Автоматизация расчетов сооружений гидротехничекого строительства

АВТОМАТИЗАЦИЯ  РАСЧЕТОВ 
СООРУЖЕНИЙ 
ГИДРОТЕХНИЧЕСКОГО 
СТРОИТЕЛЬСТВА

С  ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ  ПРОГРАММНО- 
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО  КОМПЛЕКСА  SCAD

Москва
РИОР
ИНФРА-М

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Рекомендовано УМО по образованию в области природообустройства 
и водопользования в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, обучающихся 
по направлению подготовки «Природообустройство» 

УДК 539.4:004.3(075.8)
ББК 31.57+32.97я73
А22

УДК 539.4:004.3(075.8)
ББК 31.57+32.97я73

А22 
 
Автоматизация расчетов сооружений гидротехнического строительства с использованием программно-вычислительного комплекса SCAD : 
учеб. пособие / В.А. Волосухин, С.И. Евтушенко, И.А. Петров [и др.]. — 
М. : РИОР : ИНФРА-М, 2018. — 241 с. + Доп. материалы [Электронный 
ресурс; URL: http://www.znanium.com]. — (Высшее образование: Бакалавриат). — https://doi.org/10.12737/19099

ISBN 978-5-369-01563-6 (РИОР)
ISBN 978-5-16-012137-6 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-104930-3 (ИНФРА-М, online)
В учебном пособии изложены различные методы расчета на прочность стержневых систем с использованием программно-вычислительного комплекса SCAD 
Office for Windows (ПВК SCAD), реализующего метод конечных элементов. Даны 
теоретические основы методов сил и перемещений, примеры расчета различных 
стержневых систем гидротехнических и промышленных сооружений. Приложен 
необходимый справочный материал.
Примеры, предложенные для расчета, поясняют принципы выбора расчетных 
схем для различных конструкций, используемых при проектировании зданий и сооружений различного назначения и оценке их технического состояния с целью 
продления безопасного срока эксплуатации.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки 
«Строительство», выполняющих курсовые работы или индивидуальные задания по 
строительной механике. 

А в т о р с к и й  к о л л е к т и в :
В.А. Волосухин, С.И. Евтушенко, И.А. Петров, В.Е. Федорчук, 
М.А. Бандурин, А.А. Винокуров

Р е ц е н з е н т : 
Гайджуров П.П. — профессор, д-р техн. наук, 
Ростовский государственный строительный университет

© Коллектив авторов

ISBN 978-5-369-01563-6 (РИОР)
ISBN 978-5-16-012137-6 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-104930-3 (ИНФРА-М, online)

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

Материалы, отмеченные знаком 
, а также цветные иллюстрации
доступны в электронно-библиотечной системе ZNANIUM
по адресу http://znanium.com.
Ссылку для доступа вы можете получить
при сканировании QR-кода, размещенного на обложке

ВВЕДЕНИЕ 

Гидротехника — наука, изучающая вопросы использования 
водных ресурсов для народного хозяйства и борьбы с водной стихией с помощью проектируемых и устраиваемых в этих целях 
гидротехнических сооружений. Отрасли народного хозяйства, 
охватываемые гидротехникой и гидротехническим строительством, многочисленны и широки. К ним относятся осушение, 
орошение, обводнение, водоснабжение, судоходство, использование водной энергии, рыболовство, защита от наводнений. 
Благодаря огромной роли воды в природе и в жизни человека 
гидротехническое строительство возникло в глубокой древности. 
Имеются сведения, что оросительные каналы строились в Египте 
еще за 4400 лет до н.э., в Голландии за 2000 лет до н.э. возводили 
ограждающие дамбы. Водопровод в Новгороде появился в конце 
XI в. и т.д. В России особое развитие гидротехническое строительство получило в XVIII — начале XIX в., когда русские мастера воздвигли много замечательных сооружений (Змеиногорская 
плотина высотой 18 м, устроенная К.Д. Фроловым, и др.) 
Гидротехника неразрывно связана с рядом других наук, в особенности с гидрологией, гидравликой, гидрогеологией, сопротивлением материалов, строительной механикой, гидрометрией и почти со всеми отраслями инженерно-строительного искусства. 
В паспорте, утвержденном Министерством образования и 
науки Российской Федерации по научной специальности 05.23.07 
«Гидротехническое строительство», отмечается, что значение решения научных проблем этой специальности для России состоит в 
совершенствовании методов и средств комплексного использования водных ресурсов в целях водообеспечения промышленности, 
сельского хозяйства и населения, в выработке электроэнергии, 
обеспечении устойчивого функционирования внутренних водных 
путей и морских портов, обосновании технически и экологически 
надежных конструкций отстойников и накопителей промышленных отходов, в обновлении и совершенствовании нормативной базы всех направлений гидротехнического строительства, повышении надежности гидротехнических сооружений различного назначения. 
 

