В верхнем и нижнем металлических кольцах центрального барабана (рис. 1) закрепляется по 48 радиальных несущих и стабилизирующих вант. Внутренние металлические кольца из условия размещения вант имеют номинальный диаметр 12 м по оси центра тяжести поперечного сечения.
Пояса нижнего кольца приняты толщиной 50 мм и общей шириной 1120 мм, а пояса верхнего – толщиной 25 мм и общей шириной также 1120 мм. Расстояние между верхним и нижним кольцами по центрам тяжести сечений 7,7 м.
Внутренний радиус кольца составляет 5020 мм, наружный – 6820 мм, угол между смежными узлами крепления вант 7,5°.
Полки нижнего кольца имеют сечение 50 × (700 + 420) мм.
Расстояние между полками для размещения анкеров в нижнем кольце 400 мм, размеры окон в отсеках крепления несущих вант 400 × 400 мм (в свету).
Габаритные размеры верхнего кольца такие же, как и нижнего, только сечения поясов 25 × (700 + 420) мм, а высота сечения 300 мм (в свету), размеры окон в отсеках крепления стабилизирующих вант 300 × 300 мм (в свету).
Расстояние между внутренними и наружными полками колец по горизонтали принято равным 680 мм, что дает общую ширину поперечного сечения колец 1800 мм. Внутренние и наружные полки объединены в радиальном направлении вертикальными ребрами толщиной 20 мм для нижнего кольца и 16 мм для верхнего, к ним привариваются упорные пластины толщиной 50 мм для крепления вант. В отсеках, свободных от канатов, предусмотрены ребра и в кольцевом направлении, а также горизонтальные ребра посередине высоты колец из листа толщиной 12 мм.
Крепление несущих вант осуществляется в окнах с помощью анкерных устройств французской компании “Фрейссине” к упорным плитам размером 380 × 380 × 50 мм, передающим нагрузку на 4 пластины сечением 50 × 280 мм. Упорные пластины крепятся к радиальным ребрам и поясам кольца с помощью угловых швов.
Стабилизирующие же ванты крепятся к верхнему кольцу через 2 упорные пластины сечением 50 × 240 мм, которые привариваются к радиальным ребрам. Размеры упорных плит 280 × 280 × 50 мм.
Верхнее и нижнее кольца соединены между собой 24 стойками из труб сечением 159 × 5 мм.
Нижнее кольцо воспринимает усилия от несущих вант и работает на растяжение. Модуль упругости материала Es = 206 000 МПа.
Учитывая определяющее значение центрального барабана в обеспечении безопасного функционирования покрытия в течение всего срока службы вантового покрытия, особое внимание было уделено анализу напряженно-деформированного состояния пластин нижнего кольца толщиной 50 мм из стали С390 (10ХСНД).
Целью исследования являлось изучение напряженно-деформированного состояния конструкции кольца при действии расчетных и эксплуатационных нагрузок и при возникновении аварийной ситуации – разрушении одной из несущих вант и образовании области текучести стали в радиальном сечении наиболее напряженной полки кольца.
И в первом, и во втором случае кольцо находилось только под воздействием усилий, возникающих в несущих вантах покрытия. Усилия в вантах были получены по результатам статических расчетов вантового покрытия с учетом нелинейности в целом с использованием систем конечно-элементного анализа ПК “ЛИРА”, “ANSYS” и “COSMOS/M”.
Как показал анализ результатов статического расчета вантовой системы, наибольшие усилия в несущих вантах возникают при действии расчетных нагрузок с учетом неравномерной временной длительной и осесимметричной снеговой. Усилия в точках закрепления несущих вант к внутреннему металлическому кольцу составили от 257 до 278 тс.
При воздействии вместо осесимметричной снеговой нагрузки односторонней неравномерной расчетные усилия в несущих вантах получились меньше – 170…222 тс.
В верхнем металлическом кольце при осуществлении предварительного натяжения в стабилизирующих вантах величиной по 51 тс нормальные напряжения в поясах толщиной 25 мм составили 70 МПа.
