Напряженно-деформированное состояние ворот шлюза при навале судов

ВОДНЫЕ ПУТИ, ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ И ПОРТЫ

УДК 626.422.21

В. Г. Богатырев,

аспирант,

ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова;

H. H. Столяров,

канд. техн. наук, ОАО «Ленморниипроект»

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОРОТ ШЛЮЗА

ПРИ НАВАЛЕ СУДОВ

STRESSEDLY-DEFORMED STATE OF LOCK GATES AFTER VESSELS IMPACT

В статье представлен анализ вариантов навала судна на нижние двухстворчатые ворота шлюза. Рассмотрены последствия навала судна на примере математической модели двухстворчатых ворот. Произведена оценка устойчивости ворот.

The article presents analysis of vessels impact versions to the lower double-gate lock. Consequences of vessel impact are considered on an example of mathematical model of double-gate lock. Assessment of gate stability is made.

Ключевые слова: нижние двухстворчатые ворота, шлюз, навал.

Key words: lower double-gate, lock, impact.

ческие сооружения. Одним из таких сооружений, подверженным внерасчетным воздействиям от судов, является шлюз и непосредственно двухстворчатые ворота.

В данной статье предлагается метод автоматизированного анализа напряженно-деформированного состояния шлюзовых ворот. Для решения поставленной задачи применяется конечноэлементный комплекс SCAD office 11.3 (далее — SCAD). Анализируется пространственная работа ворот от совместного воздействия гидростатической нагрузки воды и навала от судна [1-3].

Навал судна на нижние двухстворчатые ворота вызывает деформации и смещения ригелей, диафрагм, обшивки ворот. Происходит перемещение опорных элементов: в створном столбе и в вереяльных столбах. Также оказывается воздействие на привод ворот и пятовое устройство, которые рассчитаны без учета возможности передачи на них нагрузок от навала судна.

Все вышеперечисленные элементы оказываются вовлеченными в работу по перераспределению динамической нагрузки от навала судна. Следовательно, первоочередной задачей является определение деформаций, которым подвергаются элементы конструкции ворот от момента удара судна до его полной остановки. Кроме деформаций, практический интерес представляет определение усилий, которым подвергается каждый элемент конструкции.

Ниже рассмотрены возможные случаи навала судна на нижние двухстворчатые ворота шлюза шириной 18 м. Исходя из анализа габаритов шлюза и габаритов судов речного флота, были установлены варианты навала:

1. Навал под углом к продольной оси шлюза (рис. 1):

а) навал судна на створный столб;

ЧЕВИДНАЯ ситуация возросшей аварийности на речных и морских акваториях в мире в целом и в РФ в частности дает веский повод конструкторам учитывать аварийные ситуации как внешние воздействия на проектируемые и уже существующие гидротехни-

Выпуск 3

Выпуск 3

б) навал судна по центру створки;

2. Навал параллельно продольной оси шлюза (рис. 2):

а) навал судна на створный столб;

б) навал судна в пролет створки.

Также из анализа можно проследить распределение приведенных выше вариантов навала в зависимости от водоизмещения судна. Навал на створный столб и прилегающую 1,2 м область характерен для всех типов судов независимо от их габаритной ширины. Навал в область от 1,2 до 3,0 м характерен для судов типа «Волго-Балт» и для судов с меньшими габаритами. Навал в область от 3,0 до 6,0 м может быть произведен либо буксирами, либо малогабаритными судами (постройки преимущественно конца 1950-х гг.).

Рис. 1. Навал судна на ворота под углом к продольной оси шлюза

Рис. 2. Навал судна на ворота параллельно продольной оси шлюза

Для моделирования выбраны ворота, эксплуатируемые на шлюзах Волго-Балтийского водного пути, и в SCAD разработана их пространственная модель (рис. 3). Конструкция ворот смоделирована пластинчатыми элементами в точном соответствии с рабочим чертежами.

Для связи с бетонным основанием шлюза применяются стержневые элементы. Площадь поперечного сечения стержня равна площади контакта упорной с опорной подушкой. Выбор стержневых элементов обусловлен простотой анализа усилий сжатия и среза, возникающих при навале и гидростатическом давлении, и возможностями SCAD. В эксплуатируемых воротах данное взаимодействие обеспечивается через упорные и опорные подушки соответственно, которые представляют собой стальные, прямоугольные в плане, контактные поверхности. Работа опорных подушек под гидростатическим давлением воды не предусматривает их перемещение в контактной поверхности. Их расположение обусловлено расстановкой ригелей по высоте створки, так как они являются «торцами» ригеля и передают от ригелей через вереяльные столбы на устои нижней головы шлюза гидростатическое давление воды при закрытых воротах.

Для анализа напряженно-деформированного состояния ворот принята сила удара 10 000 кН, соответствующая навалу судна «Волго-нефть» при скорости 2 м/с и водоизмещении 6750 т. Сила удара судна приложена к расчетной модели в виде сосредоточенной нагрузки, действующей по центру (створу) ворот.

Рис. 3. Модель двухстворчатых ворот шлюза

После выполнения комплекса расчетов нижних двухстворчатых ворот были получены следующие данные: напряженно-деформированное состояние створок ворот, усилия в опорных подушках, перемещения ворот в плоскости подушек. Анализ возможности сдвига опорных подушек выполняется посредством сравнения удерживающего усилия Fтр со срезающей силой бсрез, возникающей в стержневом элементе.

Выпуск 3

^ = ц • N

где ц — коэффициент трения металла по металлу, равный 0,15.

