Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги / Типовые расчеты при сооружении и ремонте газонефтепроводов

..pdf

Скачиваний:

116

Добавлен:

19.11.2023

Размер:

35.35 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 4950 / 8350 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 > Следующая >>>

Статический расчет балочных трубопроводных систем, изложенный, например, в работе [92], имеет существенный недостаток, а именно то, что все опоры принимаются находящимися на одном уровне относительно друг друга.

Наши недавние исследования напряженного состояния балочных трубопроводных переходов, проведенные с использованием пакета моделирования и конечно-элементного анализа NASTRAN [18; 19; 21], показали, что понижением уровня средних опор в одно пятипролетных балочных системах можно добиться снижения расчетных напряжений изгиба в трубопроводе в среднем на 35%. Это дает возможность при проектировании балочных трубопроводных систем найти такое местоположение опор относительно друг друга, при котором будет иметь место минимум действующих изгибающих моментов, что в свою очередь, несомненно, повысит эксплуатационную надежность балочных трубопроводных переходов.

В многопролетных балочных переходах выражения для дополнительных изгибающих моментов, вызываемых просадкой n-ой опоры, имеют вид (рис. 5.25):

Мл = 0,733 6EIY

г2

Мп_х=А/я+| = -0,465

М „ - г = К +2 = 0 , 1 2 4 5 ^

(5.189)

где El - изгибная жесткость поперечного сечения трубопровода; Y - величина просадки опоры; t - пролет между соседними опорами.

Рис.5.25, просадка n-й опоры трубопровода и эпюра дополнительных изгибающих моментов

Нами на примере стержневой конечно-элементной модели двухпролетного балочного перехода (рис. 5.26) со следующими принятыми параметрами 1020x10 мм, материал трубы - сталь 17Г1С, £=36 м, q=9,2 кН/м проанализировано влияние одновременного изменения высотного положения нескольких опор на напряженное состояние трубопровода. Так, на рис. 5.26, в изображена эпюра возникающих напряжений в трубопроводе с указанием величин (МПа) в характерных сечениях в исходном равновысотном состоянии. Из рисунка видно, что опорные сечения существенно перегружены, в то время как в пролетных сечениях напряжения практически в 2 раза меньше.

Рис.5.26. Напряженное состояние двухпролетного балочного перехода:

а, б - расчетные схемы; в, г - эпюры нормативных напряжений, МПа от действия изгибающих моментов

Путем последовательного понижения уровня опор мы можем добиться существенного уменьшения возникающих напряжений. На рис. 5.26, г показано

напряженное состояние трубопроводного перехода после установки опор на оптимальные уровни, из которого видно, что вследствие изменения их высотного положения напряжения в опорных и пролетных сечениях стремятся выровняться.

Выполнив оценку степени снижения напряжений по формуле:

6а =

1 0 0

(5.190)

^ max

где сгпюх - максимальные напряжения, соответствующие случаю, когда опоры находятся на одном уровне, МПа; <jmin - напряжения после понижения уровня средних опор, МПа, находим, что расчетные напряжения снизились в результате изменения уровня опор на 24,3%.

Дальнейшие исследования одно-пятипролетных схем балочных трубопроводных переходов позволили построить графическую зависимость (рис. 5.27), изображающую характер влияния понижения опор на уменьшение возникающих напряжений в многопролетных балочных системах в зависимости от числа пролетов применительно к трубопроводу диаметром 10 20 мм. Он свидетельствует о том, что при числе пролетов три и более наблюдающийся уровень, до которого уменьшаются напряжения за счет понижения опор, почти не изменяется и составляет около 35%.

Рис.5.27. Характер влияния понижения опор на уменьшение возникающих напряжений в многопролетных балочных системах с Г-образным компенсатором в зависимости от числа пролетов

5.2.3. Расчет балочных переходов с поддерживающим элементом в виде фермы

Для оценки напряженно-деформированного состояния переходов с поддерживающим элементом рабочего трубопровода в виде фермы (рис. 5.20) так же как и для переходов с консольными опорами (рис. 5.19) использован метод конечных элементов [19; 76]. При этом в качестве расчетной схемы трубопровод предложено рассматривать как неразрезную многопролетную балку, опирающуюся в пролете на упруго-податливые опоры (рис.5.28).

Рис.2.28. Расчетная схема трубопроводного перехода

Разработанная расчетная методика, рассматриваемою трубопроводного перехода реализуется по следующему алгоритму.

1) Рассчитывается распределенная нагрузка, действующая на конструкцию (см.п.2 .1).

2) Подбирается расчетом поддерживающая ферма из числа типовых конструкций.

Высота фермы подбирается исходя из минимальной металлоемкости, для этого был построен график зависимости массы фермы от ее высоты (рис. 5.29).