Моделирование металлических колец при различных нагружениях, включая особые сочетания, обусловленные отказом (разрушением) одной из вант, а также развитием больших деформаций в поясах кольца, выполнено с помощью программных комплексов “ЛИРА-4” и “NASTRAN”.
Пространственная конечно-элементная (КЭ) модель кольца при расчете на ПК “ЛИРА-4” создана на основе заданной геометрии. Верхние и нижние пояса соединены 96 радиальными ребрами, которые вместе с горизонтальными и кольцевыми диафрагмами, расположенными в свободных от вант ячейках, образуют единую пространственную систему, поддерживаемую несущими вантами. В модель кольца включены упорные и анкерные пластины.
При исследовании работы кольца все конструктивные элементы его были разбиты на отдельные пластинки, напряженно-деформированное состояние которых изучалось. Все расчеты выполнены на усилия, передаваемые вантами при осесимметричной и несимметричной снеговых нагрузках.
Пояса внутреннего и наружного колец работают в условиях сложного напряженно-деформированного состояния, характеризуемого наличием двух нормальных, а также касательных напряжений.
При действии расчетной нагрузки с учетом осесимметричной снеговой растягивающие напряжения в поясных листах составили до 200 МПа при расчетных сопротивлениях Ry = 380 МПа (сталь С390), а в радиальных ребрах – 85 МПа при Ry = 315 МПа (сталь С345).
При обрыве одной из вант усилия в смежных вантах по обе стороны возрастают до 325 тс.
Результаты расчета кольца на полную нагрузку при аварийном разрушении одной из вант показали, что напряжения в кольцевом направлении в отдельных элементах расчетной модели достигают 277 МПа.
При выполнении статического расчета нижнего металлического кольца в случае аварийного разрушения одной наиболее напряженной (внутренней) полосы в качестве расчетной модели принято развитие больших пластических деформаций в конечных элементах путем снижения модуля упругости в 100 раз. При этом усилия выключившейся из работы полосы через продольные и поперечные ребра перераспределятся на смежные элементы.
При расчете с помощью программного комплекса “NASTRAN” было принято, что все элементы модели выполнены из однородных материалов, обладающих упругими изотропными свойствами.
Граничные условия модели (нагрузки и связи) определены из условия наличия вертикальной плоскости симметрии металлического кольца. Схема приложения внешних нагрузок приведена на рис. 5.
Моделирование и статический анализ нижнего металлического кольца вантового покрытия (далее – кольца) выполнены в среде пре- и постпроцессора “FEMAP”.
Дискретизация основных конструктивных элементов кольца выполнена практически регулярным разбиением на прямоугольники и призмы с прямоугольным основанием (рис. 3–6).
При разработке конечно-элементной модели использовалось свойство циклической симметрии конструкции кольца, что позволило рассматривать 1/48 его часть, которая к тому же была симметрична относительно вертикальной плоскости, проходящей через точку передачи нагрузки от ванты.
Таким образом, на первом этапе разрабатывалась КЭ-модель 1/96 части кольца (рис. 4), которая затем с использованием процедур генерации КЭ-сетки
REFLECT и ROTATE разворачивалась в модель 1/2 части исследуемой конструкции (рис. 4, 6).
При разработке модели кольца применялись конечные элементы трех типов:
- 8-узловые элементы типа SOLID для моделирования основных конструктивных элементов кольца (внешние и внутренние полки толщиной tf = 50 мм), а также для моделирования опорных пластин толщиной ts = 50 мм;
- 4-узловые элементы PLATE (воспринимающие мембранные, изгибные и сдвиговые усилия) для аппроксимации всех ребер кольца;
- специальные элементы типа RIGID, связывающие степени свободы двух или более узлов и обеспечивающие моделирование нестесненных условий передачи усилия от ванты на опорные пластины, а также жесткое взаимодействие контура вертикальных опорных платин с радиальными ребрами (рис. 4).
Общий вид модели кольца в деформированном состоянии и распределение главных растягивающих напряжение по поверхности полок для случая образования зоны текучести во внутренней полке представлен на рис. 6. Здесь локальные напряжения достигают значения 300 МПа.
Результаты проведенных исследований использованы при проектировании вантового покрытия конструкторами РУП “Институт Белгоспроект”.