Особенности работы анкерных устройств причальных сооружений в северной климатической зоне

Актуальность темы

В связи с широким освоением нефтяных и газовых месторождений в районах севера Европейской зоны, Сибири и Дальнего Востока, большое значение имеет обеспечение безопасности эксплуатации причальных сооружений в этих районах для осуществления бесперебойных перевозок грузов. По этой причине выдвигаются повышенные требования к достоверности методов расчета и методик оценки эксплуатационного состояния при проектировании, строительстве и эксплуатации портовых гидротехнических сооружений, возводимых в северных районах.

Наиболее важными задачами современного этапа эксплуатации и строительства причальных сооружений в условиях северной климатической зоны в соответствии с содержанием статьи 8 Закона РФ «О безопасности гидротехнических сооружений» являются: внедрение современных конструкций и методик оценки эксплуатационного состояния сооружений, повышение надежности и безопасности, а следовательно, и долговечности их эксплуатации, и достигаемое вследствие этого снижение риска аварийных ситуаций и эксплуатационных расходов.

В портовом гидротехническом строительстве самое широкое применение нашли причальные сооружения в виде тонких стенок с заанкерованными лицевыми элементами [8, 9, 13, 64], например, больверков из металлического или железобетонного шпунта, уголковых стен и пр., как наиболее экономичные и технологичные конструкции причальных набережных. Кроме того, в гражданском строительстве также уделяется особое внимание внедрению в строительную практику прогрессивных конструкций с применением заанкерованных тонких подпорных стенок (для крепления стен глубоких котлованов и карьеров, при строительстве подземных сооружений, атомных электростанций, при креплении потенциально неустойчивых массивов грунта и пр.) [3, 10, 55,74].

Внедрение в производство прогрессивных методов строительства причальных сооружений из блоков повышенной заводской готовности [22] привело к широкому применению заанкерованных конструкций с жесткими анкерными тягами [16, 17, 20, 21], обеспечивающими необходимую монтажную жесткость блока.

Таким образом, широкий опыт применения заанкерованных конструкций причальных сооружений в условиях средней климатической зоны убедительно доказал их надежность и рентабельность. Кроме того, среди причальных сооружений, возводимых в северных районах, также наиболее распространенными являются сооружения из заанкерованных тонких лицевых элементов. Так, например, причальные набережные типа «больверк» уже построены в Тобольске, Дудинке, Сургуте, Ямбурге и других речных портах северной зоны РФ.

Однако строительство и эксплуатация заанкерованных причальных сооружений имеют ряд особенностей и сопряжены с определенными трудностями. Опыт возведения таких сооружений [53, 59] в условиях Крайнего Севера РФ позволяет сделать вывод о том, что условия строительства и эксплуатации заанкерованных причальных сооружений, особенно с тонкостенными лицевыми элементами, здесь гораздо сложнее, чем в других районах с умеренным климатом. Тяжелые ледовые условия, большая амплитуда колебаний температур наружного воздуха, тяжелые инженерно-геологические условия, связанные с наличием в основаниях сооружений перемежающихся грунтов различной степени льдистости и вечномерзлых грунтов, сезонные изменения прочностных и деформационных характеристик грунтов основания, изменение в процессе эксплуатации сооружений (особенно в начальный период) температурного режима грунтов и пр., — все это может привести к появлению повышенных напряжений в элементах конструкции причального сооружения и к возможному снижению по этой причине надежности, долговечности и безопасности эксплуатации сооружения [27].

Известно, что повысить надежность и долговечность сооружения в целом можно, повысив аналогичные характеристики отдельных элементов, составляющих конструкцию этого сооружения. Опыт эксплуатации заанкерованных конструкций причальных сооружений и исследования несущей способности их лицевых вертикальных элементов и анкерных стен свидетельствуют о наличии значительных резервов их несущей способности и, следовательно, о «безусловной надежности и безопасности их эксплуатации» [14, 40, 41, 62].

В то же время анкерные устройства и в особенности, анкерные тяги, являются самым «ненадежным» элементом конструкции заанкерованных причальных сооружений, от состояния которого в наибольшей степени зависит безопасность эксплуатации всего сооружения в целом. Наиболее часто отказ (авария) таких причальных сооружений происходит по причине отказа (обрыва) анкерных тяг. Таким образом, возможна следующая цепочка отказов: перегрузка и обрыв отдельной тяги приводит к перераспределению, т. е. увеличению, усилий в соседних тягах, что, в свою очередь, приводит к перегрузке лицевых элементов, к разрушению всей конструкции сооружения или к развитию недопустимых деформаций, при которых дальнейшая эксплуатация сооружения невозможна. Известны случаи обрыва анкерных тяг и выхода вследствие этого отдельных участков причальных сооружений из эксплуатации [18,48,52].