Масса поддерживающей фермы определялась по конечно-элементной модели в MSC/NASTRAN. В свою очередь, высота фермы ограничена максимальным вертикальным габаритом подвижного состава равным 3,8 м в случае доставки фермы железнодорожным транспортом в виде отдельных секций.

3)Трубопроводный переход рассматривается в виде балки кольцевого поперечного сечения, а ферма заменяется упругоподатливыми опорами, количество которых соответствует числу точек опоры трубопровода внутри этой фермы (рис. 5.28).

4)В рассматриваемой расчетной схеме сосредоточенные силы Р\ - Рп определяются путем приведения расчетной распределенной нагрузки на

опорные узлы.

высота фермы, м

Рис.5.29. Зависимость массы фермы о ее высоты для трубопроводов 0 530, 0 720 и 0 1020 мм

5Определяются коэффициенты жесткости упругоподатливых опор по

формуле:
л	(5.191)

гдеf - прогиб фермы в точке приложения единичной силы, определяемый по формуле Максвелла-Мора:

	Q%Q($ d i
J i ~ h ] £M/W /=1	(5.192)
J i ~ h ] £M/W /=1	o W / «

где / - номер силового участка (разделение на участки производится в грузовом и единичном состояниях); п - количество силовых участков; I - длина участка; Мгр('* выражение для изгибающего момента на /-том силовом участке от заданной внешней нагрузки; Мед(,) - выражение для изгибающего момента на i-том силовом участке от единичного воздействия; Ne/ ' \ Ned°* , Qip(t) , Q j 1* аналогичные выражения для продольных и поперечных сил; f f l) - безразмерный коэффициент неравномерности сдвигов по сечению, зависящий от формы

/- того сечения;	G0) - модули упругости первого и второго рода материала
/-того участка;	, А(,) - момент инерции и площадь поперечного сечения /- того
участка.

Ферма работает таким образом, что при приложении в ее узлах сосредоточенных нагрузок, элементы (стержни) ее главным образом работают на центральное растяжение или сжатие. Так как по длине каждого стержня фермы продольные силы и площадь сечения постоянны и учитывая, что

f * - * выражение (5.192) для перемещения узловых точке ферм примет вид:

< )Л '£,¥')

(5.193)

Продольные усилия N ^ '\ Ne/°, в элементах фермы определяются по шарнирной схеме методом вырезания узлов.

6 )Производится подбор поперечных сечений элементов фермы. Поперечное сечение поясов подбирается из условия их прочности по

формуле:

(5.194)

где N„ -усилие, возникающее в элементах фермы от приложенных к ней внешних сил; [о\ - допускаемое напряжение при растяжении (сжатии) для материала элементов фермы.

Для подобранного сечения проверяем на устойчивость верхний пояс фермы при сжатии из условия:

(5.195)

<Р'А„

где ç>- коэффициент продольного изгиба (см. СНиП 11-23 - 81* [117]).

Значение коэффициента <рзависит от гибкости элемента Я, которая может

быть определена по формуле:
Л =	(5.196)
	/
где / - радиус инерции сечения элемента;^ - приведенная длина стержня,
равная:
ейр= м * п	(5.197)

где £п- длина стержня пояса; ц - коэффициент приведения длины стержня, для двухшарнирной схемы нагружения стержня /i = 1 .

Поперечное сечение раскосов подбирается из условия их прочности:

p sina[a]
где a угол наклона раскоса.
Сжатые раскосы дополнительно рассчитываются на устойчивость:
- ^ - < И	(5.199)

Ф-Ар

7)Формируется матрица коэффициентов уравнений равновесия в виде:

(л' + г )		~*г	0	0	1	ô
- Г 1		( f j + f i )	- f i	0	0	0
*2		( f j + f i )	- f i
0		- f i	( f i + f î )	0	0	0
0		0	- f i 1	0	0	0
0		0	0	0	0	.(5.200)
0		0	0	0	0	0
0		0	0	0	0	0
				- r 1	0	0
				Zn-1
0		0	0	- C l f C i + O	0	1
8 )	Формируется		матрица внутренней податливости			из выражения для

потенциальной энергии внутренних сил при наличии упругоподатливых опор:

л (4+*2)	*2	0
3El	6 El
^2	( i2 + ^3)	6 El
6EI	3Ef	6 El
0	_h_	d i + t i )
0	6EI	3El
	6EI	3El
B =
0	0	0
0	0	0
0	0	0

	0	1	0
	0	0	0
	0	0	0
	£n-\	0	0	, (5.201)
V i	6EI
V i	Л(*И -1+0	0	0
6EI	3El
0	0		0
			0
0	0	0	0 C

где коэффициент к учитывает влияние концевых компенсаторов на защемленность трубопровода и определяется по формулам, приведенным в работе [76].

9) Реализуя матричный метод расчета упругих стержневых систем находим искомые прогибы трубопровода и возникающие внутренние силовые факторы (изгибающие моменты и реакции упругоподатливых опор).

