Research of the limiting state of ice cover under conditions of pure bending with reinforcement by reinforcing elements.pdf Ледовые переправы на автомобильных дорогах организуются в зимний период времени при образовании на водных преградах ледяного покрова требуемой толщины, в случаях отсутствия мостовых сооружений, а также при невозможности устройства паромных переправ. Как отмечается в монографии Н.Н. Бычковского и Ю.А. Гурьянова [1], ледяной покров должен обладать достаточной несущей способностью (грузоподъемностью), а глубина воды подо льдом на переправе в течение всего периода ее работы должна быть не менее 1 м при самом низком уровне воды и наибольшей толщине льда. Стоит отметить трудности прогнозирования поведения льда при различных видах нагружения (статическом и динамическом). Разрушения льда от нормальных, наклонных и радиальных трещин исследовали в своих работах W.J. Lu, R. Lubbad, S. Loset [2]; C.E. Renshaw, E.M. Schulson, S.J.G. Sigward [3]; J.D. Tippmann, H. Kim, J.D. Rhymer [4]. Если толщина ледяного покрова не достаточна для безопасной эксплуатации переправы, могут быть использованы традиционные методы повышения несущей способности льда, такие, как намораживание льда снизу, намораживание льда сверху или усиление льда деревянным копейным настилом [5]. Однако, как показывает практический опыт, физико-механические свойства ледяного покрова могут сильно зависеть от наличия снега и ветра в момент намораживания, температуры окружающей среды и других факторов. С учетом ненадежности физико-механических свойств льда из-за вышеперечисленных факторов актуальной становится задача повышения несущей способности льда альтернативными методами, например внедрением в лед армирующих элементов из различных материалов. Внедрению усиливающих элементов в ледовые переправы посвящено множество работ. Достаточно перспективным является армирование ледовых переправ гео- 1 Работа выполнена в рамках проекта 9.4934.2017/БЧ «Определение влияния ледовых условий на несущую способность ледяного покрова при использовании его в качестве ледовых переправ» задания на выполнение государственных работ в сфере научной деятельности в рамках базовой части государственного задания вузу. 62 В.М. Козин, А.С. Васильев, В.Л. Земляк, К.И. Ипатов синтетическими материалами. Результаты экспериментальных исследований такого армирования представлены в работе Якименко [6-8]. П.Е. Никитин [9] предлагает способ создания ледовой переправы для широких водоемов путем вмораживания стальных сеток. Известен ряд решений, в которых для увеличения несущей способности в ледяной покров вмораживаются стальные элементы [10-13]. Внедрение в тонкий ледяной покров стальных цельносварных каркасов толщиной 0.3-0.4 м -достаточно перспективный метод усиления ледовых переправ. Цель работы - выяснить, как ведет себя лед на переправах в условиях чистого изгиба. Для этого были выполнены модельные эксперименты армированных образцов, сопоставленные с численными расчетами в ПК ANSYS. В работе исследовались зависимости нагрузка - прогиб, а также напряженно-деформированное состояние ледовых образцов, усиленных поверхностными армирующими каркасами из различных материалов и с заданной схемой армирования. Методика проведения экспериментальных и численных исследований Для выполнения модельных экспериментов была спроектирована и собрана универсальная нагружающая установка (рис. 1), которая состояла из силовой рамы, состоящей из стоек, станин, верхней и нижней балок, нагружающего устройства и измерительного модуля. Нагружающее устройство представляло собой гидроцилиндр 3 с номинальным давлением 9 атм и распределительную силовую балку 2. Усилие нагружающего устройства передавалось на образец 1 через шарнирные опоры 6. Нагружающая система была устроена так, что обеспечивала в средней части пролета ледяного образца чистый изгиб. Вертикальные перемещения сечения образца в середине пролета измерялись с помощью бесконтактного лазерного датчика LAS-Z компании «Way Con» (Германия) 5, закреплённого на 3 Рис. 1. Схема экпериментальной установки: 1 - ледяная балка; 2 - распределительная балка; 3 - гидроцилиндр; 4 - весовой терминал SH-20; 5 - датчик вертикальных перемещений LAS-Z; 6 - шарнирные опоры распределительной балки; 7 - шарнирные опоры ледяной балки Fig. 1. Diagram of the experimental setup: 1, ice beam; 2, distributing beam; 3, hydraulic cylinder; 4, weighing indicator SH-20; 5, vertical displacement sensor LAS-Z; 6, hinged supports of the distributing beam; and 7, hinged supports of the ice beam Исследование предельного состояния ледяного покрова в условиях чистого изгиба 63 