Методика расчета тонкостенной цилиндрической оболочки в неоднородной грунтовой среде тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.03 ВАК РФ

Введение

1. Состояние вопроса и задача исследования

2. Постановка задачи и вывод уравнений полубезмоментной теории оболочек в упругой среде с переменными характеристиками

2.1. Постановка вопроса

2.2. Вывод уравнений полубезмоментной теории оболочек в упругой среде с переменными характеристиками

2.3. Решение системы дифференциальных уравнений.

2.4. Расчет полубесконечной оболочки на упругом основании

2.5. Расчет тонкостенной трубы в неоднородных условиях заложения.

3. Экспериментальные исследования

3.1. Постановка полевых исследований

3.2. Грунтовые условия

3.3. Измерительная аппаратура

3.4. Проведение полевых экспериментов и обработка опытных данных.

3.5. Результаты полевых испытаний

3.6. Экспериментальный лоток для модельных исследований

3.7. Результаты исследований модели

4. Численные исследования

4.1. Контактные условия

4.2. Алгоритм расчета

4.3. Примеры расчетов

Актуальность темы. Широкое применение в народном хозяйстве находит трубопроводный транспорт. По трубам на большие расстояния передается газ, нефть и нефтепродукты, вода, а в последнее время и сыпучие материалы, уголь, руда и т.д.

Роль трубного транспорта с каждым годом увеличивается благодаря большой его производительности, стабильности работы и экономичности. На одиннадцатую пятилетку запланировано создание крупнейшей в мире системы из пяти магистральных газопроводов Западная Сибирь - Центр, а также экспортный газопровод Западная Сибирь -- Европа. В масштабах использования трубопроводного транспорта не является исключением и сельское хозяйство, решающее звено в выполнении Продовольственной Программы, поставленной майским Пленумом ЦК КПСС 1982 года. Применение в большом количестве высокопроизводительной дождевальной техники ДМ "Фрегат", "Волжанка", "Днепр", "Кубань" и т.д. потребовало создание совершенных водопроводных систем. Если раньше в мелиорации традиционно применялись чугунные и асбестоцементные трубы, то в настоящее время все более широкое применение находят стальные тонкостенные трубы с антикоррозионным покрытием, надежность которых значительно выше надежности чугунных и асбестоцементных.

Министерство водного хозяйства СССР закладывает в мелиоративных системах около 7 тыс.км стальных труб в год. Наибольшее применение находят трубы средних диаметров от 300 до 800 мм. В настоящее время работают и создаются предприятия по производству стальных тонкостенных труб с пластмассовым покрытием производительностью в 2,5 тыс.км в год. Применение стальных труб в мелиорации требует большого количества металла, так нужного народному хозяйству. В материалах майского Пленума ЦК КПСС 1982 года в разделе

Усиление роли науки в реализации продовольственной программы" говорится: "Усилить исследования по созданию экономичных и надежных в эксплуатации оросительных систем с механизированным и автоматизированным водораспределением". Ставится вопрос,с одной стороны,об экономии металла и снижении стоимости труб, с другой стороны,о создании труб, имеющих необходимую надежность. Пути повышения надежности труб разные, это мероприятия по стабилизации или увеличению во времени их несущей способности, мероприятия по уменьшению величины действующих на трубу во время транспортировки, строительства и эксплуатации внешних и внутренних сил и наконец, создание уточненных методов расчета подземных труб для конкретных условий их работы. В последнее время в СССР созданы эффективные методы защиты металлов от коррозии с помощью покрытий и средств электрохимзащиты. Последнее слово остается за методами расчета труб на прочность, жесткость и устойчивость.

Настоящая диссертация написана на основании исследований, проведенных во время учебы в аспирантуре при кафедре строительной механики Московского ордена Трудового Красного Знамени гидромелиоративного института, а также работ по хоздоговору с В/О "Союзвод-проект".