Стержневые конструкции широко применяют в строительстве 
различных гидротехнических и других сооружений. Автор рассмотрены теоретические основы расчета плоских ферм, рам методом сил и методом перемещений и неразрезных балок как наиболее характерных стержневых систем в промышленном и гидротехническом строительстве, и дополнительно приведены алгоритм 
расчета рам с учетом температурного воздействия и смещения 
опор; расчет поперечной рамы каркаса многоэтажного гидротехнического сооружения водохозяйственного назначения; расчет 
пространственного каркаса насосной станции второго подъема; 
расчет дюкера; расчет статически неопределимых систем методом 
перемещений. 
Для автоматизации расчетов используются различные программные комплексы, реализующие метод конечных элементов 
(МКЭ) [13], такие как Лира [2–4], RADIUS+, SCAD++ [6], Ansys, 
Plaxis и др.  
Остановимся более подробно на вычислительном комплексе 
SCAD++. Он представляет собой интегрированную систему прочностного анализа и проектирования конструкций на основе МКЭ и 
позволяет определить напряженно-деформированное состояние 
(НДС) конструкций от статических и динамических воздействий, 
а также выполнить ряд функций проектирования элементов конструкций. 
SCAD++ — система нового поколения, разработанная для инженеров и проектировщиков и широко используемая проектными 
организациями. Программный комплекс имеет нормативную базу, 
адаптированную для Российской Федерации. В состав системы входит высокопроизводительный вычислительный комплекс SCAD++, 
а также ряд проектирующих и вспомогательных программ, которые 
позволяют комплексно решать вопросы расчета и проектирования 
стальных и железобетонных конструкций (расчет фундаментов, поиск эквивалентных сечений, анализ устойчивости откосов и т.д.).  
В основу комплекса положена система функциональных модулей, связанных между собой единой информационной средой. 
Эта среда называется проектом и содержит полную информацию 
о расчетной схеме, представленную во внутренних форматах комплекса. В процессе формирования расчетной схемы проект наполняется информацией и сохраняется на диске в файле (с расшире

нием *.SPR). Имя проекта и имя файла, в котором он сохраняется, 
задаются пользователем при создании новой схемы.  
Создать проект можно путем импорта данных, описывающих 
расчетную схему или ее часть на входном языке. Такие данные 
представляют собой текстовой файл, состоящий из описания документов. В процессе импорта выполняется преобразование информации из текстового представления схемы в виде набора документов во внутренние форматы, т.е. в проект. Возможность перехода от текстового представления расчетной схемы к проекту 
обеспечивает языковую совместимость с комплексами StructureCAD for Windows, SCAD DOS, Мираж, Лира и другими совместимыми с ними по входному языку. Это позволяет пользователям, работавшим с более ранними версиями (в том числе функционировавшими на ЭВМ для предыдущих поколений), легко работать в удобном для них режиме, и сокращает срок освоения комплекса. В свою очередь проект может быть преобразован в текстовое описание и, как правило, выводится при распечатке результатов расчета. Однако ввод исходных данных по этим распечаткам 
для расчета на устаревших версиях комплекса, естественно, не гарантирует их полную совместимость. 
Функциональные модули SCAD++ [16] делятся на четыре 
группы: в первую группу входят модули, обеспечивающие ввод 
исходных данных в интерактивном графическом режиме (графический препроцессор) и графический анализ результатов расчета 
(графический постпроцессор). Модули второй группы служат для 
выполнения статического и динамического расчета (процессор), а 
также вычисления расчетных сочетаний усилий (РСУ), комбинаций загружений, главных и эквивалентных напряжений, реакций, 
нагрузок на фрагмент схемы, расчет устойчивости (эти модули 
условно называются расчетными постпроцессорами). Документирование результатов расчета выполняется модулями третьей группы. В четвертую группу включаются проектирующие модули 
(проектирующие постпроцессоры), которые служат для подбора 
арматуры в элементах железобетонных конструкций, для расчета 
и проектирования узлов металлоконструкций и др. 
Модульная структура и единый информационный интерфейс 
взаимодействия модулей дают возможность сформировать для 
каждого пользователя такую конфигурацию SCAD++, которая 