профиля диаметром 6 мм. Схема каркаса независимой стойке. Нагрузка, которую испытывал образец, фиксировалась с помощью весового электронного терминала SH-20 компании ТОКВЕС (Россия) 4. Скорость нагружения для всех образцов была постоянной и составила 135 кПа/с. Для приготовления ледяных образцов была изготовлена деревянная опалубка из досок толщиной 40 мм. Опалубка позволяла приготавливать ледяные балки размерами L×B×H = 2000×200×200 мм. В собранную опалубку укладывалась двухслойная полиэтиленовая плёнка толщиной 0.03 мм и армирующий каркас. После этого опалубка заливалась водой. Жидкость подвергалась воздействию низких атмосферных температур (t < 0 °C) до её полного замерзания. Время приготовления образца в зависимости от погодных условий составляло от 5 до 7 сут при температуре окружающей среды от - 16 до - 28 °C. Структура льда преимущественно сплошная, кристаллическая. Для армирования ледяных балок использовался цельносварной каркас из стальной арматуры периодического представлена на рис. 2. Эксперименты на ледяных балках проводились с целью оценки влияния поверхностного усиления растянутой зоны армирующим каркасом на их (балок) несущую способность в условиях чистого изгиба. Численный расчет напряженно-деформированного состояния ледяных образцов выполнялся в программном комплексе ANSYS Workbench v15, с использованием модуля ANSYS Mechanical. Для льда использовались нелинейные конечные элементы SOLID 65 45 Рис. 2. Схема армирования ледяной балки Fig. 2. Scheme of the ice beam reinforcement в форме гексаэдра, предназначенные для моделирования элементов, допускающих трещинообразование при растяжении, а также позволяющих выполнять расчеты по нелинейной модели с учетом разрушения материалов на основе критерия прочности Willam - Warnke [14]. Для отображения трещин были введены функции пользователя, применяющие деформационный критерий Базанта [15]. Конечный элемент BEAM188 использовался для моделирования работы армирующих материалов. Это балочный элемент с изгибной жесткостью. Каждый продольный стержень модели был разделен на 180 конечных элементов (КЭ), каждый поперечный стержень на 18 элементов. Для расчета армированных ледяных балок использовались следующие механические характеристики льда: начальный модуль упругости E = 700 МПа, одноосная прочность на сжатие Rb = 0.55 МПа, одноосная прочность на растяжение Rbt = 0.4 МПа, плотность ρ = 930 кг / м3, коэффициент Пуассона μ = 0.3. Характеристики арматуры: начальный модуль упругости Es = 2∙105 МПа, расчетное сопротивление Rs = 355 МПа. Механические характеристики материалов, используемых для усиления льда в численных экспериментах, представлены в таблице: горячекатаная арматура А400 (образец № 1); стеклопластиковая композитная арматура (образец № 2); углерод- 64 В.М. Козин, А.С. Васильев, В.Л. Земляк, К.И. Ипатов ная арматура (образец №3); арамидокомпозитная арматура (образец № 4); комбинированная сочетанием стекла и базальта арматура (образец № 5). В дальнейшем образец без усиления будет обозначаться №0 Расчетные механические характеристики стальной и композитной арматуры Наименование показателя № 1 № 2 № 3 № 4 № 5 Предел прочности при растяжении, σbtn, МПа 365 168 840 448 320 Предел прочности при сжатии, σbc∏, МПа 365 63 180 96 96 Модуль упругости, E, МПа 20∙104 50∙103 130∙103 70∙103 100∙103 Результаты экспериментального и численного исследования. Была проведена предварительная серия экспериментов по загрузке неармиро-ванных ледяных балок для оценки влияния поверхностного армирования на несущую способность образцов. Во время проведения экспериментов фиксировались результаты прогибов w, вызванные возрастающей нагрузкой F, приложенной к испытуемому образцу. Согласно экспериментальным данным, разрушающая нагрузка составляла 3.6 кН при численном расчете около 3.9 кН [13]. На рис. 3 представлены данные результатов модельного эксперимента при испытании армированного образца. Видно, что максимальная нагрузка, которую выдержали образцы в эксперименте, составила порядка 12 кН, что существенно превысило предельную нагрузку, которую смог выдержать неармированный образец. Рис. 3. Диаграмма зависимости прогиба армированного образца (А400) от нагрузки ( * - результатні эксперимен тальных исследований, И - результатні численных исследований в ANSYS Workbench 17.2.) Fig. 3. Diagram for a dependence of the reinforced sample A400 deflection on the load ( ■ - experimental study results and H - numerical calculation results obtained using the ANSYS Workbench 17.2.) Исследование предельного состояния ледяного покрова в условиях чистого изгиба 65 При этом происходило образование