Положение усложняется тем, что до последнего времени учесть на стадии проектирования особенности работы анкерных тяг причальных сооружений, возводимых в условиях севера, не представлялось возможным вследствие отсутствия методики расчета анкерных тяг, наиболее полно отражающей эти особенности. Существовавшие ранее методики расчета анкерных тяг основывались на неточной расчетной схеме и не учитывали многих факторов, определяющих напряженно-деформированное состояние тяг. Поэтому применение таких методик для расчета анкерных тяг причальных сооружений, возводимых в условиях северной климатической зоны неоправданно — оно приведет к обрывам анкерных тяг, к снижению надежности, долговечности и безопасности эксплуатации причальных сооружений в целом.

Цель работы. Целью работы является выявление и анализ факторов, оказывающих существенное влияние на работу анкерных тяг в составе сооружения в условиях севера, уточнение расчетной схемы и уточнение методики расчета тяг, а также составление практических рекомендаций по проектированию и конструированию анкерных тяг с включением компенсаторных устройств различной конструкции для условий севера, позволяющих повысить надежность, долговечность и безопасность эксплуатации причальных сооружений.

Предмет и метод исследований. Объектом исследований являлись анкерные тяги причальных набережных, возводимых в условиях севера, подверженные воздействию поперечной нагрузки от зависания грунта и продольного растягивающего усилия от сезонных колебаний температуры наружного воздуха.

Для решения поставленных задач произведен анализ факторов, влияющих на работу анкерных устройств в составе причальных сооружений в северной климатической зоне, выполнен обзор существующих методов определения нагрузки от зависания грунта, проведено аналитическое исследование работы тяги как растянуто-изогнутого стержня, частично опирающегося на оседающее основание и подверженного одновременному воздействию продольной и поперечной нагрузок, проведены и обоснованы натурными экспериментами исследования по оценке температурных напряжений в анкерных тягах.

Научная новизна. В работе представлены результаты исследований автора, вошедшие в методику расчета анкерных тяг, впервые позволяющую наиболее полно учесть все факторы, оказывающие влияние на напряженно-деформированное состояние анкерных тяг, работающих в составе причальных сооружений в условиях севера, результаты уточнения расчетной схемы определения усилий в тягах от зависания на них грунта при его осадке с учетом условий закрепления тяг к лицевой и анкерным стенкам, наклона тяг, смещения опор, начального обратного прогиба, наличия промежуточных опор, компенсаторных устройств, а также влияния температурных колебаний наружного воздуха.

На основании аналитического исследования работы тяги как растянуто-изогнутого стержня, частично опирающегося на оседающее основание и подверженного воздействию продольных и поперечных нагрузок, получены зависимости по определению прогиба тяги, горизонтального распора, вертикальных опорных реакций и изгибающего момента в тяге. Получены и экспериментально подтверждены проведенными натурными исследованиями зависимости по оценке и прогнозу сезонных колебаний температурного режима массива грунта засыпки, изменению температур тяг и возникающих вследствие этого перенапряжений в тягах. Разработаны практические рекомендации по снижению усилий в анкерных тягахпо ним получены несколько авторских свидетельств.

Практическое значение. Представленные в работе результаты исследований по корректировке методики расчета анкерных тяг причальных сооружений позволили повысить надежность и безопасность эксплуатации построенных в условиях севера сооружений. Методика была использована при анализе причин обрыва и разработке рекомендаций по восстановлению несущей способности анкерных тяг в портах г. Тверь и г. Ямбург.

Рекомендуемые на основе этой методики практические конструктивные мероприятия позволяют снизить напряжения в тягах от зависания грунта при эксплуатационных нагрузках, перераспределять и поддерживать растягивающие усилия в тягах сооружения на определенном уровне вне зависимости от временного перегруза отдельных тяг.

Реализация результатов работы. Результаты исследований по корректировке методики расчета анкерных тяг причальных набережных для условий севера были использованы при проектировании ряда объектов, выполненном в системе Министерства речного флота, начиная с 1985 г., поскольку были включены в качестве дополнения [79] к утвержденным в 1985 г. нормам по проектированию причальных набережных СН. РФ 54.1−85 [80, 81, 82]. Отдельные положения исследований были ранее включены в руководящий технический материал РТМ 212.0099−80 «Временные рекомендации по проектированию причальных сооружений для особо суровых природно-климатических условий» [60]. Использование результатов исследований при проектировании причальной набережной в.

Использование результатов исследований при проектировании причальной набережной в порту Ямбург для обустройства газового месторождения позволило избежать дополнительных эксплуатационных затрат за счет повышения надежности работы анкерных тяг, обеспечив при этом проектный уровень безопасности сооружения в целом.

