Интересные и нужные сведения о строительных материалах и технологиях

Краткие сведения о расчетах прочности и устойчивости

Расчеты прочности. Существует много различных методов расчета напряженно-деформированного состояния арочных плотин, различающихся как степенью сложности и приближения к действительности основной расчетной модели, так и способом выполнения самого расчета. Для стадий проекта и рабочей документации применяют достаточно точные методы (с широким использованием ЭВМ), довольно полно учитывающие простран- ственность работы сооружения; для прикидочных и предварительных расчетов на стадии проекта используют более простые и менее точные методы.


Методы независимых («чистых») арок. При этих методах, наиболее простых и обычно грубо приближенных, плотину мысленно разбивают на ряд независимых друг от друга колец — арок (рис. 7.40), обычно горизонтальных, а иногда выделяемых примерно в соответствии с траекториями главных нормальных напряжений («ныряющие арки»). Каждую арку рассчитывают на соответствующие нагрузки независимо от других арок. Существуют методы расчета на различные воздействия для тонких и толстых арок, постоянной и переменной толщины, с различным опиранием, с образованием «вторичных» (активных) арок, то есть с выходом из работы растянутых зон (полностью или частично) [9]. Их применяют лишь для прикидочных расчетов (иногда на стадии вписывания арочной плотины в местность). В редких случаях, когда плотина разделена швами на арочные пояса, такие методы (с учетом действующих нагрузок и условий опирания, очертаний арок и др.) будут соответствовать реальной схеме плотины и их можно использовать для основных расчетов.

Методы расчета арочных плотин как пространственных систем. В этих многочисленных методах пространственность работы конструкции можно учитывать с разной степенью приближения к действительности. Имеется ряд приближенных способов, которые, как было указано в главе 3.3, можно использовать для расчета плотин III И IX классов и для предварительных расчетов плотин всех классов. К ним относятся, в частности, методы арок — центральной консоли и основанные на теории тонких оболочек.

В методах арок — центральной консоли и плотину рассматривают как систему не связанных друг с другом горизонтальных арок и центральной консоли или стенки, мысленно вырезаемой двумя вертикальными плоскостями (рис. 7.41). Выделенные арки в ключе должны иметь перемещения, одинаковые с перемещением консоли в тех же точках. Из условия равенства этих перемещений для арок и консоли находят распределение нагрузки (например, гидростатического давления воды) между арками и консолями (рис. 7.41, в — д). Чаще всего приравниваются только радиальные перемещения (прогибы); в более точных расчетах учитывают и кручение, то есть приравнивают углы закручивания арок и поворота консолей. Существует много разновидностей этого метода.

Так, в способе Риттера — Скрыльникова [24] при рассмотрении гидростатического давления воды на плотину находят распределение нагрузки на арки и на консоль (рис. 7.41, в) из условия равенства радиальных перемещений для каждой арки в ключе fa и соответствующей точки центральной консоли к, то есть причем прогибы арок можно определить известными из строительной механики методами. Нагрузки, действующие на каждый выделенный пояс, будут (рис. 7.41, а, б).



Характер распределения нагрузки между арками и консолью приведен на рисувяе 7.41,в: происходит некоторое перераспределение нагрузок — верхние арки дополнительно перегружаются (по сравнению с гидростатической нагрузкой), а консоль для уравнения прогибов вверху как бы разгружается нагрузкой обратного направления (рис. 7.41, г). Напряжения в сечениях центральной консоли определяют по обычной формуле внецентренного сжатия от действия горизонтального давления воды по полученной указанным способом эпюре (рис. 7.41, г), собственного веса консоли и вертикального давления на нее воды (если верховая грань отличается от вертикальной). Если в консоли получаются чрезмерно большие растягивающие напряжения, которые могут появиться в нижней части плотины на верховой грани и в верхней и средней частях на низовой грани (зоны АБ и ВГ на рис. 7.41, б для профиля, начерченного сплошными линиями), изменяют очертание консоли (примерно как указано пунктиром на рис. 7.41, б); можно изменить, очевидно, и толщины сооружения.

Метод Риттера — Скрыльникова был развит С. В. Соколовским (учет колебаний температуры, упругости заделки пят, шарниров-в пятах и пр.).

Влияние податливости основания можно учесть способом Фогта — Тельке, по которому фактический опорный контур ДЕЖ (рис. 7.41, а) заменяют более длинным фиктивным контуром ДЕЖ, вследствие чего увеличиваются длины расчетных консолей и осей арочных колец на некоторую величину б, переменную для разных сечений. Приближенно при (0,45...0,5). На рисунке 7.41 для центральной консоли.

Более совершенен метод арок — консолей, при котором рассматривается не одна, а несколько консолей (5...7 и более) (рис. 7.42), причем существует много разновидностей его. Например, так называемый метод пробных нагрузок, который широко применяется в проектировании и дает достаточно точные результаты, удовлетворительно соответствующие данным модельных исследований; он пригоден и для арочно-гравитационных плотин, которые не подходят под категорию тонких оболочек.


В этом методе для соответствующих точек арок и консолей проводят ряд «подгонок», «проб» только радиальных перемещений (сокращенный метод пробных нагрузок) или не только радиальных, но и тангенциальных перемещений, а иногда и углов поворота (полный метод пробных нагрузок). В результате добиваются достаточно близкого совпадения этих перемещений (или углов поворота) для точек арок и консолей (с расхождением не более 3...5%, иногда 10%). Предварительно же распределением нагрузок между арками и консолями для всех сечений задаются на основе опыта проектирования. Эпюры давления воды на арки получаются при этом с переменной по длине арки интенсивностью (рис. 7.42), зависящей от формы ущелья (короткие береговые более жесткие консоли воспринимают большую относительную нагрузку, чем ключевая консоль). Имеется ряд программ на ЭВМ для расчета плотин этим методом на различные нагрузки и воздействия (в том числе температурные и сейсмические воздействия) с учетом деформации скалы основания, последовательности замоноличивания швов и др.

Для расчета арочных плотин используют и вариационные способы, метод конечных элементов, а также методы, основанные на теории оболочек и пространственной теории упругости.

В расчетах арочных плотин как пространственных систем можно учесть и образование в плотине «вторичной» системы (вторичных арок и консолей), то есть выход из работы растянутой зоны полностью или частично.

Допустимость найденного напряженно-деформированного состояния плотины оценивают в соответствии с указаниями в главе 3.3. Расчеты устойчивости береговых упоров арочных плотин рассмотрены в главе 3.2 и в [47, 113].

При проектировании арочных плотин наряду с расчетами широко применяют модельные исследования этих плотин и их оснований (гл. 15.1).

Гидротехнические сооружения/Н.П. Розанов, Я.В. Бочкарев, В.С. Лапшенков и др.; Под ред. Н.П. Розанова. — М.: Агропромиздат, 1985. — 432 с.

Литература

Голышев А.Б., Бачинский В.Я., Полищук В.П., Железобетонные конструкции

Зайцев Ю.В., Строительные конструкции заводского изготовления

Е.Ф. Лысенко, Армоцементные конструкции

С.В. Поляков, Каменная кладка из пильных известняков

В. Ермолов, Пневматические строительные конструкции

Журавлев А.А., Вержбовский Г.Б., Еременко Н.Н., Пространственные деревянные конструкции

А.В. Калугин, Деревянные конструкции

Е.К. Карапузов, Г. Лутц, X. Герольд, Сухие строительные смеси

А.А. Пащенко, Теория цемента

Волков В.А., Сантехника: как все устроено и как все починить

А. Грассник, Бездефектное строительство многоэтажных зданий

Д.С. Щавелев, Гидроэнергетические установки

Д.С. Щавелев, Экономика гидротехнического и водохозяйственного строительства

Гидротехнические сооружения. Ч. I. Глухие плотины

Гидротехнические сооружения. Ч. II. Водосливные плотины

Производство гидротехнических работ

Н.П. Розанов, Гидротехнические сооружения

А. П. Юфин, Гидромеханизация

Термоэлектрические преобразователи энергии

Использование возобновляемой энергии

Бетон и железобетон, избранные статьи

Современное состояние и перспективы развития энергетики