Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Рашидов, Т. Р

.pdf
Скачиваний:
11
Добавлен:
20.10.2023
Размер:
8.03 Mб
Скачать

Кинетическая энергия всей сложной системы равна

- 6 - 2 Ж " Р К + ѵ " ѵ ^ + ) + - г 2 т » < '

( П -5 Л 8 )

потенциальная —

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

=

ѴВ

4

ѴУСЗЛІ

4

Ѵ т ,

 

 

 

где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

^

(EF)f

( u n + ï

-

и

п у

 

 

V* = Z

2

 

 

/„

 

К

 

(II.5.19)

 

 

JV

/> - (л)узла,

_

 

ч

 

 

і / у з л а

V i

А д г п р

1 ц / г

и0п)

 

(ІІ.5.20)

с

~

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Л Г - 1

n

\

( и х Л

-

М 0 ^ П )

dx_.

 

(II.5.21)

 

2 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

здесь ѴВ, ѴС и I / . — соответственно

внутренняя

энергия, энер­

гия

связи

и энергия

 

трения

грунтом.

Принимая

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и0хп = П0п +

Хп =

и0п+(и0,п+1-и0п)

, (ІІ.5.22)

 

X

 

 

 

і = —

 

 

и подставляя

в (II.5.21) с учетом

(II.5.10), получаем

^ = 2 J ^ 4 ^ j i K - " o „ ) + Kл"+ 1

U n .

+ ( » Я + і - « 0 , „+0 ( « я - « „ « ) + ("л -

U0nYl

90

Учитывая,

что L =

T V,

имеем

 

 

 

 

 

 

dv

 

 

dv„

 

dvn+1

\

„„

dv„

 

1 ЛГ-1

 

 

 

 

 

 

î

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

+ ( " я + 2 * я + 1 ) 8 я + 1 > * ]

+

2 д а > . 8 л*'

 

duk

duk

duk

-

I

- —

I — -

 

 

 

 

'

du.

~

duh

 

 

 

 

 

k

 

k

dV

N ~ l

(EF)np

 

 

 

 

8nft л

 

 

 

 

 

 

я + 1 . *

 

dVf™

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

du.

 

 

 

 

 

 

Л Г - 1

du.

+ ( и . - « о . ) 8 і , + і . » + 2 ( и я - И о . ) ^ ] ;

здесь bnk символ Кронекера.

 

Подставив (И.5.23, II.5.24) в

уравнение Лагранжа

dt ' dv

duu ~ ^ n '

n

k

получим

 

m пр

 

(II.5.23)

(II.5.24)

(II.5.25)

(II.5.27)

(II.5.28)

+

+

• 0 - 8 * і ) +

з

( г ~ Л * К +

+ 4 - ^ ( 1 - ^ + 1 +

 

( 1 - 8 ^ ) +

91

kN

 

**4

 

 

 

 

 

) K

 

 

kl)

u k - \

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K,np(k)

узла

+

k x , k - l

l k - \

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g

(

 

"~ W «I

4

§

V

 

~

°*W I "oft

H

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

О, A + l

 

 

K^k~l

 

kx,

ft—1 'ft-1

0 - 8 i » ) « o , * - i = Q * -

( n - 5 - 2 9 )

 

 

 

 

 

 

Если полагать,

что

 

внешние силы отсутствуют,

то

Qk = о- Со­

поставление (II.5.14) и (II.5.29) указывает на незначительную

разницу

в коэффициентах.

 

 

1.

С

учетом податливости

стыковок

уравнения движения

узла

в абсолютных координатах

при / = Іг

0 (II.2.33) прини­

мают

вид

 

 

mrv.—£_ = О

-туг

, du

 

 

 

— В

-s±

-

(u

a°\K.-

 

 

 

 

X

дх

 

y*x

 

"x ) ,

Ч Л

 

Переходим

к

новым

обозначениям:

 

 

 

И°^"°Л'

 

U'x ^

U n > и х

- *

" п .

