WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 |

Расчет облегченной обделки из чугуна повышенной прочности осуществлялся при помощи расчетного комплекса Plaxis 8.5 в двухмерной постановке. Комплекс Plaxis является расчетной программой, использующей метод конечных элементов для анализа деформаций и устойчивости геотехнических конструкций. Для моделирования нелинейного поведения грунтов использовалась упругопластическая модель Кулона-Мора.

Для исследования изменения напряженно-деформированного состояния в обделке перегонного тоннеля из чугунных тюбингов в зависимости от глубины заложения тоннеля в однородных песчаных и глинистых грунтах был выполнен расчет на двух математических моделях для каждого типа грунта (рис. 10). При выполнении расчета учитывалась потеря объема грунта между оболочкой щита и устанавливаемой обделкой при строительстве перегонного тоннеля щитовым способом.

Целью анализа результатов численного моделирования является определение зоны благоприятного и рационального применения обделки из чугуна СЧ-35 при сооружении тоннеля щитом с активным пригрузом.

Критерием определения таких зон является диапазон расчетных значений коэффициента запаса Кзап=1,2-1,4. Данный диапазон обеспечивает необходимый запас эксплуатационной надежности конструкции и учитывает возможные отклонения и ограниченность достоверности исходных данных и предпосылок.

Рис. 10. Расчетные схемы системы «грунт-обделка» для песков средней

крупности (а) и твердых глин (б)

По результатам исследования были построены графики зависимости коэффициента запаса по прочности чугунной облегченной обделки Ч-51А-НСК-10 от глубины заложения перегонного тоннеля в шести основных типах грунтов (пески, глины), представленные на рис. 11. Сглаживание зависимости коэффициента запаса от глубины заложения тоннеля произведено логарифмическими кривыми.

Рис. 11. Графики зависимости коэффициента запаса по прочности от

глубины заложения перегонного тоннеля

Как известно из опыта строительства отечественных метрополитенов, часто при затяжке болтовых соединений возникают дополнительные растягивающие напряжения в бортах тюбинга. Так как в облегченной обделке существенно изменена толщина и форма бортов тюбинга, автором было произведено исследование влияния на напряженно-деформированное состояние обделки связей растяжения в рабочих стыках обделки.

Для этого автор разработал модель стыка для численного анализа, которая представляет собой область стыка тюбингов с четырьмя болтовыми соединениями. Ширина зоны влияния стыка определялась по предварительным расчетам и принималась равной трем толщинам тюбингов (500 мм) от оси стыка.

Кривизной спинки и внутренней поверхности ребер тюбингов в районе стыка можно пренебречь, так как существенного влияния на распределение напряжений в стыковой зоне она не окажет (рис. 12).

Для расчета был выбран стык двух нормальных тюбингов АН обделки Ч-51А-НСК-10 из чугуна повышенной прочности СЧ-35 с толщиной 180 мм.

Граничные условия на левой торцевой поверхности расчетной схемы предотвращают от перемещений или деформаций торец облегченного тюбинга. Так как рассматривать будем половину стыка в продольном направлении, то на поверхности симметрии были заданы граничные условия, предотвращающие перемещения по нормали к этой поверхности.

Рис. 12. Расчетная схема стыка тюбинга

Моделирование болтового соединения соседних тюбингов облегченной обделки повышенной прочности с учетом резьбового соединения весьма сложный процесс. Решение объемных задач с несколькими болтами и с отсутствием симметрии требует серьезных вычислительных ресурсов. Для снижения размерности задачи и ее облегчения необходимо использовать упрощенную модель резьбового соединения, не требующую решения контактной задачи в резьбе. Имитация затяжки болтового соединения производится при помощи задания силы затяжки болтов (Pretension Bolt Load). Сила затяжки прикладывается к цилиндрической поверхности или к нескольким телам, входящим в сборку болтового соединения.

Приложением усилий на правом торце стыка моделировалось максимальное (определенное нормами) нагружение тюбинга от горного давления (в дислоцированных глинах).

Общий итог расчета состоит в том, что образующиеся дополнительные растягивающие напряжения от затяжки болтов в рабочих бортах, не приводят к существенному изменению напряженно-деформированного состояния тюбинга.

В пятой главе даны основные результаты внедрения исследований и конструкторских разработок.

По результатам анализа проведенных в четвертой главе расчетов была обоснована конструкция обделки Ч-51А-НСК-10 как унифицированной для перегонных тоннелей метро. На сегодняшний день в перегонных тоннелях стоит более десятка тысяч облегченных тюбингов обделки Ч-51А-НСК-10, которая применяется при строительстве метрополитена в городе Челябинск. Используя базовую, испытанную и внедренную обделку Ч-51А-НСК-10 были созданы ее модификации: Ч-51А-НСК-11 (11 тюбингов в кольце, конструкция взаимозаменяема с обделкой «ДЗМО»), Ч-51А-НК-10Т (с торцовым замыканием замковых элементов - для проходки щитами с гидропригрузом), Ч-51А-НСК-10В (отливаемая из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом ВЧ50 – массой 3,2 т на пог. метр).