максимально отвечает его потребностям по классу решаемых задач, средствам создания расчетных схем, анализу и документированию результатов расчета. 
Все функциональные модули комплекса реализованы в единой графической среде. Интерфейс, сценарии взаимодействия 
пользователя с системой, функции контроля исходных данных и 
анализа результатов полностью типизированы, что обеспечивает 
минимальное время освоения комплекса и логичную последовательность выполнения операций.  
Высокопроизводительный вычислительный модуль позволяет 
решать задачи статики и динамики с большим (до 400 000) числом 
степеней свободы и с высокой точностью. Расчет выполняется на 
заданное число загружений и форм колебаний и сопровождается 
подробным протоколом, который может быть проанализирован 
как по ходу выполнения расчета, так и после его завершения. 
Средства прерывания расчета позволяют продолжить его выполнение, начиная с точки прерывания.  
Библиотека конечных элементов (КЭ) включает различные 
виды стержневых элементов, в том числе шарнирно-стержневые, 
рамные, а также балочного ростверка на упругом основании, позволяет учитывать сдвиг в сечении стержня. Пластинчатые элементы, которые представлены трех- и четырехузловыми элементами 
плит, оболочек и балок-стенок, могут включать дополнительные 
узлы на ребрах и обеспечивают решение задач для материалов с 
различными свойствами (с учетом ортотропии, изотропии и анизотропии). Кроме того, библиотека содержит различные виды 
объемных элементов, набор трех- и четырехузловых многослойных и осесимметричных КЭ, а также специальные элементы для 
моделирования связей конечной жесткости, упругих связей и др. 
В режиме графического диалога задаются все основные параметры схем, включая жесткостные характеристики элементов, 
условия опирания и примыкания, статические и динамические 
нагрузки и др. Графический интерфейс максимально приближен 
именно к технологии создания и модификации расчетных схем и 
имеет развитую систему задания параметров «По умолчанию». 
Главную роль при задании расчетной схемы играет введенная в 
SCAD++ развитая система фильтров, с помощью которых устанавливаются правила отображения информации на схеме, а также 

функции визуализации и фрагментации схемы. Фильтры позволяют выбрать для отображения информацию о расчетной схеме по 
десяткам критериев. При этом широко используются цветовые 
средства отображения выбранной информации. 
Результаты расчета могут быть представлены в виде схем перемещений и прогибов, эпюр, изолиний и изополей. Одновременно на схему могут выводиться и числовые значения факторов. Для 
статических и динамических загружений предусмотрена возможность анимации процесса деформирования схемы и записи этого 
процесса в формате видеоклипа (*.AVI). Любая графическая информация может выводиться на печать или сохраняться в виде метафайла (*.WMF). Средства графического анализа позволяют 
наряду с результатами расчета отобразить характеристики напряженного состояния на схеме в виде эпюр (для стержневых элементов) или изолиний и изополей (для пластин). 
Модули документирования результатов расчета позволяют 
сформировать таблицы с исходными данными и результатами в 
текстовом или графическом формате, а также экспортировать их в 
MS Word или MS Excel. 
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся 
по направлениям «Строительство», «Природообустройство и водопользование» и «Техносферная безопасность», продолжает пособия, ранее выпущенные авторами в 2006–2012 гг. [20, 21, 22], и 
обобщает опыт работы за последние годы. 
 
 

1. СТЕРЖНЕВЫЕ СИСТЕМЫ  
В ГИДРОТЕХНИЧЕСКОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ 

1.1. ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ 

Понятие «гидротехника» включает науку и область техники, 
ориентированные на использование и охрану водных ресурсов для 
различных народнохозяйственных целей (электроэнергетики, черной и цветной металлургии, машиностроения и металлообработки, 
химической и нефтехимической, легкой, пищевой, лесной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной, топливной промышленности, производства строительных материалов, сельского хозяйства, жилищно-коммунального хозяйства), а также на борьбу с 
вредными проявлениями водной стихии при помощи специальных 
инженерных сооружений и устройств, называемых гидротехническими. Под гидротехническими сооружениями (ГТС) понимают 
сооружения, подвергающиеся воздействию водной среды, предназначенные для использования и охраны водных ресурсов, предотвращения вредного воздействия вод [18]. 
В 2013 г. общий забор свежей воды составил 53,6 млрд м3, из 
них промышленность использовала 31,5 млрд м3 свежей воды, забранной из природных водных объектов; жилищно-коммунальное 
хозяйство — 8,7 млрд м3; сельское хозяйство — 7,0 млрд м3. Водоотведение (сброс) в поверхностные природные источники в  
2013 г. составил 42,9 млрд м3. 
По назначению ГТС классифицируются на гидроэнергетические, коммунальные, водно-транспортные, мелиоративные, комбинированные и т.д. По местоположению ГТС могут быть речные, 
морские, озерные, внутрисистемные. ГТС подразделяются на постоянные и временные. К временным относятся сооружения, используемые только в период строительства и ремонта постоянных 
сооружений. 
С позиций строительной механики ГТС представляют собой 
тело или систему соединенных между собой тел, предназначенных для восприятия внешних силовых или других воздействий и 
передачи их на основание. В зависимости от соотношения геометрических размеров элементов, составляющих сооружение, различают:  