В

 

 

в л - 1

Аналогично

(II.5.5—6)

определим

 

 

 

п

 

ип+1-ип

 

M ...

 

с

 

 

л

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

' л - 1

 

 

^ л

 

'„-г

 

2

и п

 

t

,

dx

 

+

 

л - 1

л - 1

 

 

 

 

 

 

 

' л - 1

 

 

С другой

стороны

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

п

^

^

 

'

*

*

дх Х=0

 

 

 

 

 

 

 

 

(II.5.30)

(II.5.31)

(П.5,32)

92

Учитывая, что

/ И 1

Л ^

u 0 , л+1~ " о л

 

1п

"

(II.5.33)

'J2

' л - 1

• ,

(II.5.34)

 

J

^ л - І ^ л - І ' л - 1

 

л - 1 " л

 

' л - 1

 

+ ( " О , л - 1 -

й л - 1 ) ]

и подставляя (II.5.31) и (II.5.32) в (II.5.30), после ряда выкладок получаем

 

< Л + (Кп)

у з л а + KN-X

+ * Ѵ ) < - Кѵ/п

-

 

 

 

 

 

— V

tin

- кх

и0п

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

\

п

 

 

 

х

J

х

 

 

4- [

кД kr

1„

в„

I и

 

 

 

 

 

 

м" *" п

- -S.

^ 4 ^ - ( 3 " о л

+ " о , л + і )

(ІІ.5.35)

 

 

 

 

 

m 1

+ ( f e r +

Ä

"

+

Ч ) X

 

^ л - І kx, л - 1 ' л - 1

 

 

( 3 " 0 л

+

" о , л - і )

В

рассматриваемом

случае имеем N — 2 внутренних

и 2

крае­

вых узла. При известных условиях на краях системы

число

уравнений равно числу неизвестных.

 

 

2.

Пусть I =f= Ігф

0.

Тогда, поступая как и выше,

и

поль­

зуясь

результатами §

4,

имеем

 

 

93

 

xyz

п

 

\

х

X

х

\

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

ср° COS

t

+

-j?- Sin Ѳг t

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9yC0Sbyt

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

_

7>(n)

узла

I

y

 

 

 

y

о

 

 

 

— л r

u0n

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

( a

2

- a 2

?° cos6^ + ^ s i n 6 ^

+

 

 

 

 

г

0

 

 

J

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. (II.5.36)

X

cp°y cos Ѳу * + І s

i n Ѳ у / +

J a r s i n

Ѳу (/ -

x)rfx

 

 

 

 

 

y

 

y о

 

 

 

 

 

M ...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т'а'п

+ (т-• + -ТкЛякхйІя

+ KNAu„-KN.

 

ul

+

 

 

\

n

 

 

 

x

j

 

x

 

 

^

n

xn

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

KÖU0n

uo,n+i)

M,

X u - K ,

X

жДп-1кх, л-1 В л - 1

' л - ! » " - 1

К Д П - \ *Jf, л - 1 ' л -

1 ( З И 0 „ - «О, л - і )

Полученные системы интегро-дифференциальных уравнений также легко сводятся к обыкновенным дифференциальным урав­ нениям.

Здесь могут быть рассмотрены сложные узлы типа колодцев, простые стыки, различные модели грунта. Могут быть приняты во внимание и присоединенные массы грунта введением коэф­ фициентов (і + ^2 . ) и ( l + - ^ -

Выведем уравнения з конечных разностях для системы под­ земных трубопроводов с узлами — раструбными стыковыми соеди­ нениями (рис. 50).

94

Пусть п-й

узел — раструб

стыка — заделан в

Левую

трубу.