На основе детально рассмотренной облегченной конструкции для перегонных тоннелей и результатов математического моделирования были разработаны конструкции обделок с модифицированным Е-образным типом поперечного сечения и внутренним диаметром обделки 8,9 и 9,8 м из чугуна марок СЧ30 и СЧ35 (Ч-98А-НСК-18, Ч-89А-НСК-16), которые могут использоваться при строительстве станционных и эскалаторных тоннелей. Определение эффективных конструктивных параметров обделок проводилось по разработанной и приведенной выше методике.

Основные характеристики колец разработанных обделок из чугуна повышенной прочности показаны в таблице 2.

Таблица 2

Характеристики колец обделок из чугуна повышенной прочности

Показатель

Значение показателя для обделок Дн/Двн, м

10,3/9,8

9,5/8,9

Число тюбингов в кольце

Масса кольца, т на 1 п.м тоннеля

Высота бортов тюбингов, мм

Наибольшая длина тюбингов, м

Число болтовых отверстий в тюбинге

Ширина кольца, мм

Толщина спинки тюбинга

Марка чугуна

18

12,8

250

1,87

16

1000

14

СЧ30, СЧ35

16

11,7

250

1,92

16

1000

14

СЧ30, СЧ 35

Ширина колец обделок изменена по сравнению с серийными с 0,75 м до 1 м (рис. 13). Применение обделок с большей шириной кольца позволяет не только снизить количество стыков на погонную длину станции и повысить коэффициент сборности при строительстве сооружения, но и увеличить производительность труда в 1.3-1.7 раза.

Рис. 13. Поперечные сечения серийной и разработанной в ЦНИИСе обделок для станционных и эскалаторных тоннелей

Сборных элементов в кольце обделок Ч-98А-НСК-18, Ч-89А-НСК-16 по 18 и 16 соответственно. Это определяется не столько статической работой и монтажом обделки, сколько возможностями технологии отливки.

Тюбинги обделок Ч-98А-НСК-18 и Ч-89А-НСК-16 имеют ряд отличий от тюбингов серийных конструкций станционных и эскалаторных тоннелей метрополитена - ширина тюбинга, конфигурация и тонкостенность спинки и ребер жесткости, высота рабочих ребер, болтовые соединения, проточки под уплотнитнение 2-го гидроизолирующего контура, размер чеканочных канавок, и изготавливаются по специально разработанной лабораторией чугунного литья Уральского института металлов (УИМ) технологии.

Высота ребер тюбингов из серого чугуна повышенной прочности принята равной 250 мм, что на 50мм (Ч-89) и 100 мм (Ч-98) меньше, чем в существующих. Однако, как показали расчеты и исследования, она достаточна для обеспечения жесткости конструкции и размещения болтовых соединений в радиальных стыках.

Размер спинки тюбинга в разработанных обделках принят равным 14 мм, что соответствует условиям несущей способности и технологическим возможностям отливки. Утолщать спинку тюбингов из условий долговечности на последующую коррозию запрещено: согласно нормативным документам не допускается увеличение толщины конструкций сверх необходимой по расчету в целях увеличения срока службы конструкций, подвергающихся коррозии.

Обделки Ч-98А-НСК-18 и Ч-89А-НСК-16 рассчитаны на вертикальную нагрузку 1000 кПа при боковой 550 кПа и коэффициенте отпора грунта 70 Н/см3.

Детально изученные конструктивно-технологические особенности упругих чугунных обделок, включая разработку института Ч-51А-НСК-10, дают основание считать, что возможности упругой схемы практически исчерпаны и дальнейший путь сокращения их металлоемкости был направлен на разработку многошарнирных конструкций. Основная идея - резкое снижение изгибающих моментов в шарнирной обделке, позволяющее максимально использовать высокую прочность чугуна при его работе на сжатие, существенно уменьшив или даже исключив растягивающие напряжения в тюбингах.