– стержни, у которых один размер (длина) значительно превышает два других;  
– пластины и оболочки, у которых размеры по двум направлениям больше третьего (толщины);  
– массивные тела, у которых все три размера одного порядка.  
Системы, состоящие из стержней, называют стержневыми 
системами. Эти системы разделяют на плоские, пространственные и плоскопространственные. Если оси всех стержней вместе с 
нагрузкой расположены в одной плоскости, то сооружение называют плоским. В пространственной стержневой системе оси 
стержней не лежат в одной плоскости. В плоскопространственных 
сооружениях оси стержней лежат в одной плоскости, а нагрузка 
не лежит в ней. 
В действительности все стержневые ГТС представляют собой 
пространственные системы, однако в некоторых случаях взаимное 
расположение частей сооружения и характер действующих на него сил позволяют расчленить пространственную систему на ряд 
плоских, что значительно упрощает расчет. 
Плоской фермой называется система, состоящая из стержней, 
продольные оси которых расположены в одной плоскости. Система остается геометрически неизменяемой после замены в расчетной схеме жестких узлов идеальными, лишенными трения шарнирами. В этой же плоскости лежит внешняя нагрузка. Так как 
нагрузка прикладывается в узлах, а стержни прямолинейны, в 
стержнях фермы возникают только сжимающие или растягивающие усилия. Это позволяет максимально использовать прочностные свойства материала стержней фермы. 
Фермы имеют очень широкое применение в гидротехническом строительстве. В качестве примера можно привести использование поворотных ферм на крупных и малых реках. Пролет отверстий, перекрываемых поворотными фермами, составляет от 20 
до 200 м при высоте отверстий от 3,0 до 7,0 м и шаге между фермами от 3,0 до 5,0 м. Поворотные фермы в гидротехническом 
строительстве России эксплуатируются уже более 100 лет на 
Москве — реке, на р. Дон и многих других [19]. Фермы широко 
используются в конструкциях затворов — плоских, сегментных, 
вальцовых, крышевидных, секторных, клапанных и др. Широкое 
распространение, особенно на Каспийском море, получили фермы 

в виде эстакад при глубинах до 35 м, глубоководных платформ 
сквозного типа при глубинах от 150 до 500 м. 
Рамой называется стержневая система, стержни которой во 
всех или в некоторых узлах жестко связаны между собой и которая теряет геометрическую неизменяемость, если все узлы заменить шарнирами. Изгибающие моменты в ригеле однопролетной 
рамы значительно меньше, чем в простой балке, что снижает расход материала на изготовление такого типа конструкций. В гидротехническом строительстве рамы получили широкое распространение в виде элементов затворов, опор консольных перепадов, акведуков, лотков, мостовых переездов на оросительных и осушительных системах и многих других сооружений. 
Ценным качеством многопролетных балок является возможность перекрывать большие пролеты благодаря разгружающему 
действию консолей, что очень актуально для ГТС на пересечениях 
с руслами рек и водотоков. Многопролетные балки нашли широкое применение ГТС в виде элементов ледозащитных сооружений, 
рыбозащитных сооружений, мостов-водоводов, селепроводов, мостовых переездов и других сооружений. 
Объем водопотребления из природных водных объектов в 
нашей стране наибольший в Южном и в Северо-Кавказском федеральных округах — 23,4 млрд м3, что составляет 33,2% от всего 
российского водопотребления. Для сравнения, в Центральном федеральном округе — 12,3 млрд м3; Северо-Западном — 9,9 млрд; 
Приволжском — 9,6 млрд; Сибирском — 8,4 млрд; Уральском — 
4,3 млрд; Дальневосточном — 2 млрд. 
Однако за прошедший 20-летний период перестройки в России 
в Южном федеральном округе, где наиболее высока плотность 
длительно эксплуатируемых гидротехнических сооружений на 
1 км2, сдан в опытную эксплуатацию всего один гидроузел комплексного назначения (охрана водных ресурсов, рыбное хозяйство, 
водоснабжение, орошение, судоходство) — Тиховский на 117-м км 
от устья р. Кубань. На этом гидроузле имеются все перечисленные 
ранее стержневые системы: фермы, рамы, неразрезные балки. 
Очень важной народнохозяйственной задачей является обеспечение безопасности эксплуатируемых ГТС [15] согласно Федеральному закону «О безопасности гидротехнических сооружений» 
(№ 117-ФЗ от 21.07.1997, в ред. № 233-ФЗ от 13.07.2015). Таких