Особенности поведения конструкций при динамических нагрузках

Динамические нагрузки, если их не учитывать при расчете, могут привести к тяжелым последствиям, вплоть до аварии сооружения. Из мировой и отечественной практики известны случаи аварии бетонных конструкций и опорных частей затворов водосбросного туннеля гидроузла в Индии, разрушение раздельной стенки между водосбросами ГЭС в США.

На одной из высоконапорных ГЭС в Российской Федерации здание ГЭС в течение ряда лет периодически подвергалось повышенной вибрации, носившей нерегулярный характер по величине и продолжительности. Замеренные частоты колебаний лежали в диапазоне 6,25-200 Гц. Собственная частота здания 6,25 Гц совпадает с частотой вращения агрегатов, что привело к резонансу. В результате в здании образовались трещины.

Имеются и другие примеры различного рода повреждений, связанных с проявлением гидродинамических сил.

В бетонной плотине Братской ГЭС имеются глубинные отверстия в виде необлицованных напорных труб прямоугольного сечения, расположенных в теле плотины с уклоном около 0,1 в сторону нижнего бьефа, за исключением горизонтального участка на входе длиной 4,8 м.

Размер отверстия на входе 3x6 м, на выходе 3x4,8 м, разница в отметках порогов затвора верхнего и нижнего бьефов 6,5 м. Бетон водосбросов армирован мощными горизонтальными сетками из пучковой арматуры-три стержня диаметром 50 мм через 25 см - и вертикальными армофермами из стержней того же диаметра. Средний расход арматуры на 1 м³ бетона составляет 40 кг. Проектная марка бетона водосбросов- 200,В8; фактическая прочность бетона в возрасте 180 сут оказалась 30 МПа (300 кгс/см²).

Входная и выходная части отверстия по всему периметру за пазами на длине 1,5 м облицованы металлическим листом толщиной 10 мм, привариваемым к закладным двутаврам.

Лист облицовки забрала верхового затвора в продольном направлении приваривается к четырём листовым диафрагмам, а в поперечном направлении - к двутавру №20 швом высотой 6 мм.

После первых сбросов воды через глубинные отверстия строительство приступило к их осмотру. Длительность работы отверстий колебалась от 71 до 289 дней, и средние напоры, определенные над верховым порогом отверстия, составили около 40 м.

Были выявлены значительные разрушения на входном участке отверстия, сосредоточенные на потолке за двутавром и в примыкающих участках стен, причем наряду с разрушением бетона имели место разрушения металлических элементов явно усталостного происхождения. Так, в одной из секций лист облицовки по всей длине двутавра был разорван по шву вдоль течения, в первом углу кусок листа вырван. В потолке первые три пучка арматуры (считая от двутавра) сохранились, следующие шесть пучков были вырваны. Показан общий вид одного из разрушенных участков, на котором ясно виден типичный усталостный разрыв арматурного стержня.

Во всех осмотренных отверстиях горизонтальная облицовка на потолке была оторвана по длине двутавра, везде имелись разрушения стен и т. д.

Осмотр отверстий убеждает, что разрушения - результат неудачной геометрической формы входного участка отверстий, принятой в проекте. Из-за недостаточно плавного перехода наклонной поверхности потолка водосброса на горизонтальный участок наблюдается отрыв потока за поворотом на потолке горизонтального участка, й, как следствие, вакуум на этом участке, максимальная величина которого по данным лабораторных исследований достигает 8-9 м.

Наличие на потолке водосброса в пределах его "входного и выходного участков зон с глубоким вакуумом, особенно на входном участке, привело к возникновению кавитационных явлений и значительных гидродинамических нагрузок, вызвавших усталостное разрушение металла.