«Расчетно-экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния и прочности несущих металлоконструкций каркаса НВП Камской ГЭС при статических и вибрационных воздействиях (с учетом вибраций при пропуске паводка)»
Заключение
В результате выполненных расчетно-экспериментальных исследований НДС и прочности несущих металлоконструкций каркаса надводосливного помещения (НВП) Камской ГЭС с учетом статических (весовых) и вибрационных нагрузок «фонового» режима (измерения 2003 г.) и режима пропуска паводков (измерения 2007 г.) для проектного и возможных «фактических» (с потерей 20% и 40% толщины сечений) состояний конструкций формулируются следующие выводы и рекомендации.
Численно установленная высокая плотность спектра собственных частот (200 частот в диапазоне до 57–60Гц) и разнообразие общесистемных, локальных и смешанных форм колебаний делает понятной механизм возбуждения вибраций для типового пролета: возбуждаются (резонируют) собственные формы с частотами, близкими к частотам воздействия или кратным (обертонам), среди которых выделяются «промышленная» частоты и кратные (50Гц, 25Гц, 16,6Гц, 8,3Гц);
Уровни и характер вибраций, замеренные в режиме снятия пиковой нагрузки ( «фоновый» режим, 2003 г.) и при работе ГЭС в «базе» (пропуск паводка, 2007г.), различаются. Эти различия имеют три аспекта:
– понизилась частота первой формы собственных поперечных колебаний здания с 8,4Гц до 7,3Гц, что можно объяснить увеличением присоединенной массы воды на плотину;
– увеличились в 1,5-2,0 раза амплитуды низкочастотных колебаний каркаса здания, связанные, в основном, с его собственными колебаниями;
– в спектрах ускорений существенно возросла высокочастотная составляющая колебаний в диапазоне 60 – 100 Гц.
Отмеченные различия определяются двумя факторами:
– общим увеличением динамических нагрузок на водосливную плотину, связанных с переливом турбулентного потока воды через водосливы;
– вибрацией затворов плотины за счет срыва вихревых потоков, обтекающих нижнюю кромку затвора и зависящую от уровня их поднятия (высокочастотная часть спектра).
Соответственно различаются и динамические реакции системы (перемещения, напряжения).
Сопоставительный анализ результатов динамических расчетов по альтернативным моделям, равно как и данные проведенных измерений вибраций, свидетельствуют, что удаление вертикальных связей по оси А на 1-м этаже типового пролета НВП не могло явиться причиной возникновения или качественного изменения характера вибраций.
Циклическая прочность (долговечность) элементов металлокаркаса типового пролета НВП – балок, стоек, связей и ферм – при действии статических и вибрационных нагрузок, характерных для выполненных измерений в «фоновом» режиме (2003 г.) и режиме пропуска паводка (2007 г.), обеспечена со значительным запасом даже по «жестким» нормативным критериям, действующим в атомной энергетике (при проектных геометрико-жесткостных характеристиках сечений и свойствах материалов). При этом «вклад» в суммарное усталостное повреждение циклов «фоновых» и «паводковых» вибронапряжений одного порядка.
50-летняя долговечность элементов металлокаркаса типового пролета НВП при «реальных» геометрико-жесткостных характеристиках сечений (пониженных, на основании данных весьма фрагментарных обследований, в среднем на 20%) и свойствах материалов при действии статических и вибрационных нагрузок обеспечена с достаточно «комфортным» запасом. В отсутствии прогрессирующей деградации свойств материалов, коррозии (потери) сечений и изменения режимов статического и вибрационного нагружений расчетами подтверждается и 100-летняя долговечность всех несущих металлоконструкций НВП, кроме наиболее нагруженных связей. При 40%-й потере сечения расчетная долговечность наиболее нагруженных элементов не превышает 50 лет.
Для полной оценки циклической прочности (долговечности) каркаса НВП с учетом вибраций, присущих различным режимам эксплуатации ГЭС, необходимо выполнение дополнительных прочностных расчетов с учетом данных более глубокого обследования реального состояния несущих и ограждающих конструкций, нагружающих факторов здания НВП с учетом возможных отступлений от проекта и процессов старения-деградации.
Упомянутое обследование должно, по нашему мнению, включать:
1) замеры фактических сечений (толщины с учетом возможных технологических отклонений и коррозии) основных несущих конструкций в пролетах с измеренными вибрациями. В «минимальном» варианте:
– балок коробчатого сечения по осям А, Б, В и Г (Н7 и Н5);
– двутавровых балок перекрытий;
– стоек-колонн [30a [ ] и стоек коробчатого сечения по осям А, Г;
– основных ферм.
2) лабораторные исследования реальных физико-механических свойств представительных образцов металла (по проекту – сталь 3, пределы пластичности и временное сопротивление) основных несущих конструкций с учетом их возможной «возрастной» деградации.
3) детальное описание постоянных и временных нагрузок, действующих на металлокаркас характерных пролетов НВП (ограждающие конструкции, оборудование, транспортные и др.).
На базе расчетно-экспериментальной методики, использованной в настоящей НИР, предлагается организовать систему мониторинга несущих конструкций здания НВП, обеспечивающую адекватный и полный анализ и прогноз их вибрационного состояния и остаточного ресурса.
В качестве основного критерия долговечности-безопасности можно предложить уровень и характер (амплитудно-частотные характеристики) вибраций, измеряемых для ранее выбранных пролетов-точек.
Предлагаемые варианты периодичности виброизмерений:
1) пропуск паводка ( «минимальный» вариант);
2) пропуск паводка и работа в пике нагрузки (рекомендуемый вариант);
3) пропуск паводка, работа в пике нагрузки и «переходные» режимы (полноценный вариант).
Заключение
В результате выполненных расчетно-экспериментальных исследований НДС и прочности несущих металлоконструкций каркаса надводосливного помещения (НВП) Камской ГЭС с учетом статических (весовых) и вибрационных нагрузок «фонового» режима (измерения 2003 г.) и режима пропуска паводков (измерения 2007 г.) для проектного и возможных «фактических» (с потерей 20% и 40% толщины сечений) состояний конструкций формулируются следующие выводы и рекомендации.
Численно установленная высокая плотность спектра собственных частот (200 частот в диапазоне до 57–60Гц) и разнообразие общесистемных, локальных и смешанных форм колебаний делает понятной механизм возбуждения вибраций для типового пролета: возбуждаются (резонируют) собственные формы с частотами, близкими к частотам воздействия или кратным (обертонам), среди которых выделяются «промышленная» частоты и кратные (50Гц, 25Гц, 16,6Гц, 8,3Гц);
Уровни и характер вибраций, замеренные в режиме снятия пиковой нагрузки ( «фоновый» режим, 2003 г.) и при работе ГЭС в «базе» (пропуск паводка, 2007г.), различаются. Эти различия имеют три аспекта:
– понизилась частота первой формы собственных поперечных колебаний здания с 8,4Гц до 7,3Гц, что можно объяснить увеличением присоединенной массы воды на плотину;
– увеличились в 1,5-2,0 раза амплитуды низкочастотных колебаний каркаса здания, связанные, в основном, с его собственными колебаниями;
– в спектрах ускорений существенно возросла высокочастотная составляющая колебаний в диапазоне 60 – 100 Гц.Отмеченные различия определяются двумя факторами:
– общим увеличением динамических нагрузок на водосливную плотину, связанных с переливом турбулентного потока воды через водосливы;
– вибрацией затворов плотины за счет срыва вихревых потоков, обтекающих нижнюю кромку затвора и зависящую от уровня их поднятия (высокочастотная часть спектра).
Соответственно различаются и динамические реакции системы (перемещения, напряжения).
Сопоставительный анализ результатов динамических расчетов по альтернативным моделям, равно как и данные проведенных измерений вибраций, свидетельствуют, что удаление вертикальных связей по оси А на 1-м этаже типового пролета НВП не могло явиться причиной возникновения или качественного изменения характера вибраций.
Циклическая прочность (долговечность) элементов металлокаркаса типового пролета НВП – балок, стоек, связей и ферм – при действии статических и вибрационных нагрузок, характерных для выполненных измерений в «фоновом» режиме (2003 г.) и режиме пропуска паводка (2007 г.), обеспечена со значительным запасом даже по «жестким» нормативным критериям, действующим в атомной энергетике (при проектных геометрико-жесткостных характеристиках сечений и свойствах материалов). При этом «вклад» в суммарное усталостное повреждение циклов «фоновых» и «паводковых» вибронапряжений одного порядка.
50-летняя долговечность элементов металлокаркаса типового пролета НВП при «реальных» геометрико-жесткостных характеристиках сечений (пониженных, на основании данных весьма фрагментарных обследований, в среднем на 20%) и свойствах материалов при действии статических и вибрационных нагрузок обеспечена с достаточно «комфортным» запасом. В отсутствии прогрессирующей деградации свойств материалов, коррозии (потери) сечений и изменения режимов статического и вибрационного нагружений расчетами подтверждается и 100-летняя долговечность всех несущих металлоконструкций НВП, кроме наиболее нагруженных связей. При 40%-й потере сечения расчетная долговечность наиболее нагруженных элементов не превышает 50 лет.
Для полной оценки циклической прочности (долговечности) каркаса НВП с учетом вибраций, присущих различным режимам эксплуатации ГЭС, необходимо выполнение дополнительных прочностных расчетов с учетом данных более глубокого обследования реального состояния несущих и ограждающих конструкций, нагружающих факторов здания НВП с учетом возможных отступлений от проекта и процессов старения-деградации.Упомянутое обследование должно, по нашему мнению, включать:
1) замеры фактических сечений (толщины с учетом возможных технологических отклонений и коррозии) основных несущих конструкций в пролетах с измеренными вибрациями. В «минимальном» варианте:
– балок коробчатого сечения по осям А, Б, В и Г (Н7 и Н5);
– двутавровых балок перекрытий;
– стоек-колонн [30a [ ] и стоек коробчатого сечения по осям А, Г;
– основных ферм.
2) лабораторные исследования реальных физико-механических свойств представительных образцов металла (по проекту – сталь 3, пределы пластичности и временное сопротивление) основных несущих конструкций с учетом их возможной «возрастной» деградации.
3) детальное описание постоянных и временных нагрузок, действующих на металлокаркас характерных пролетов НВП (ограждающие конструкции, оборудование, транспортные и др.).
На базе расчетно-экспериментальной методики, использованной в настоящей НИР, предлагается организовать систему мониторинга несущих конструкций здания НВП, обеспечивающую адекватный и полный анализ и прогноз их вибрационного состояния и остаточного ресурса.
В качестве основного критерия долговечности-безопасности можно предложить уровень и характер (амплитудно-частотные характеристики) вибраций, измеряемых для ранее выбранных пролетов-точек.Предлагаемые варианты периодичности виброизмерений:
1) пропуск паводка ( «минимальный» вариант);
2) пропуск паводка и работа в пике нагрузки (рекомендуемый вариант);
3) пропуск паводка, работа в пике нагрузки и «переходные» режимы (полноценный вариант).