Результаты расчета шарнирных конструкций показали, что максимальные напряжения в критических сечениях (шелыга свода и сечение под углом около 45° к вертикальной оси обделки) при гравитационной нагрузке в 500 кПа в юрской глине и 300 кПа - в валунно-галечниковых отложениях в 2,5 - 3 раза ниже расчетных напряжений сжатия чугуна марки СЧ20. Т.е. обделку теоретически можно еще облегчить, либо укладывать в условиях с большей (примерно в 2 раза) расчетной нагрузкой. Первое, однако, ограничивается существующими условиями литья (толщина спинки 10 мм), второе - вполне реально, хотя и требует проверки по условиям деформаций: в шарниром варианте они практически в 1,5-2 раза выше, чем в упругом, однако в реальных условиях находятся в пределах допусков. Кроме того, кольца при монтаже можно собирать с переподъемом или «отрицательной эллиптичностью». Следует также обратить внимание на то, что все сечение тюбинга работает на сжатие, а расчетные напряжения сжатия у серых чугунов в 2,5 - 3 раза превышают растягивающие; в таком же соотношении находятся пластические деформации чугунов всех упомянутых здесь марок.

В упругом варианте, в котором шарнирная обделка трансформируется при укладке колец с перевязкой и при затяжке болтов кольцевых стыков может быть использована в неустойчивых грунтах (даже с плывунными свойствами), но естественно при ограниченной нагрузке вследствие малого минимального момента сопротивления сечения классического тюбинга. В случае больших нагрузок в упругом варианте конструкции следует использовать тюбинги равного сопротивления. Расчет обделки с поперечным сечением тюбингов равного сопротивления показал, что такая конструкция пригодна к использованию практически во всем диапазоне рассматриваемых нами инженерно-геологических условий строительства перегонных тоннелей отечественных метрополитенов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Основные научные и практические результаты диссертации заключаются в следующем:

  1. Проведен анализ стендовых испытаний и исследований облегченной обделки повышенной прочности для перегонных тоннелей и шахт метро, который выявил её высокую несущую способность, трещиностойкость и эксплуатационную надежность. При этом масса чугуна облегченной обделки на 27 % (СЧ30) и 45% (ВЧ50) меньше массы серийных обделок. Облегченная обделка, прошедшая полный цикл исследований, испытаний и опытного строительства может быть рекомендована к повсеместному применению на строительстве отечественных метрополитенов взамен металлоемких серийных конструкций.
  2. На основе анализа результатов экспериментальных исследований, испытаний, опыта строительства и расчетов напряженно-деформированного состояния тюбингов и колец обделки разработана методика определения эффективных конструктивных параметров облегченных чугунных обделок повышенной прочности, определившая конкретные задачи и методы их решения.
  3. В процессе выполнения заданной программы разработана математическая численная модель тюбинга облегченной чугунной обделки с учетом упруго-пластических свойств материала и проведено исследование напряженно-деформированного состояния элемента тоннельной обделки на воздействие щитовых домкратов. По результатам расчетов и проведенных натурных испытаний тюбинга определены условия установки монтажной распорки в ячейку тюбинга.
  4. Исследованиями напряженно-деформированного состояния и устойчивости ребер и спинки тюбинга на пространственной конечно-элементной модели ячейки и фрагмента тюбинга показано, что принятые толщины и размеры спинки и ребер тюбинга достаточны для сохранения высокой несущей способности и эксплуатационной надежности облегченной конструкции.
  5. Проведенные расчеты с использованием современного расчетного комплекса ANSYS, реализующего метод конечных элементов, позволили впервые получить полную картину усилий в любой точке тюбинга на большинстве стадий его загружения, выявлены наиболее напряженные зоны и узлы с конкретным определением корректировки параметров сечений.
  6. В результате расчетов облегченной обделки перегонного тоннеля методами механики сплошной среды, в которых решалась плоская упруго-пластическая задача геомеханики, получены зависимости коэффициента запаса по прочности обделки от глубины заложения тоннеля в широком диапазоне нескальных грунтов. По построенным графикам для характерных грунтовых условий можно получить допускаемую глубину заложения тоннеля из облегченной обделки повышенной прочности (Ч-51А-НСК-10), при которой будет максимально использоваться несущая способность обделки.
  7. Анализ результатов расчетов тюбинга и кольца облегченной чугунной обделки позволил определить и обосновать эффективные параметры тюбингов (размеры, конфигурация и толщина спинки, диафрагм, высота рабочих ребер, болтовые соединения, проточки под уплотнители 2-го гидроизолирующего контура, чеканочные канавки) обделки для перегонных тоннелей метрополитена Ч-51А-НСК-10, которая призвана заменить при сооружении тоннелей устаревшие серийные обделки.
  8. По результатам исследований запроектированы конструкции обделок с модифицированным Е-образным типом поперечного сечения для станционных и эскалаторных тоннелей с уменьшенной в 1,5-2 раза металлоемкостью. Обоснована область применения перспективных разработок ЦНИИС – многошарнирной чугунной обделки и обделки из тюбингов равного сопротивления.
    Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 |






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