Целью диссертации являлась разработка методики расчета напряженно-деформированного состояния тонкостенных мелиоративных труб подземного заложения, учитывающей пространственный характер их работы и особенности взаимодействия трубы с грунтом при деформировании под действием произвольной внешней нагрузки. Методика должна учитывать влияние односвязности грунтов и переменности их свойств как по окружности, так и по длине трубы.

Методика исследования. При решении поставленной задачи основное внимание было уделено теоретическим исследованиям. Использованы достижения теории тонкостенных цилиндрических оболочек, исследований особенностей деформирования подземных труб, механики грунтов. Преследовалась цель получения аналитических зависимостей в замкнутой форме, позволяющих рассчитывать тонкостенные подземные трубы с учетом реальных условий их заложения. Проведены экспериментальные лабораторные и натурные исследования с целью проверки теоретических результатов.

Научная новизна. Разработана методика расчета подземных тонкостенных труб цилиндрической оболочки в упругой среде с переменными характеристиками с учетом внутреннего давления и безотпорной зоны при различных граничных условиях. Исследованы особенности деформирования тонкостенной подземной трубы при наличии под ней наиболее типичных неоднородностей заложения типа подтрубная полость, "подкладка", при действии на трубу местной пригрузки. Получена формула для определения количества членов разложения искомой функции, которые необходимо определять из связанной системы дифференциальных уравнений.

Практическая ценность. Разработанная методика предназначена для инженерного расчета подземных труб из различных материалов на прочность и жесткость в неоднородных условиях их залегания. Алгоритм расчета представлен в законченном виде, составлены программы расчета на ЭВМ. Применение методики в практике проектирования подземных труб позволит создавать более экономичные и надежные трубопроводные системы.

Реализация работы. Полученные в диссертации результаты были использованы В/О "Союзводпроект" при обосновании глубины заложения и допустимых давлений в подземных трубах мелиоративного назначения.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на конференциях МГМИ в 1979 и 1980 гг., на конференции молодых ученых ВНПО "Радуга", изложены в трех статьях. По теме исследования выпущено два отчета НИС МГМЙ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и включает 109 страниц маши нописного текста, 38 рисунков, 5 фотографий, 28 таблиц, списка литературы (84 наименования).

Выводы

До вынесения выводов по главе следует обратить внимание на сложность процесса загружения подземных труб, связанную с контактом сред, обладающих различными физическими свойствами и сложной конфигурацией контактирующих поверхностей.

Численные исследования показали, что увеличение длины подтрубной выемки вначале приводит к возрастанию напряжений в центральном сечении, а затем - к их уменьшению и при а» (20*24)&) напряжения практически исчезают.

Наиболее "опасная" длина выемки, которой соответствуют максимальные напряжения, составляет от 4 до 12 диаметров, в зависимости от характеристик грунта и трубы.

Депланация поперечного сечения трубы при наличии подтрубной выемки незначительна.

Неоднородность заложения трубы в виде местного участка грунта повышенной жесткости после засыпки трубы приводит к появлению в нижней ее части всплеска продольных напряжений и кольцевого момента. Величина последнего более чем в два раза превышает кольцевой момент в шелыге трубы.

Все изложенное приводит к выводу о необходимости тщательной подготовки ложа под трубой в направлении уменьшения неоднородности контакта как по направляющей, так и по образующей контактной поверхности. Особенно нежелательны жесткие включения ложа.

Приведенные в главе частные примеры демонстрируют широкие возможности разработанного способа расчета, который в состоянии отразить влияние как отдельных факторов, так и их совокупности на напряжения и деформации в подземных трубах.

Выполненные расчеты и экспериментальные исследования привели к качественно однотипным сопоставляемым результатам. Зоны повышенных перемещений оказались близко совпадающими. Численные значения перемещений также оказались близкими, различие не превышает 18% . Особо приличное совпадение оказалось в местах наибольших перемещений.

1. Абовский Н.П., Андреев Н.П., Деруга А.П. Вариационные принципы теории упругости и теории оболочек,- М.: Наука, 1978.- 288 с.

2. Баженов В.А. Изгиб цилиндрических оболочек в упругой среде.- -Львов: Издательское объединение "Виша школа", 1975, 168 с.

3. Баславский И.А. Устойчивость подземных труб.- Гидротехническое строительство, 1964, JF 10, с. 36-39 .

4. Бидерман В.Л. Механика тонкостенных конструкций.-!.:Машиностроение, 1977.- 486 с.

5. Бодров Б.П., Матэри Б.Ф. Кольцо в упругой среде.- Бюллетень метропроекта, М., 1936, № 24, 17-23 с.

6. Болотин В.В. Об упругих деформациях подземных трубопроводов, прокладываемых в статически неоднородном грунте.- Строительная механика и расчет сооружений, 1965, № I , 23-45 с.

7. Бугаева О.Е. Расчет туннельных обделок кругового очертания. 149 -- Изв. ВНИЙГ, I95I, т. 45, 38-50 с.

8. Бяллер И.Я., Гончаров В.В. Расчет конструкций трубчатых водопропускных сооружений. - В сб. Сопротивление материалов и теория сооружений, Киев: Будивельник, 1976, вып. 29, 102-107 с.

9. Васильев А.И. О расчете тонкостенной подземной трубы как цилиндрической оболочки в упругой среде. - Науч. тр. Московского гидромелиоративного ин-та, 1977, т. 53, 35-49 с.

10. Великоднев В.Я. Расчет цилиндрической оболочки в упругой среде с переменными характеристиками. - М., МШИ, 1980, /Рукопись деп. в ВИНИТИ 14 октября 1980 г. № 4393-80 Деп./

11. Великоднев Б.Я. Расчет тонкостенных труб подземной укладки. - М., МГМИ, I98I / Рукопись деп. в ВНЙИТЭИСХ Ш 7-81 Деп./

12. Великоднев В.Я. Расчет подземных мелиоративных труб при наличии неоднородности в основании. - Тр. Московского гидромелиоративного института, т. 69, I98I, 162-170 с.

13. Виноградов СВ., Кружалов Ю.М. Натурные испытания на прочность и устойчивость подземных стальных тонкостенных труб большого диаметра. - М.: ОНТИ ВНИИСТ, 1959. - 48 с.

14. Виноградов С В . О расчете подземных труб и монолитных обделок тоннелей. - Науч. тр. Московского гидромелиоративного ин-та, 1974, вып. 37, 75-79 с.

15. Виноградов С В . Обзор методов расчета подземных тонкостенных трубопроводов на прочность, жесткость и устойчивость. - Сб. науч. трудов В/О "Союзводпроект" № 48, М., 1977, 51-61 с.

16. Виноградов С В . Расчет подземных трубопроводов на внешние нагрузки. - М.: Стройиздат, 1980. - И З с.

17. Виноградов С В . Учебное пособие. Расчет подземных труб на прочность. - М., МГМИ, 1980. - 151 с.

18. Власов В.З. Общая теория оболочек и ее приложение в технике. - М.: Гостехиздат, 1949. - 784 с. - 150 -

19. Власов В.З, Тонкостенные пространственные системы.- М.: Гоостройиздат, 1958,- 502 с.

20. Габбасов Р.Ф. Определение несущей способности трубопроводов с учетом физической и геометрической нелинейности,-Строительство трубопроводов, 1968, 11 12, 10-13 с.

21. Габбасов Р.Ф. К расчету гибких труб на совместное действие внешней нагрузки и внутреннего давления с учетом отпора грунт а . - Гидротехническое строительство, М., 1970, № 10, 17-19 с,

22. Гольденвейзер А.Л. Теория упругих тонких оболочек.- М.: ГТТИ, 1953.- 544 с.

23. Гольдштейн М.Н. Механические свойства грунтов.-М.: Строй- издат, 1979.- 303 с.

24. Горбунов-Посадов М.И., Маликова Т.А. Расчет конструкций на упругом основании,- М.: Стройиздат, 1973,- 627 с.

