Чабан Вячеслав Петрович НЕЛІНІЙНІ КОЛИВАННЯ ТА СТАБІЛІЗАЦІЯ СПОРУД ІЗ МЕТАЛЕВИМИ ГНУЧКИМИ НИТКАМИ

Короткий опис

Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры

На правах рукописи
УДК 624.042.8

Чабан Вячеслав Петрович

НЕЛИНЕЙНЫЕ КОЛЕБАНИЯ И СТАБИЛИЗАЦИЯ
СООРУЖЕНИЙ С МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ГИБКИМИ НИТЯМИ

05.23.01 Строительные конструкции,
здания и сооружения

Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Научный руководитель:
Кулябко Владимир Васильевич,
доктор технических наук, профессор

Днепропетровск - 2004

СОДЕРЖАНИЕ
Стр.

ВВЕДЕНИЕ

5

Раздел 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МЕТОДИК ПО СТАТИКО-ДИНАМИЧЕСКОМУ РАСЧЕТУ И КОНСТРУИРОВАНИЮ СТАЛЬНЫХ ВИСЯЧИХ КОНСТРУКЦИЙ И СООРУЖЕНИЙ С ГИБКИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

13

1.1. Существующие методики расчета висячих элементов на статические и динамические нагрузки.

13

1.2. Особенности расчета сооружений с гибкими конструктивными элементами на динамические нагрузки

23

Выводы

34

Раздел 2. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ КОЛЕБАНИЙ ВИСЯЧИХ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ

36

2.1. Методика составления моделей и дифференциальных уравнений движения висячих элементов сооружений и ее тестирование

36

2.2. Исследование напряженно-деформированного состояния однопролетных висячих конструкций с шарнирными неподвижными опорами при перемещениях в плоскости провисания

46

2.3. Особенности пространственных форм колебаний однопролетных висячих конструкций с шарнирными неподвижными опорами

71

2.4. Регулирование реакции однопролетных висячих конструкций с шарнирно-неподвижными опорами от действия динамических нагрузок при установке в опорные узлы упруго-диссипативных связей

84

Выводы

103

Раздел 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СОВМЕСТНОЙ СТАТИКО-ДИНАМИЧЕСКОЙ РАБОТЫ ОСНОВНЫХ ПОДСИСТЕМ СООРУЖЕНИЙ С ГИБКИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

107

3.1. Составление и тестирование динамических моделей и дифференциальных уравнений движения сооружений с гибкими элементами

108

3.2. Исследование нелинейных колебаний сооружений при учете различного трения в конструктивных элементах

114

3.3. Особенности динамического расчета сооружений, стабилизируемых дополнительными оттяжками

137

3.4. Моделирование натяжения гибких элементов в динамических моделях сооружений

147

3.5. Учет демпфирования в узлах перехода несущих висячих элементов через пилоны и опорные конструкции

154

3.6. Прогнозирование динамической реакции сооружений при нагрузках от обрывов гибких элементов сооружений
Выводы

164

172

Раздел 4. ОСОБЕННОСТИ СОСТАВЛЕНИЯ АЛГОРИТМОВ И КОМПЬЮТЕРНЫХ ПРОГРАММ ПО АНАЛИЗУ СТАТИКИ И ДИНАМИКИ СОСТАВНЫХ СООРУЖЕНИЙ С ВИСЯЧИМИ НИТЯМИ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИХ ПРИМЕНЕНИЮ

175

4.1. Общая структура компьютерных программ

175

4.2. Рекомендации по применению индивидуальных программ по расчету сооружений с висячими элементами

184

Раздел 5. ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДИК К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ ДИНАМИКИ РАЗЛИЧНЫХ СООРУЖЕНИЙ

188

5.1. Исследование реакции конструкций анкерного участка ВЛ при обрыве провода в одном из пролетов

188

5.2. Варианты стабилизация монументального сооружения башенного типа

195

5.3. Исследование реакции гибких шахтных защитных перемычек при динамических нагрузках

197

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

205

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

207

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Справки о принятии к использованию результатов научных исследований

227

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Перспективные направления дальнейших исследований

233

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Пример программы по расчету сооружений с гибкими висячими элементами

236

Список літератури

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В работе сформулированы (на основании теоретических и экспериментальных исследований) рекомендации по составлению статико-динамических моделей сооружений с висячими конструктивными элементами с учетом нелинейных особенностей поведения висячих элементов: нелинейные зависимости деформаций от нагрузки в упругой области работы материала конструкций, нелинейные зависимости собственных частот от амплитуд колебаний, несимметричность амплитуд вертикальных колебаний относительно положения равновесия. Показано влияние этих эффектов на частоты и формы пространственных колебаний, на амплитуды вынужденных колебаний конструкций, на внутренние усилия и напряжения.
2. Показана необходимость учета в подобных сооружениях различных видов и величин сил неупругого сопротивления в конструктивных элементах (в особенности при гашении колебаний мостов, мачт при помощи дополнительных оттяжек). Пренебрежение этой особенностью может привести к ошибкам в вычислении амплитуд вынужденных колебаний от 15% до 100% (при некоторых режимах колебаний и параметрах рассмотренных сооружений). Проведены исследования по влиянию изменения трения в отдельных конструктивных элементах на амплитуды свободных и вынужденных колебаний с позиции уточнения прямых расчетов и применения эффективных материалов и технологий изготовления конструкций для гашения колебаний.
3. Создана методика моделирования натяжения гибких конструктивных элементов сооружений (оттяжек, вант). При этом отмечена важность учета провисания этих натягиваемых элементов от собственного веса.
4. Предложена методика учета в динамических моделях трения в узле перехода висячих несущих элементов через пилоны, стойки, береговые опоры, зажимы в опорах ВЛ и т.д. В модели учтено сухое трение на контакте этих элементов с учетом возможных смещений (проскальзывания) конструкций относительно друг друга, а также продольных и изгибных деформаций пилонов (стоек). Оценено влияние учета этого трения на амплитуды свободных и вынужденных колебаний. Для рассмотренного примера учет этого трения значительно снижает амплитуды вынужденных колебаний (от 1.15 до 3 раз на низкочастотных режимах).
5. Уточнена методика моделирования аварийных нагрузок на сооружения при мгновенных разрушениях отдельных гибких несущих элементов. Предлагается оценивать реакцию сооружения на подобное динамическое воздействие по особым коэффициентам динамичности: соотношение полной величины параметра к его статической составляющей. Оценены коэффициенты динамичности для нескольких видов сооружений. Коэффициенты динамичности при таких нагрузках могут приближаться к 2 (для рассмотренного примера мачты высотой 120м при обрыве одной из оттяжек).
6. Все методики доведены до численной или лабораторной экспериментальной проверки. Они реализованы в виде блок-схем и прикладных компьютерных программ по расчету сооружений с гибкими несущими элементами. Рекомендовано программы составлять из типовых блоков, что позволяет оперативно менять исходные данные и схемы вывода результатов, а также проводить исследования нелинейных колебаний во временной области.
7. Разработанные методики исследования динамики сооружений с гибкими несущими элементами приняты к использованию: в Национальной энергетической компании «Укрэнерго» - для оценки нагрузок на опоры ЛЭП при обрывах проводов; в Государственном Днепровском проектном институте для разработки вариантов устройств гашения колебаний Памятного знака Космонавтики в г. Днепропетровск; в Институте физики горных процессов НАН Украины для динамических расчетов и подбора параметров гибких защитных перемычек.