Апробация работы и публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации были доложены на расширенном техническом совещании в Гипроречтрансе «Прогрессивные конструкции речных гидротехнических сооружений и методы их расчета». (1985г.), на У1-ой Всесоюзной конференции «Экспериментальные исследования инженерных сооружений» (1986г.), на Ш-ей научно-технической конференции ПКБ «Спецтяжавтотранс» (1987г.), на республиканском совещании Минречфлота «Современные методы проектирования, строительства и эксплуатации гидротехнических сооружений» (1990г.) и на кафедре ВХиМП МГСУ (МИСИ, 1987 г. и 2004 г.).

Содержание диссертации изложено в 12 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (94 наименований) и приложениядиссертация изложена на 131 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков, 11 таблиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Приведенные в настоящей диссертационной работе результаты исследования особенностей работы анкерных устройств причальных набережных, возводимых в северной климатической зоне, позволяют сделать следующие выводы.

1. Анкерные тяги являются одним из наиболее перегруженных элементов конструкции причальных набережных.

2. При оценке напряженно-деформированного состояния анкерных тяг для условий севера необходимо учитывать все отмеченные в настоящей работе факторы (невозможность уплотнения массива грунта засыпки и основания до необходимой плотности, развитие в массиве грунта засыпки в процессе строительства и в начальный период эксплуатации причальной набережной осадок грунта под тягой, зависание на тяге вышел ежащего грунта засыпки, сезонные колебания температуры наружного воздуха, неустановившийся характер температурного режима массива грунта засыпки и большая амплитуда его изменения в процессе эксплуатации набережной, перепад температуры по длине тяги), оказывающие влияние на работу анкерных тяг.

3. Оценку напряженно-деформированного состояния анкерных тяг следует проводить по схеме растянуто-изогнутого стержня, подверженного одновременному воздействию продольной и поперечной нагрузок при условии ограничения его прогиба.

4. При определении усилий в анкерных тягах от зависания грунта необходимо учитывать действительную поперечную нагрузку от зависания, соответствующую фактическому прогибу тяги, а не ее предельное значение.

5. Усилия в анкерных тягах должны определяться с учетом анализа возможных схем ее работы, определяемых деформацией тяги в зависимости от соотношения прогиба тяги с осадкой грунта засыпки.

6. При определении дополнительного усилия в анкерной тяге, возникающего за счет температурного перепада по длине тяги при колебаниях температуры наружного воздуха, необходимо учитывать суммарное воздействие на тягу теплопотоков через массив грунта (как от поверхности засыпки, так и со стороны лицевого элемента), а также теплопотока по материалу тяги со стороны открытого конца.

7. Максимальный температурный перепад по длине анкерной тяги определяется для каждого из теплопотоков как для гармонической тепловой волны путем гармонического анализа колебаний температур наружного воздуха с учетом затухания каждой гармоники при ее распространении.

8. Между изменениями температур наружного воздуха и растягивающего усилия в анкерных тягах существует явная корреляционная связь во времени: изменение температур наружного воздуха соответствует примерно с месячным сдвигом во времени изменению усилий в тягах. Отмеченный сдвиг во времени, являющийся следствием инерционного характера процесса распространения тепловой волны в грунтовом массиве засыпки причальной набережной, был подтвержден натурными исследованиями на опытных участках в Надыме.

9. Дополнительное растягивающее усилие в анкерной тяге при температурном перепаде в результате сезонных колебаний температуры наружного воздуха в условиях севера может составлять порядка 20 30% от расчетного растягивающего усилия в анкерной тяге, определенного из статического расчета лицевого элемента.

10. Наиболее сильно перенапряжения в анкерной тяге за счет влияния суровых климатических условий севера сказываются на концевом участке тяги длиной 6 8 м, примыкающем к узлу прикрепления тяги к лицевому элементу, где имеют место максимальный момент от зависания грунта и максимальный температурный перепад.

11. Повысить надежность работы анкерных устройств причальных набережных, возводимых в условиях севера, возможно путем осуществления ряда конструктивных мероприятий, разработанных при анализе приведенной в настоящей работе методике по расчету анкерных тяг. Так, например, устройство в тягах «скрытых шарниров» эффективно снижает напряжения в тягах от зависания грунта при эксплуатационных нагрузках, а установка на тягах компенсаторов (как срезных, так и пружинных) позволяет поддерживать растягивающие усилия в тягах на определенном уровне вне зависимости от колебаний температуры наружного воздуха.

Устройство упругих элементов компенсаторов с меньшей жесткостью позволяет реализовывать рабочую деформацию упругого элемента при анкерных усилиях, меньших расчетных. В результате появляется дополнительная возможность выравнивания усилий в анкерных тягах при значениях действующих усилий, меньших расчетных.

Рассмотренная в настоящей диссертационной работе методика по расчету анкерных тяг причальных набережных для условий севера была апробирована при проектировании ряда объектов, выполненном в Гипроречтрансе, и была включена в качестве дополнения [79], разработанного при участии автора, к утвержденным в 1985 г. нормам по проектированию причальных набережных СН. РФ 54.1−85 [80].