Тогда

в системе (II.5.35) можем положить

 

 

 

 

 

 

N An)

 

(л) \

 

УѴ

(л)

 

 

 

 

 

•г

Если

введем

обозначения

 

 

 

 

 

 

 

х(пУ

 

т х у г =

т п •

К (я) узда

Д ' * " )

с т

к

то (II.5.35) принимает

вид

 

 

 

 

 

 

к ( . , + к «

; + с с т к

( « ; -

« о . ) + K N -

( " л - " л )

= 0 '

 

(»-5.37)

 

L

 

4

I

х(п)

 

 

 

 

(л) стк

( Ѵ + » . ) ^ + ^ т ( « : - « : - і ) +

+

 

X ( С і - » а . - і ) + ^ ( я )

( « : - « ; ) = о

 

 

(II.5.38)

^ " л + ^ к - ^ о + ^ - ^ л ^ л ^ л Х

X й - « o „ ) + " F л Д л ^ л 'л ( " я + 1

-

"о. я+і) +

+ 4 « ( " • - " • ) 8 8

0

Итак, в системе подземных трубопроводов с раструбными стыками имеем для каждого я-го стыка одно уравнение типа (II.5.37) и систему двух уравнений типа (II.5.38), где неизвестны

«л-1 - "л - "л - " я + 1 .

^ ( Я Г

п -f-1

 

В левом я — 1 и

правом

стыках имеем три аналогич­

ных уравнения с соответствующей

заменой и по три дополни­

тельных неизвестных и л _ 2 ,

un_l ,

Nx_ п_1 и т. д. Как видим, урав­

нений всегда на два меньше, чем неизвестных. Для замкнутости

задачи необходимо привлечь условия на

крайних

узлах

(правых

и левых концах трубопровода). Среди

стыков

могут

быть и

сложные узлы; в этом случае добавляются соответственно неиз­

вестные

и

дополнительные уравнения.

 

Если

в

полученных

выше уравнениях положить и0

= и\ ,

и12,

и2

= « g и „ =

и л + 1 и сложить соответствующие

сход­

ные уравнения, то число степеней свободы вдвое уменьшается. Приложения полученных здесь результатов к расчету систем

трубопроводов даны в гл. III.

95

§ 6. Стационарное решение для длинной трубы и упрощающие обстоятельства

Напряжение в подземных трубопроводах при прохождении сейсмических волн существенно зависит от длины волны, ампли­

туды

и

ее более тонкой структуры.

Наиболее

прост

случай

стационарной

волны,

проходящей

вдоль

бесконечно

длинного

трубопровода.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пусть

x — направление

оси;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и (x,

t)

— продольное

перемещение

сечения

х

трубы

в

мо­

мент

t;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

-

 

в

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J

_В_

 

 

 

 

 

 

(II.6.1)

— приведенная жесткость

трубы;

 

kl

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В = EF — жесткость

на

растяжение

(F — площадь

сечения

трубы). Предполагается, что трубопровод имеет стыки

участков

труб

длиной

/ каждый с коэффициентом

податливости стыка

KN

,

так что при действии растягивающей силы N появляется скачок

перемещения

стыкуемых труб

Д« =

NjKN.

Если

Дн

— наружный

диаметр

 

трубы,

Д

и

о — длина

 

и

зазор

стыковки,

то

KN

=

пД

L

 

 

I Д

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

кГ/см2).

 

 

= — О с т

к ;

I О с т к

может

быть

порядка

20—100

 

При

движении трубы эффективная масса единицы ее длины р

F

не­

сколько

больше действительной

за

счет

присоединенной

массы

грунта. Уравнение

движения

трубы в грунте будет иметь

вид

 

 

 

 

 

 

 

оР^Ш~Р

 

 

2

( " - и о ) .