сквозных трещин в испытуемых образцах, а максимальное значение прогиба составило около 10 мм, после чего происходило полное разрушение балок. Как можно заметить, результаты модельных экспериментов и численных расчетов хорошо согласуются в упругой зоне. В качестве критерия разрушения ледяной балки был принят резкий рост деформаций, характеризующийся потерей несущей способности и разрушением большей части сечения. При этом арматура не достигала предела текучести, а разрушение происходило с образованием обширных сквозных трещин во льду, в результате действия изгибающего момента в середине пролета балки. На рис. 4 представлены фото разрушений ледовых балок под действием разрушающей нагрузки. Рис. 4. Разрушение ледовых балок на экспериментальной установке под действием чистого изгиба: а - ледяная балка без армирования, b - формирование нормальных и наклонных трещин в армированной балке (А400), c - полное разрушение армированной балки (А400) Fig. 4. Destruction of the ice beams under the action of pure bending on the experimental setup: (a) unreinforced ice beam, (b) appearance of the normal and inclined cracks in the reinforced beam A400, and (c) a complete destruction of the reinforced beam A400 На рис. 5, а представлена схема трещин в программном комплексе ANSYS, на рис. 5, b - напряжения в арматурном каркасе, смоделированном в программном комплексе ANSYS. Схема трещин в соответствии с критерием Базанта [15] представлена значениями от -0.00017 до 0.018 (см. рис. 5, а). Значения критерия больше нуля соответствуют возникновению и открытию трещин в растянутой зоне балки. Как видно из рис. 5, b, напряжения в арматуре растянутой зоны ледовой балки не достигали предела текучести и составляли около 117 МПа. 66 В.М. Козин, А.С. Васильев, В.Л. Земляк, К.И. Ипатов Рис. 5. Результаты численных расчетов в ПК ANSYS: а - схема трещин при разрушении ледовой балки, b - напряжения в арматуре (А400) при разрушении Fig. 5. Numerical calculation results obtained by PC ANSYS: (a) diagram of the cracks during the ice beam destruction and (b) stresses in the reinforced sample А400 during destruction Основные результаты численных расчетов, представленные в виде диаграмм зависимости нагрузки от прогиба для образцов, армированных различными материалами, показаны на рис. 6, а. С учетом того, что нагрузка, при которой разрушился неармированный образец, составила 3.6 кН, можно судить о том, что несущая способность армированного образца намного выше. Напряжения в средних сечениях каждого из армированных образцов представлены на рис. 6, b. Рис. 6. Результаты численных расчетов: а - зависимость нагрузка-прогиб, б - распределение нормальных напряжений σz в сечении балки при нагрузке 3.6 кН Fig. 6. Numerical calculation results: (a) load-deflection dependency and (b) normal stress σz distribution along the beam section at a load of 3.6 kN Исследование предельного состояния ледяного покрова в условиях чистого изгиба 67 Анализ данных показывает, что использование армирующих каркасов из различных композитных материалов приводит к существенному увеличению несущей способности льда. Наибольшую несущую способность по сравнению с неар-мированным показал образец, армированный стальной арматурой А400. Наименьшей несущей способностью обладали армированные образцы № 2 и 4. Максимальные напряжения при нагрузке 3.6 кН (предельная нагрузка, при которой неармированный образец №0 сохранял свою несущую способность) для образцов, армированных материалом № 1, 2, 3, 4, 5, составляли -0.23, -0.38, -0.26, -0.33 и -0.29 МПа соответственно. Самый быстрый рост нормальных напряжений с увеличением нагрузки наблюдался в армированном образце № 2, самый медленный рост - в армированном образце № 1. Выводы В результате исследования можно сделать следующие выводы: При проведении экспериментальных и численных исследований было установлено, что использование поверхностного упрочнения льда различными материалами по данной схеме армирования позволяет увеличить несущую способность с 92 до 178 %. Разрушение образцов во всех случаях происходило в результате образования обширных трещин во льду, вызванных действием изгибающего момента в середине пролета балки. При этом арматура не достигала предела текучести. Результаты модельного эксперимента и численного расчета (см. рис. 3) хорошо согласуются в упругой зоне. Что касается прогибов и разрушающих нагрузок, отклонения в сравнении данных не превышали 19 и 2 % соответственно. Это позволяет считать численные расчеты ледовых балок, армированных различными композитами, достаточно корректными.

Скачать электронную версию публикации