WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |

По результатам сравнительного анализа нескольких расчетных программ был выбран комплекс ANSYS (c программной средой ANSYS WORKBENCH), который содержит модель пластичности чугуна (cast iron plasticity), что, в свою очередь, позволяет наиболее корректно учесть упруго-пластическое поведение материала обделки - чугуна. Расчетная схема по первому варианту нагружения показана на рис. 7а.

Дискретизация твердотельной модели тюбинга осуществлялась при помощи трехмерных элементов объемного напряженно-деформированного состояния SOLID187. Элемент SOLID187 является трехмерным квадратичным элементом задач механики деформирования твердого тела с десятью узлами. Этот элемент имеет квадратичное представление перемещений и в состоянии использовать нерегулярную форму сетки (рис. 7б).

Расчет для каждого варианта нагружения выполнялся в два основных этапа, которые отличались друг от друга использованием двух различных моделей пластичности (модели мультилинейного изотропного упрочнения и модели пластичности чугуна).

a)

б)

Рис. 7. Расчетная (а) и дискретная (б) схемы тюбинга по одному из вариантов нагружения

Необходимость рассмотрения двух моделей связана, прежде всего, с наложением ряда ограничений в расчетном комплексе ANSYS на применение модели пластичности чугуна (cast iron plasticity). Модель пластичности чугуна возможно использовать только при монотонном нагружении конструкции и без учета взаимодействия между различными элементами конструкции (нельзя использовать в расчете контактных задач и сложных сборок).

Учет различной работы материала на растяжение и сжатие усложняет и значительно замедляет время расчета, что особенно сказывается на расчете сложных трехмерных моделей строительных конструкций. Поэтому сравнение результатов расчета по двум моделям пластичности даст ответ на перспективу использования модели мультилинейного упрочнения, которая больше подходит для описания пластического поведения стали или других металлов.

Мультилинейное изотропное упрочнение задается в виде кривой «напряжений - деформаций». Особенностью задания этой кривой является ввод отношения напряжений и соответствующей им пластической деформации. Т.е. первой точкой кривой являются напряжения предела текучести и соответствующее ему нулевое значение пластической деформации.

Модель пластичности чугуна, имеющая различные пределы текучести, пластические деформации и упрочнение при растяжении и сжатии, определяется кривой «напряжений - деформаций». В данной модели задаются две различные кривые, описывающие поведение материала при растяжении и сжатии.

Анализ результатов численного расчета по первому варианту нагружения показал, что в тюбинге при максимальной нагрузке в 1200 кН напряжения растяжения и сжатия не превышают значений временного сопротивления чугуна (256 МПа < Gbt = 300 МПа - временное сопротивление растяжению, 769 МПа < Gst = 900 МПа - временное сопротивление сжатию). При этом нужно отметить, что при максимальной испытательной нагрузке возникают большие перемещения (до 23 мм) в борте тюбинга между диафрагмами. Такие значительные перемещения могут привести к существенным деформациям и разрушению тюбинга.

В целом, учитывая разные марки чугунов (СЧ30 и СЧ 35), из которых были отлиты тюбинги, сходимость результатов расчетов и испытаний по перемещениям в 92-93 % можно назвать хорошей.

Сравнивая результаты расчетов по двум моделям пластического поведения материала, можно сказать, что сходимость результатов по вертикальным, горизонтальным нормальным и главным сжимающим напряжениям удовлетворительная (91-95 %), а по растягивающим напряжениям и перемещениям - 40-70% и 70-85 % - неудовлетворительная.

Результаты расчета по второй схеме нагружения: хорошо видно, что при нагрузке 756 кН (разрушающая нагрузка при натурном испытании) конструкция имеет достаточный коэффициент запаса по прочности относительно значений временного сопротивления сжатию и растяжению чугуна Кзап не менее 1,5. При этом нагрузка, при которой возможно появление трещин в тюбинге в районе максимальных сжимающих напряжений (диафрагма) 1200 кН.