 

 

 

 

(П.6.2)

причем

а т р — скорость

звука

в

трубе, р — частота

свободных

колебаний

абсолютно

жесткой

трубы

в

грунте:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

гпр*

 

 

 

г

 

 

Р п р ^

 

 

 

(ІІ.6.3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а и0(х,

t)

закон

движения

грунта

вдоль

оси

трубы

при

сей­

смическом воздействии или взрыве.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если сейсмическая волна движется со скоростью Ср

и

внутри

фронта

стационарна,

то

расстояние

от фронта

до сечения

.к тру­

бы

в

момент

t равно

 

у =

Ср t — x,

 

 

 

 

 

 

 

(II.6.4)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

так

что

при

t — 0 сечение

х =

0

совпадает

с

фронтом

у =

0

(—оо<л:<оо,

— о о < £ < о о ,

 

— сю < у < о о ) . Фактически

наблюдае­

мые

движения грунтов

обладают

свойством

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

0,

 

 

 

у

<

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

« о ( у ) =

/о(У)=И=0,

0<y<Lm

 

 

 

 

 

(II.6.5)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,

 

 

 

 

y>Lm

 

 

 

 

 

 

 

66

Перемещение и и растягивающая сила N бесконечно длинной трубы при таком воздействии зависят только от у:

 

и = и(у),

N=-Bu9$Lt

(II.6.6)

и согласно

(II.6.2) определяются

уравнениями

 

 

 

 

(ІІ.6.7)

где

 

 

 

" =

^ = - ^ 9 - .

і - = ^ - ѵ щ і - т .

.6.8)

причем верхний знак в формулах относится к случаю дозвуковых сейсмических волн ( М < 1 ) , нижний — сверхзвуковых ( М > 1 ) .

Различия воздействий до- и сверхзвуковых сейсмических волн весьма существенно влияют на динамику и прочность подземных трубопроводов и, по-видимому, не исследованы.

Решения уравнений (II.6.7) имеют вид для M > 1

и (у) =

X J и0

(^) sin Х(у т)) с?-»] -(- * А

sin Xy-fCcosXy

 

— оо

 

 

 

 

 

У

 

 

 

=

X j УѴ0 (т)) sin X (у т]) ûfy -f-

 

 

 

— оо

 

 

 

 

+ В п р к ( К С 2 C 0 S ХУ — C l S î n

ХУ)

 

для M <

1 (заменяя X на А)

 

 

 

 

У

 

 

 

 

и (у) = — X j M0 (7))shX(y rfjdri

 

 

— оо

 

 

 

 

— ХС2 sh Ху - f Cj ch Ху

 

 

 

y

 

 

 

 

/ Ѵ = - X J yv0 (7))shX(y-7),|ür7]

+

оо

+^ ( - X C j C h X y + C, shXy)

(II.6.9)

(II.6.10)

При вычислении интегралов (II.6.9), (II.6.10) необходимо учиты­ вать условия (II.6.5).

В первом случае возмущения в трубе должны отсутствовать и потому Сі = Сг = 0, во втором возмущения опережают сейсмиче-

+

скую волну. Из (П.6.10) следует: при у -» оо выражение

7 — 1 1 8

97

X ^ C 2

+ j

 

u0ch

Xïjdrjj

shXy - f ^Cj

- f X J' и0

sh Xrj t/y; j ch Xy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(II.6.11)

должно

быть

 

конечным.

Следовательно

 

 

 

 

 

 

 

Cj — ХС2 +

X+ jоо

и0

(sh Х-/] — ch \rt)

drt

= 0

(II.6.12)

 

 

 

 

 

 

 

— CO

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C, +

XC2

=

0

 

 

 

 

 

 

откуда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С,

>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(II.6.13)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Окончательно

 

получаем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при

M >

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U

=

X

j

И 0

(YJ)

 

sin

X

 

т;) ûfTj

 

(II.6.14)

 

 

 

 

 

— оо

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N =

 

У

УѴ0 (yj) sin X (y — 7j)

 

 

 

 

 

 

 

X

j

ûfvj

 

 

при

ЛІ <

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u=~^eXy]u0{yi)e-^dy,

 

 

 

 

+

 