Анализ усилий показал, что под одновременным воздействием силы навала судна и гидростатического давления воды силы трения в опорных подушках превышают сдвигающие силы, то есть сдвига в плоскости опирания ворот не наблюдается. Разрушение ворот происходит из-за пластических деформаций метала в вереяльных столбах, в месте опирания верхних ригелей. Пос -ле чего происходит изменение геометрических размеров элементов створок и верхние ригели пе -рестают передавать на опорные подушки усилие распора. Происходит отрыв верхних упорных по -душек от опорных и перераспределение усилий от давления воды на оставшуюся часть ригелей.

Расчет показал, что применительно к рассматриваемому случаю происходит разрушение и выключение из работы по восприятию нагрузки трех верхних ригелей. Приведенные напряжения составляют 480, 413, 354 МПа для первого, второго и третьего ригеля соответственно при отсчете от верха ворот, что превышает расчетный предел текучести для стали ворот, равный 315 МПа [4]. Приведенные напряжения в верхнем ригеле, в отличие от остальных, сосредоточены в месте приложения силы навала. Распределение напряжений в вереяльном столбе ворот представлено на рис. 4. а б в

Рис. 4. Напряжения в вереяльном столбе в месте примыкания верхних ригелей к опорным подушкам. Сечение по оси вереяльного столба. Вид со стороны оси шлюза (кН/см2): а — главные напряжения б — главные напряжения Ыу\ в — касательные напряжения Тху

кН

900

800

700

600

500

400

300

200

100

0

удерживающая сипа Ш срезающая сила

г  11

г д 5

п Я

1 1 І1 || 1 її 1 1 Л 1 1 і Г», п п . [ШЕК

12

11

10

2 1 Номер ригеля

Рис. 5. Диаграмма удерживающей и срезающей силы в опорных подушках ворот шлюза

Сравнение удерживающих и сдвигающих усилий в подушках представлено на диаграмме на рис. 5.

Ввиду кратковременного действия нагрузки от навала судна и разрушения трех верхних ригелей ворот предлагается дальнейшее развитие задачи: из работы исключаются опорные подушки трех верхних ригелей, которые были разрушены при ударе судна в створ. Двухстворчатые ворота рассчитываются на действие гидростатической нагрузки и оценивается их устойчивость.

Перемещения в опорной подушке четвертого ригеля ворот под гидростатическим давлением воды без трех верхних опорных подушек совместно с перемещениями от силы навала судна превышают допустимые перемещения, равные 115 мм, и составляют 116 мм. В результате происходит сход вкладыша опорной подушки с закладной. Оставшегося числа опорных подушек недостаточно для удержания ворот в вертикальном положении, и происходит вращение ворот. Верх смещается в сторону нижнего бьефа, низ — в сторону камеры шлюза. Ось вращения располагается в районе ригелей № 5 и 6. Одновременно с вращением наблюдается последовательный сход вкладышей верхних опорных подушек с закладных. Сходу подушек также способствует превышение предела текучести баббита — сплава, которым заполняют щель между вкладышем и подушкой, равного 86 МПа. Напряжения в баббите для закладной подушки пятого ригеля при сходе четырех верхних подушек составляют 93 МПа, для подушки шестого ригеля при сходе пяти подушек — 157 МПа. При сходе вкладыша пятой опорной подушки в

нижних ригелях ворот отмечается появление растягивающих напряжений, что приводит к прекращению работы нижних ригелей по передаче распорного усилия на закладные подушки. Данные процессы являются быстротечными и приводят к мгновенному разрушению ворот.

На диаграмме на рис. 6 представлены перемещения двухстворчатых ворот

п , тт „ нарастающим итогом

Рис. 6. Диаграмма перемещений в опорных подушках ворот шлюза ^

с последовательным исключением связей в подушках по мере схода вклады-

Выпуск 3

Выпуск 3

шей опорных подушек с закладных под гидростатической нагрузкой. При расчете ворот уровень воды в камере считаем равным уровню верхнего бьефа, так как временно) й отрезок между действием силы навала и гидростатической силой незначителен для изменения уровня воды в камере шлюза.

Из диаграммы (рис. 6) отчетливо видно, что под действием гидростатического давления двухстворчатые ворота с исключенными связями трех верхних ригелей накапливают нарастающие перемещения при сходе каждой последующей подушки.

Выводы

Из полученных результатов можно сделать вывод, что при ударе судна в створ происходит разрушение трех верхних ригелей и перераспределение усилий от гидростатического давления воды между оставшимися ригелями. Это влечет за собой постепенное смещение ворот в сторону нижнего бьефа. Таким образом, при силе навала 10 000 кН происходит разрушение нижних двухстворчатых ворот и прорыв напорного фронта.

Необходимо отметить, что расчеты, выполненные в программе SCAD office 11.3, имеют допущения, вызванные отсутствием возможности смоделировать работу опорных подушек в динамическом процессе и представлением силы навала как сосредоточенной силы. Но данные обстоятельства, по мнению авторов, принципиально не меняют результаты настоящей работы.

Список литературы

1. SCAD Office. Реализация СНиП в проектирующих программах / В. С. Карпиловский [и др.]. — 3-е изд. — М., 2007. — 432 с.

2. SCAD Office. Вычислительный комплекс SCAD / В. С. Карпиловский [и др.]. — 4-е изд., перераб. и доп. — М., 2009. — 656 с.

3. Перельмутер А. В. Расчетные модели сооружений и возможность их анализа / А. В. Пере-льмутер, В. И. Сливкер. — М., 2009. — 596 с.

4. СНиП II-23-81*. Стальные конструкции. — М.: ОАО «ЦПП», 2008. — 90 с.