рассмат-

ривать как технологическое, т. е. при повторном нагружении осадка уплотнившегося грунта будет меньше.

На рис. 6, 7 представлены соответственно эпюры изгибающих моментов М и продольных сил N ,возникающих в стержневых конечных элементах.

М, Н-м

__-291033

^ -225027

О

93015.1 27009

ЗЁ997.1

Ш

105003 Р^ 171009 237015 303021

Рис. 6. - Эпюра изгибающих моментов

N, Н

_ -188142

^^ -161011 -133ЙЙ0 ^^ -106748

- -79617

^^ -52485.7

Р^ -25354.3  1777

28 908.3 56039.7

Рис. 7. - Эпюра продольных сил

На основании численного моделирования можно сделать следующие выводы:

- конструкция берегоукрепительного сооружения обладает необходимой несущей способностью по первой и второй группам предельных состояний, т. е. имеет необходимый запас прочности и жесткости;

- анализ возможных сценариев нагружения заанкеренного больверка показал, что данное сооружение является устойчивым, что исключает возможный поворот шпунта относительно точки крепления анкерной тяги, глубинный сдвиг шпунтовой стенки по кругло-цилиндрической поверхности скольжения, проходящей ниже подошвы шпунтовой стенки, а также значительный сдвиг анкерной плиты в плоскости анкерной тяги;

- во всех расчетных вариантах нагружения больверка изгибающие моменты в анкерных тягах не возникают;

- Капитальное покрытие в зоне работы подъемно-транспортной техники следует выполнять после полной стабилизации осадок территории.

- требуется усилить консольную часть конструкции кнехта (битенга) путем закачивания внутрь его бетона. В месте заделки битенга в ростверк предусмотреть замоноличивание утолщенного стального

вкладыша, предотвращающего растрескивание бетона в зоне сопряжения этих элементов конструкции; - в период эксплуатации берегоукрепительного сооружения следует обеспечить мониторинг несущих конструкций больверка в форме визуального контроля за отклонениями от первоначальной формы и раскрытием трещин.

Литература

1. Басов К.А. ANSYS: справочник пользователя. - М.: ДМК Пресс, 2012. - 640 с.

2. Волосухин В.А., Гайджуров П.П., Евтушенко С.И. и др. Инженерные конструкции: учебное пособие для студентов вузов - Новочеркасская гос. мелиор. академия; Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2007. - Ч.2. - 488 с.

3. Даревский В.Э. Сооружения, удерживающие грунтовые массивы (противооползневые и берегоукрепительные сооружения, подпорные стены и набережные). М.: Мастер, 2011. — 304 с.

4. Седрисев Д.Н., Рубинская А.В. Основы проектирования гидротехнических сооружений, лесных бирж и рейдов приплава. - М.: Издательство "Академия Естествознания", 2013. - 119 с.

5. Яковлев П. И., Тюрин А. П., Фортученко Ю. А. Портовые гидротехнические сооружения. - М.: Транспорт, 1989. — 320 с.

6. MaryKathrynThompson, JohnM. Thompson. ANSYSMechanicalAPDLfor-FiniteElementAnalysis, 2017. 245 p.

7. Прокопов А.Ю., Акопян В.Ф., Гаптлисламовна К.Н. Изучение напряженно-деформированного состояния грунтового массива и взаимного влияния подземных конструкций существующих и вновь возводимых сооружений в береговой зоне морского порта Тамань. // Инженерный вестник Дона, 2013,

№4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2104.

8. Агаханов Э.К., Курачев Р.М. Напряженно-деформированное состояние радиационно-теплового экрана реактора АЭС. // Инженерный вестник Дона, 2018, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2018/5215.

9. Zienkiewicz O.C., Taylor R.L. The Finite Element Method for Solid and Structural Mechanics. Volume 2. Butterworth-Heinemann, Sixth Edition, 2005, 736 p.

10.Gao X., Zhang G., Roe C. A Study on the Effect of the Stress State on Ductile Fracture, 2010, 57 p.

References

1. Basov K.A. ANSYS: spravochnik pol'zovatelya [ANSYS: user reference]. M.: DMK Press, 2012. 640 p.

2. Volosukhin V.A., Gaidzhurov P.P., Evtushenko S.I. and others. Inzhenernye konstrukcii: uchebnoe posobie dlya studentov vuzov [Engineering structures: a manual for university students - Novocherkassk State. melior academy; South-Ros. state tech. un-t (NPI)]. Novocherkassk: SRSTU, 2007. Part 2. 488 p.

3. Darevsky V. E. Sooruzheniya-uderzhivayushchie-gruntovye-massivy-protivoopolznevye-i-beregoukrepitelnye-sooruzheniya-podpornye-steny-i-naberezhnye [Structures that hold soil massifs (landslide and shore protection structures, retaining walls and embankments)]. M: Max, 2011. 304 p.

4. Sadriev D. N., Rubinskaya A. V. Osnovy-proektirovaniya-gidrotekhnicheskih-sooruzhenij-lesnyh-birzh-i-rejdov-priplava [Principles of design of hydraulic structures, timber exchanges and raids of priprava]. Moscow: Publishing House "Academy Of Natural Sciences", 2013. 119 p.

5. Yakovlev P. I., Tyurin A. P., Fortuchenko YU. A. Portovye gidrotekhni-cheskie sooruzheniya [Port hydraulic engineering constructions]. M.: Transport, 1989.320 p.

6. Mary Kathryn Thompson, John M. Thompson. ANSYS Mechanical APDL

for Finite Element Analysis, 2017. 245 p.

7. Prokopov A.Yu., Akopyan V.F., Gaptlislamovna K.N. Inzenernyj vestnik-Dona (Rus), 2013, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2104.

8. Agakhanov E.K., Kurachev R.M. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2018, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2018/5215.

9. Zienkiewicz O.C., Taylor R.L.The Finite Element Method for Solid and Structural Mechanics. Volume 2.Butterworth-Heinemann, Sixth Edition, 2005, 736 p.

10. Gao X., Zhang G., Roe C. A Study on the Effect of the Stress State on Ductile Fracture, 2010, 57 p.