 

e-Xy

 

j

 

и 0 ( ч ) ^ )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(II.6.15)

= 4-(/ У

 

]

 

^

^

)

^

 

 

^

 

+ е-Ху

J

 

i V 0 ( r ; ) e ^ ^

 

Для

примера выберем

закон

 

движения грунта в

виде

 

 

 

 

 

 

О,

 

 

 

 

 

у < 0 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Л0

sin Ш і у ,

 

 

у > 0 , К

=

»

\

(И.6.16)

 

 

 

 

 

 

 

^

 

 

 

Примем

ориентировочные

числовые

значения:

=

30 м

(дли­

на волны около 200 м);

1/Х = 1 м

(при

стыках

труб

через

5 м).

При

М>

\ ( ~ 1 , 3 н - 1 , 5 )

из

 

(II.6.14),

(И.6.16)

имеем

 

 

А01

(X sin Ш ) у

Ü)|

sin

Ху) = « 0

(у) при у >

О

 

и =

 

 

 

 

 

ш 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(II.6.17)

N

 

 

2X2

 

 

X — и>,

 

.

 

X +

со.

^

1 — cos Ху

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X s - с о 2

sin - -к—?у sin

 

5 у1

 

 

Отах

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

98

ны

Максимальные

напряжения

в пределах

первой

четверти

дли­

волны

при ш{

возникают в сечениях,

удаленных

от фрон­

 

 

 

 

 

 

те

м,

 

 

Зг

 

м, ...

 

та

волны

на

расстояния

Уі = = 3,14

у2

= -у1

= 9,5

с

интервалом

около

6 м, причем

динамический

коэффициент

на­

пряжений,

 

вычисляемых

из

условия

и = и0

(у),

равен

п

=

= Л/ /Л/ = 2.

S

m a i/

max

1 ( « 0 , 5 )

из

(6.15),

(6.16)

имеем

для

у >

0

 

 

При

M <

 

 

и =

еХу

J sin cot

~qe~Xr' d^t] + e~ly

j

sin ш1*1 d~kf]

 

 

 

 

ÄK

-2

 

 

 

 

1 Л

- Х у

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin CÜJ y - f -у- e

 

 

 

,

" о M

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

JV =

 

 

 

 

 

 

 

X y \

= =

 

 

 

 

 

 

(II.6.18)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X ' + oof

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЛЛо— Ï 1

 

e"Лу),

0 < y < 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

No (У).

 

 

 

y >

2.

 

 

 

 

 

 

 

 

Следовательно,

внутри

фронта

дозвуковой

волны

динамический

коэффициент равен 1, причем область

отклонения N (у)

от

Л/0 (у)

уходит иа 2 м вглубь

фронта.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для

у < 0

при M <

1 имеем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

е

J " о

(і)

 

 

 

Л

Xcù, ^

Х у ^ Л со,

Ху

 

 

 

 

 

 

~2~

X2 + ш 2

 

2

T " е

 

 

 

Х

/ У

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ь

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

(11.6.18')

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Л/ = ^ О т а х

 

Х2

м 2

 

^ О т а х

Ху

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

і 2 Х

е

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

т. е. на расстоянии более

2 л* перед

фронтом

деформации

труб

исчезают.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В [119]

без учета стыковки

подстановкой

и =

Л sin ш ^

— ^ - j

в уравнение

(II.6.2)

при и0 = Лэіпш

 

р

для

любого

х по­

лучены

приближенные

значения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Х2

 

 

 

Х2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и — и0 >2

 

 

 

X ' + c o f

 

 

 

 

т. е. п„

 

 

 

 

<

1.

Такое

решение, как видим из (II.6.18),

дает несколько заниженное значение динамического

коэффици­

ента по сравнению

с

 

 

 

 

 

хХ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

_хз

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 +

 

 

 

 

 

(II.6.19)

 

 

 

 

я , = х Ч ^ ?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

99

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