10) Проверяем прочность трубопровода на действие максимальног изгибающего момента по формуле:

aniax<R2 ,

(5.202)

где crmax = апрр + аим\ R2 - расчетное сопротивление трубной стали растяжению (сжатию); сг„р.р - продольные напряжения от внутреннего давления в прямолинейном надземном трубопроводе с компенсаторами, определяемые по формуле (2.11); сгшг- напряжения от изгиба, равные:

М_

(5.203)

М —величина изгибающего момента в трубопроводе в точке опоры на ферму; W - осевой момент сопротивления поперечного сечения трубы.

Деформации, вызванные изменением температуры и внутреннего давления, воспринимаются компенсаторами трубопроводного перехода.

5.2.4.0поры балочных систем прокладки трубопроводов

5.2.4.1. Применяемые типы опор и опорных частей

Конструкции опор зависят не только от метода прокладки и прикладываемых к опорам усилий, но и от ряда других факторов, например, от материала, грунтовых и топографических условий прохождения трассы, высоты опор, метода производства работ.

Применяются следующие виды опор:

плитные опоры - для усиления основания под трубопроводом на крайних опорах;

свайные опоры при пересечении рек, на болотах и при прохождении трассы трубопровода по слабым или вечномерзлым грунтам;

рамные опоры и опоры на стойках - когда затруднено погружение свай, не требуется большого заглубления опор;

опоры из блоков - на плотных грунтах с малым заглублением, а также при значительном заглублении по типу опускных колодцев;

монолитные опоры из бутовой кладки, бутобетона и друтх материалов - при наличии местных материалов, а также при разнотипности опор;

подвесные опоры - главным образом в качестве подвижных опор при прокладке самокомпенсирующихся систем трубопроводов;

ряжевые и другие деревянные опоры -	в северных лесных районах и где
загнивание их происходит относительно медленно;
грунтовые опоры в виде земляных	отсыпок	на болотах, широких
поймах рек, на Севере.

Крепление трубопровода к опорам, или его опирание на них осуществляется с помощью опорных частей. Для балочных систем надземной прокладки применяются следующие опорные части:

а) продольноподвижные, допускающие перемещение трубопровода лишь вдоль его оси (скользящие, катковые, роликовые, подвесные, перемещающиеся за счет применения качающихся стоек или изгиба опор при шарнирном креплении трубопровода);

б) свободноподвижные, позволяющие трубопроводу перемещаться в любом направлении в горизонтальной плоскости (скользящие, роликовые, подвесные);

в) неподвижные - анкерные с жестким креплением трубопровода к опоре, вращающиеся на вертикальной оси).

Одиночно стоящие опоры подразделяются на анкерные (мертвые) и промежуточные.

Анкерные опоры (рис.5.30) делятся на разгруженные и неразгруженные (концевые), а промежуточные опоры (рис. 5.31) - на двухшарнирные гибкие и жесткие.

Двухшарнирные промежуточные опоры (рис.5.31, а) имеют шарниры внизу опоры и допускают, таким образом, свободное перемещение трубопровода, расположенного на этой опоре и связанного с ней при помощи поворота шарнира на величину требуемой продольной деформации

трубопровода, расположенного	на опоре.
1	3	4

Рис.5.30. Трубопровод на одиночно стоящих опорах:

1 - промежуточные опоры; 2 - разгруженные анкерные опоры; 3 - компенсатор; 4 - трубопровод; 5 - концевая неразгруженная анкерная опора

/			\|	!
ГУ			_L	!
ГУ			Р ?
h		2\	Р ?
h		2\	л 4
777		/777777
			— Г -
\				.
^	2	ч
		ч
777		/777 777

Рис.5.31. Виды промежуточных опор:

а - двухшарнирная опора; б - гибкая опора; в - жесткая опора; 1 - трубопровод; 2 - промежуточные опоры; 3 - продольная деформация трубопровода; 4 - положение

промежуточных опор после продольной деформации трубопровода; 5 - анкерная опора

Жесткие промежуточные опоры (рис.5.31, в) не способны обеспечить перемещение своего верхнего конца на величину требуемой продольной деформации трубопровода, расположенного на данной опоре; в этом случае продольное удлинение (укорочение) трубопровода сопровождается его проскальзыванием по опоре.

5.2.4.2.0пределение нагрузок, действующих на опоры трубопроводов

Правильный выбор расчетных нагрузок имеет очень важное значение с точки зрения создания рациональных и экономичных опор под трубопроводы.

Расчетные нагрузки подразделяются на следующие:

•вертикальная нагрузка;

•горизонтальная нагрузка, действующая поперек оси трубопровода - ветровая нагрузка;

•горизонтальная нагрузка, действующая вдоль трубопровода.

Все опоры рассчитываются на расчетную вертикальную нагрузку от трубопровода под действием его веса qmp(см.разд. 2.1) по формуле:

<<< < Предыдущая 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 4950 / 8350 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги