Прогноз напряжённо-деформированного состояния бетонных плотин с использованием математического моделирования и натурных данных

• Автор: Костылев, Владимир Сергеевич
• Шифр специальности: 05.23.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 156 с. : ил.

Оглавление
Введение

Глава 1. Обзор развития методов моделирования НДС

бетонных плотин. Цели и задачи исследований

Современные способы анализа НДС бетонных плотин и их

использование в ранее выполненных исследованиях

Моделирование температурного воздействия

Анализ поведения плотин с использованием математических моделей

Моделирование сейсмического воздействия

Ранее выполненные исследования напряжённо-деформированного

состояния бетонной плотины Саяно-Шушенской ГЭС
Сейсмометрические исследования
Цели и задачи работы
Глава 2. Определение температурной составляющей в математической модели системы «плотина-основание»
2.1 Описание исходной расчётной схемы
Моделирование гидростатической нагрузки
Определение коэффициента запаса устойчивости на сдвиг для плотины СШГЭС
2.2 Определение НДС плотины от температурных воздействий эксплуатационного периода
Алгоритм определения температурного поля в теле плотины
Температура бетона в зоне переменного уровня воды
Механизм приложения температурной нагрузки
Учёт зависимости модуля упругости и коэффициента линейного температурного расширения бетона от температуры
2.3 Идентификация коэффициента температуропроводности бетона
Сравнение данных по температурам внешней среды с обработанными показаниями датчиков
Осреднение коэффициентов по высоте сооружения и нахождение теплофизических характеристик материала плотины
2.4 Выбор опорных температурных датчиков и минимального периода гармоник

Замечание о возможных путях усовершенствования математичесих
моделей температурного воздействия
2.5 Сопоставление численных результатов с натурными данными
Идентификация разуплотнённой зоны скального на основе показаний тензометров в направлении вдоль потока
Влияние изменения упругих свойств бетона при замораживании и
нагревании
Оценка погрешности решения при различных вариантах аппроксимации температуры на конечных элементах
Выводы по главе
Глава 3. Определение неупругой составляющей в значениях диагностических параметров
Оценка степени опасности полученных скоростей немоделируемых перемещений
Оценка надёжности показаний температурных датчиков
Выводы по главе
Глава 4. Применение функций отклика в исследованиях
напряжённо-деформированного состояния бетонных плотин
при температурных и сейсмических воздействиях
4.1 Влияние краткосрочных температурных изменений на перемещения
гребня плотины
Определение прогнозных значений температур для точек наблюдения в
теле плотины
Отклик плотины на действие единичного импульса температуры
поверхности
Оценка возможности отслеживания короткопериодных перемещений плотины
Замечание о «запаздывании» температурного воздействия
4.2 Методики задания расчётного сейсмического воздействия на
сооружение
Описание используемых методов моделирования нагрузки от
сейсмического воздействия
Обоснование метода задания сейсмической нагрузки посредством объёмных инерционных сил либо разрыва перемещений на границе сооружение-основание
Анализ существующих публикаций по применению функций отклика в сейсмических расчётах бетонных плотин
Алгоритм решения задачи
Результаты тестирования разработанной методики на математической
модели основных сооружений и скального основания Бурейской ГЭС
Выводы по главе
Заключение
Список литературы
Список сокращений

вой грани в расчёте не рассматривались. Температура части гребня, защищённой данными конструкциями, предполагалась постоянной. Точки, близкие к поверхности гребня со стороны низовой грани, были отнесены к той же зоне, что и верхняя часть низовой грани. Температура точек в местах расположения пазов затворов водослива и турбинных водоводов была приближённо скорректирована таким образом, что точкам, попадающим непосредственно в зону паза, условно присваивалось нулевое расстояние от поверхности. То есть температура поверхности паза затвора принималась равной температуре поверхности бетона верховой грани. Другим же точкам в этих зонах, вместо расстояния до поверхности верховой грани, присваивалось расстояние до паза затвора, если они были к нему ближе, чем к поверхности. Данный подход является очень приближённым, однако не требует переделки конечно-элементной модели, измельчения сетки с резким увеличением количества неизвестных и решения нестационарной задачи теплопроводности.
В конечном итоге был принят следующий алгоритм определения температурного поля в теле плотины. По известным координатам точки производится поиск ближайшей к ней точки поверхности. С этой целью построена вспомогательная конечноэлементная сетка, в которой присутствуют только треугольные поверхностные элементы, на которые разбита верховая, низовая грань и гребень плотины. Бычки и водоводы при этом из модели заранее исключены. Длина стороны треугольного элемента составляет около 5 м. Число элементов составляет 53934, число узлов 28197. Каждый из элементов отнесён к определённой температурной зоне, см. рис. 2.5. Для точки, в которой необходимо определить температуру, производится поиск ближайшего треугольного элемента. После чего точка считается принадлежащей к той же зоне, к которой отнесён найденный ближайший к ней элемент, а расстояние до дневной поверхности определяется как расстояние до плоскости этого треугольного элемента. Затем, путём суммирования гармоник в разложении Фурье, определяется температура в данной точке. Коэффициенты С0, е0 в зависимости (2.1). могут быть вычислены заранее для каждой зоны отдельно для каждой из гармоник.
Температура бетона в зоне переменного уровня воды
Опишем подробнее алгоритм определения расчётной температуры в зоне переменного уровня водохранилища. При простейшем подходе, который первоначально использовался нами в расчётах, был выбран специальный температурный датчик (зона 9), расположенный со стороны напорной грани плотины максимально высоко (отметка 535 м). Показания этого датчика применялись к точкам, расположенным вблизи напорной грани, в том случае, если уровень водохранилища опускается ниже отметки данной точки. Такой подход является, безусловно, неточным, так как не учитывает предысторию температурного воздействия в зоне переменного уровня — для каждой отметки температурное поле в течение года меняется по весьма сложному закону, за-