По результатам натурного испытания и численного моделирования воздействия щитового домкрата на тюбинг можно сделать следующие выводы:

  • Натурные испытания тюбинга 51Н, отлитого из чугуна марки СЧ30, на действие щитовых домкратов проходившие по двум вариантам нагружения показали, что при первой схеме нагружения разрушающая нагрузка тюбинга составляет 1194 кН и при второй схеме нагружения 756 кН;
  • Математическое моделирование численным методом воздействия щитовых домкратов на борт тюбинга 51Н, отлитого из чугуна марки СЧ35, с увеличенными размерами диафрагм по сравнению с тюбингом, участвовавшем в натурных, испытаниях показало, что при первой схеме нагружения нагрузка, при которой возможно появление трещин в диафрагмах, спинке и бортах, равна 1300 кН, а при второй схеме нагружения эта нагрузка равна 1200 кН;
  • Анализ расчетов позволяет сделать вывод о необходимости устройства подкрепления борта тюбинга при передвижке щита различными вспомогательными устройствами (в виде труб, швеллеров и др.). Это должно снизить значительные прогибы борта тюбинга при возникновении максимально возможных усилий от домкратов щита.
  • Сравнение результатов проведенного натурного испытания и математического моделирования воздействия на элемент тоннельной обделки щитовых домкратов показало хорошую сходимость значений по прогибам борта тюбинга до 92%.
  • Анализ результатов расчета математической модели тюбинга с учетом упругопластических свойств чугуна по двум моделям пластичности показал, что использование модели мультилинейного изотропного упрочнения возможно для первоначальной оценки критических вертикальных сжимающих напряжений в конструкции.

В четвертой главе изложена методика определения эффективных параметров облегченных чугунных обделок и проведены исследования на пространственных численных моделях напряженно-деформированного состояния тюбинга от воздействия трех щитовых домкратов и раствора нагнетания на спинку тюбинга. Также изучена устойчивость спинки и ребер облегченного тюбинга и рассмотрено влияние на напряженно-деформированное состояние связей растяжения в рабочих стыках тюбинга. В ходе работы над диссертацией автором проведен расчет облегченной чугунной обделки перегонного тоннеля, сооружаемого при помощи щита с активным пригрузом забоя, методом механики сплошной среды.

Методика определения эффективных конструктивных параметров, то есть тех, которые обеспечивают наименьшую металлоемкость конструкции при сохранении требуемой несущей способности, облегченных чугунных обделок ЦНИИС представлена в виде блок-схемы на рис.8. Кратко общую последовательность определения эффективных параметров обделки можно описать так: после задания основных конструктивных параметров (кривизны, длины и ширины тюбинга, формы, высоты и толщины бортов тюбинга, толщины и формы ребер и диафрагм, размеров чеканочной канавки, количества промежуточных ребер, размеров и расположения болтовых отверстий и дополнительных выточек) формируется рабочее поперечное сечение тюбинга, для которого производится статический расчет кольца обделки и выполняются дополнительные расчеты на пространственных моделях элементов облегченного тюбинга на критические нагрузки. Полученные результаты расчетов сравниваются с нормативными значениями пределов сопротивления по сжатию и растяжению для выбранного материала обделки (СЧ30, СЧ35, ВЧ50 и т.д.). Если предел сопротивления превышен, то, изменяя отдельные конструктивные параметры тюбинга и повторяя статические и дополнительные расчеты, получают требуемые наиболее эффективные параметры тюбинга, при которых обеспечен наименьший вес кольца обделки при требуемой несущей способности обделки.

Определенные эффективные конструктивные параметры рабочего сечения обделки перегонного тоннеля метрополитена Ч-51А-НСК-10 показаны на рис.3. Далее приводится описание проведенных дополнительных расчетов на пространственных численных моделях элементов обделки Ч-51А-НСК-10.

Согласно СП 32-105-2004 «Метрополитены» расчеты подземных сооружений следует выполнять по предельным состояниям с учетом возможных неблагоприятных сочетаний нагрузок и воздействий на отдельные элементы или сооружения в целом. Таким неблагоприятным воздействием оказались усилия от щитовых домкратов при передвижении щитового комплекса "Lovat", который в лотковой части обделки развивает давление на штоке до 1150 кН (против 700 кН на отечественных щитах).

Моделирование воздействия трех домкратов на тюбинг выполнено в нелинейной постановке с учетом реальной диаграммы «sigma-epsilon» для чугуна повышенной прочности СЧ35.

Расчет показал, что уже при нагрузке 150 кН наступает предел упругой работы чугуна. При дальнейшем повышении нагрузки на штоке домкрата до 1200 кН максимальные напряжения сжатия в средней диафрагме тюбинга составили 871 МПа, а максимальные напряжения растяжения, возникающие в спинке, 327 МПа.

Анализируя полученные расчетные значения при нагрузке 1200 кН, можно сказать, что напряжения вплотную приблизились к значениям временного сопротивления при растяжении и сжатии для чугуна марки СЧ35 (Rр=350 МПа и Rс=900 МПа), при этом борт тюбинга испытывает значительные перемещения до 32,2 мм. Увеличение давления на штоках домкратов до максимального возможного значения в 2000 кН может привести к разрушению тюбинга.