25. Григолюк Э.И., Кабанов В.Б. Устойчивость оболочек,- Ы.: Наука, 1978.- 360 с.

26. Емельянов Л.М. О расчете подземных труб по теории упругости , - Строительная механика и расчет сооружений, I96I, И , 32-37 с.

27. Емельянов Л.М. О продольных напряжениях в подземных газо- провод1-шх трубах.- Вопросы добычи, транспорта и переработки природных газов.- М.-Л.: Гостоптехиздат, I95I, 177-212 с.

28. Зайдель А.И. Элементарные оценки ошибок измерений.-Л., Наука, 1968, 97 с.

29. Ивченко Е.В. Деформация кругового кольца на одностороннем - 151 -упругом основании.- В сб. Контактная прочность пространственных конструкций, Киев: Наукова думка, 1976, 126-138 с.

30. Ивченко Е.В., Макеев Е.М. К расчету кольца на нелинейном основании.- Строительная механика и расчет сооружений, 1976, I? 5 , 35-38 с.

31. Ильгамов М.А., Иванов В.А., Гулин Б.В. Прочность, устойчивость и диналшка оболочек с упругим заполнит ел ем,-1/1., 1976, с.331.

32. Какушадэе A.M., Михеладзе Г,Г. Расчет пологой циливдричес- кой оболочки на упругом основании.- Сообщение АН ГрузССР, т.XXX, ?F 5, с. 617-623.

33. Кантарович Л.В., Крылов В.И. Приближенные методы высшего анализа,- Л.: Физматгиз, 1962, с. 708.

34. Клейн Г.К. Расчет труб уложенных в землю.- М.: Госстрой- издат, 1957, с. 195.

35. Клейн Г.К. Проблемы строительной механики подземных трубопроводов.- Строительная механика и расчет сооружений, М., 1967, 1^ 4, с. 17-22.

36. Клейн Г.К. Расчет подземных трубопроводов,- М.:Издательство литературы по строительству, 1969, с. 240.

37. Клейн Г.К. Строительная механика сыпучих тел.- М.:Строй- издат, 1977, с. 256.

38. Костовецкий Д.Л. Прочность трубопроводных систем энергетических установок.- Л., 1973, с. 247.

39. Кращук А.А. Длинная пологая цилиндрическая оболочка на упругом основании,- Тр. Иркутского политехнического ин-та, вып. 65, I97I, с. 99-103.

40. Ксенофонтов К.А. О работе оболочки подземных труб по результатам лабораторных испытаний.- Докл. ТСХА, М., I960, вып.56, с. 249-255.

41. Кудрявцев Е.П,, Новожилов А.В,, Судаков Н.И. Статистическое - 152 -исследование деформационных свойств песчанных оонований,- Основания, фундаменты и механика грунтов, М., 1967, f б, с. II-I4.

42. Леонтьев Н.Н. Практический метод расчета тонкостенной цилиндрической трубы на упругом основании,- В сб. тр. Московский инженерно-строительный институт, М,, 1957, И* 27, с.47-69.

43. Лессиг Е.Н, Определение перемещений наземных и подземных цилиндрических резервуаров.- Строительство предприятий нефтяной промышленности, М,: Гостехиздат, 1957, F 9, с.10-15.

44. ЛуппоБ В.Ф, О расчете подземных шарнирных труб.- Сб.тр. Московского гидромелиоративного ин-та, I97I, Т.ХХХ1У, с.38-52.

45. Макеев Е.М, К расчету цилиндрической оболочки, лежащей на упругом основании, Киев, 1978, с. 87-93.

46. Метельский П.З. Экспрессчлетод измерения вертикальных перемещений подземных труб малого диа^летра. Тр. Московского гидромелиоративного ин-та, т. 69, I98I, с, I59-I6I.

47. Михлин Г. Вариационные методы в математической физике. М.: Наука, 1970, с. 512.

48. Мустафаев А. А. Расчет оснований и фунд£1ментов на про садочных грунтах.-М.: Высшая школа, 1979, с. 368.