Для предотвращения возникновения больших прогибов и напряжений в тюбингах чугунной облегченной обделки при передвижке тоннелепроходческого комплекса предлагается установка между ребрами тюбинга специальных распорных устройств в виде стальных стержней труб, двутавров, швеллеров.

Для оценки снижения критических значений напряжений в районе средней диафрагмы и спинки тюбинга был произведен ряд расчетов численных моделей тюбинга с установкой 2, 4, 8 распорок стержней.

При рабочей нагрузке на штоке домкрата в 1200 кН в случае установки подкрепляющих распорок, сжимающие напряжения в диафрагме снижаются в 9

Рис. 8. Блок-схема методики определения эффективных параметров обделки из чугуна повышенной прочности

раз с 787 МПа до 86 МПа. Перемещения борта тюбинга уменьшаются с 22,3 мм до 5 мм.

Критические значения растягивающих напряжений в спинке тюбинга уменьшаются в два раза до допустимых значений в 238 МПа.

По результатам исследований на математических численных моделях напряженно-деформированного состояния тюбинга от действия давления щитовых домкратов была запроектирована конструкция монтажной распорки. Распорка изготавливается из швеллера №24 (ГОСТ 8240-97) и устанавливается с натяжкой (заклинивается) в ячейку тюбинга на расстоянии примерно 4 см от внутреннего контура обделки. Анализ результатов натурных испытаний и математического моделирования воздействия трех домкратов на тюбинг показал, что установка данной распорки необходима уже при нагрузке 600-700 кН на штоке домкрата.

Необходимость в рассмотрении вопроса устойчивости спинки и ребер тюбинга обусловлена значительным снижением их толщины в облегченной конструкции из чугуна марки СЧ35 по сравнению с серийными обделками.

Расчет задач устойчивости является методом, используемым для определения нагрузок, вызывающих потерю устойчивости, - критических нагрузок, при воздействии которых конструкция становится нестабильной, и формы потери устойчивости – характерной формы, связанной с откликом (поведением) конструкции при потере устойчивости.

Процедура создания расчетной модели является типовой и подробного описания не требует. В данной расчетной модели рассматривается половина тюбинга, в торцевом сечении которого действует сила N=1000 кН с эксцентриситетом е=8 см. С помощью данной силы моделируется максимально возможное расчетное напряженно-деформированное состояние в тюбинге, возникающее в дислоцированных глинах.

Пространственный расчет, в результате которого была определена критическая нагрузка, приводящая к нестабильности конструкции, выявил, что коэффициент запаса устойчивости спинки и ребер конструкции облегченного тюбинга на порядок превышает требуемый (равен ~ 100). Это означает, что при максимальной расчетной нагрузке потеря устойчивости спинки и ребер тюбинга не происходит.

Для изучения напряженно-деформированного состояния тонкостенных элементов тюбинга при воздействии давления от нагнетания растворов за обделку, которое по нормативам может достигать 10 атм., использовалась численная пространственная модель ячейки тюбинга (рис. 9а и 9б).

Численная пространственная модель представляет собой точную геометрическую копию ячейки тюбинга, на внешнем контуре которой действует распределенная нагрузка D, имитирующая наиболее неблагоприятный случай воздействия на спинку нагнетаемого раствора. Расчет проводился в линейной постановке. Максимальные значения вертикальных растягивающих и сжимающих напряжений не превысят 56 МПа и 144 МПа соответственно, что значительно меньше предельных значений по прочности для чугуна марки СЧ35(115 и 280 МПа).

Максимальные растягивающие горизонтальные напряжения, образовывающиеся в спинке у борта и среднего ребра тюбинга, превышают предельные значения на 5% (120 МПа > 115 МПа), что укладывается в точность расчета.

а)

б)

Рис. 9. Расчетная (а) и дискретная (б) схемы ячейки тюбинга 51Н

Минимальный коэффициент запаса получен на участке соединения борта и спинки тюбинга в зоне действия максимальных горизонтальных растягивающих напряжений, что указывает на начало образования на этом участке зоны с пластическими деформациями.

Как известно, методы механики сплошной среды наиболее эффективны для расчета обделок, которые работают в плотном контакте с окружающим массивом. Такой подход позволяет рассматривать единую совместно деформируемую систему "грунт-обделка". При строительстве тоннелей щитами с активным пригрузом забоя целесообразно проводить расчеты методами механики сплошной среды.

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»