49. Николаи Е.Л. Труды по механике.-IvI.: Гостехиздат, 1955, с. 584.

50. Новожилов В.В. Теория тонких оболочек.-Л.:Судпромгиз, 1962. с. 431.

51. Об усилении работы по экономии и рациональному использованию сырьевых, топливно-энергетических и других материальных ресурсов. /Постановление ЦК КПСС и СМ СССР, Правда 4 июля I98I г.

52. Обухов А.С. Расчет цилиндрических подземных сосудов и трубопроводов из стеклопластиков и пластмасс- Строительная механика и расчет сооружений, I98I, W 6, с. 22-25.

53. Орлов А. Расчет конструкций, лежа1цих на контуре кругового - 153 -выреза в плоскости. В кЕ.:Исследования по теории сооружений, М.; Стройиздат, 1954, вып. б, с. 529-546.

54. Продовольственная програьлма СССР на период до 1990 года и меры по ее реализации. Материалы Майского пленуг.^ а ЦК КПСС 1982, с. 85.

55. Пратусевич Я.А. Вариационные методы в строительной меха-- нике.-Л.: ОГИЗ-Гостехиздат, 1948, с. 400.

56. Прево Р. Расчет на прочность трубопроводов заложенных в грунт.-М.: Стройиздат,. 1964, с. 123,

57. Прочность, Устойчивость. Колебания. Справочник. / под ред. проф. И.А.Биргера и чл.кор, АН ЛатвССР Я.Г.Пановко, М.: Машиностроение, 1968, т .

58. Розин Л,А. Вариащонные постановки задач для упругих систем,- Л.'.Издательство Ленинградского университета, 1978, с.224.

59. СНиП 11-45-75. Магистральные трубопроводы. М,; Стройиздат, 1975, с. 63.

60. ТУ и Н проектирования стальных подземных труб.-М.:Тепло- электропроект, I960, с.68.

61. Трегуб А.С. Изгиб трубопроводов в зонах уступов при разработке свиты крутопадающих пластов. Науч.тр. ВНИИСТ, М., I97I, вып. 25, с. 399-411.

62. Троицкая В.В., Ясин Э.М. Статистические характеристики нагрузки от грунта засыпки на магистральный трубопровод. Изв. высших учебных заведений "Нефть и газ", Баку, 1980, с. 83-85. - 154 -

63. Уваров О.Ф. Применяемые в США методы расчета подземных металлических трубопроводов на внешние нагрузки. Строительство трубопроводов, М., 1965, }^ 8, с. 16-19.

64. Цытович Н.А. Механика грунтов. М.: Высшая школа, 1973, с. 280.

65. Шапошников Н.Н. Расчет круговых тоннельных обделок на упругом основании, характеризуемом двумя коэффициентами постели. Научн. тр. Московского института инженеров железнодорожного транспорта, 1961, вып. 131, с. 296-305.

66. Ясин Э.М., Черникин В.И, Устойчивость подземных трубопров- дов. - М.: Недра, 1968, с. 118. 75» Bulson P.O. Lightv/Gight Undergi'ound. Structures. - The Stmctural lingineer, 1976, 11,9, 34, p.321-327.

67. Gount J., Trott I.I., Stevens I.B. Static and dynamic loading fests on shallovz-butied flexible pipes. Ground, i^ n^g. 1976, 9, Г'.З, 27-32.

68. Jaaskelaincn H. Flexible Kanalrohre. - Roiire-Rohrlei- tungsbau-Rohrlentungstransport, 1976, 15, -^^2-3, 94-103.

69. Kyrialcideo S., Babcock C D , lixperimental determination of the pressure of eircular pipes. - Trans. ASi.aE I, Pressure Vessel Ti Technol, 1981, 103, H.4, 328-336.

70. Mackensteiii P., Rittel A. Lebensdauer von pipelines: unter- suchungen an gcschv/eissten Plachproben unter sufgillsartig schwel-lender Lasten. - 3 й int., 1981, 20, 12, Ь38-ьь2.