Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Гидротехническое строительство

Диссертационная работа:

Афанасьев Владимир Петрович. Разработка и совершенствование методов расчета ледовых нагрузок на вертикальные сооружения шельфа от морских ледовых образований : диссертация ... доктора технических наук : 05.23.07 / Афанасьев Владимир Петрович; [Место защиты: Моск. гос. строит. ун-т].- Москва, 2007.- 329 с.: ил. РГБ ОД, 71 07-5/587

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 7

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ЛЕДОВЫХ НАГРУЗОК НА МОРСКИЕ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ
СООРУЖЕНИЯ
. 23

1.1. Виды воздействия морских ледяных полей на МГТС 23

1.2.Физико-механические характеристики ровного льда 29

1.2.1 .Расчетная толщина льда 29

1.2.2.Прочность морского льда на сжатие и зависимость от основных
факторов 32

1.3. Торосистые нагромождения 39

1.3.1 .Морфометрические характеристики торосов 40

1.3.2.Прочностные характеристики торосов 43

1.4. Существующие методы определения ледовых нагрузок на вертикальные

опоры 49

1*4.1.Определение ледовых нагрузок по действующим нормативным доку
ментам СНиП 2.06.04.-82*(1995) и ВСН 41.88 51

1.4.2.0пределение ледовых нагрузок по API RP2N 1995 64

1.4.3. Методы определения ледовых нагрузок от киля тороса

тороса (по литературным источникам) 70

1.5. Предложения по определению эффективного давления от ровного

льда на вертикальные опоры 78

  1. Предложения К.Н.Коржавина 78

  2. Предложения по определению эффективного давления льда в зависимости от фактора (d/h) - отношения ширины сооружения к толщине ледяного поля 81

1.5. Выводы 88

Глава 2. Определение параметров морского льда и эксперимен
тальные исследования для разработки моделей расчета ледовых
нагрузок на ОМГТС 91

2.1. Экспериментальные исследования прочности образцов морского

льда с учетом масштабного эффекта 91

2.2. Экспериментальные исследования ледовых нагрузок на одино
чные вертикальные опоры
; 95

  1. Эксперименты по разрушению блоков морского льда с целью исследования эффекта индентации (местного смятия) 95

  2. Результаты опытов на местное смятие образцов льда 101

  3. Влияние скорости деформации на прочность льда 101

  4. Исследования процесса взаимодействия моделей вертикальных

опор с моделированным льдом в опытовом ледовом бассейне ААНИИ 105

2.3. Нагрузки на многоопорные сооружения 115

2.3.1.Экспериментальные исследования нагрузок при подвижке ледяного

покрова на стенде с эквивалентным материалом 116

2.3.2. Опыты в ледовом бассейне Арктического и Антарктического научно-исследовательского института по исследованию ледовых нагрузок

наряды опор 127

2.4. Эксперименты по моделированию взаимодействия тороса с

препятствием 129

2..4.1.Разрушение модели тороса в виде нагромождения дискретной среды из пластинчатых обломков при взаимодействии с моделью

опоры 130

2.4.2. Моделирование торосов в ледовом бассейне 131

2.5. Крупномасштабные эксперименты измерения прочности торосов

на шельфе Охотского моря 133

2.6. Экспериментальные исследования в ледовом бассейне

воздействия льда на винтовую опору 137

2.7. Выводы 140

Глава 3. Разработка основополагающих моделей расчета ледовых нагрузок на вертикальные преграды ОМГТС

  1. Нормативная прочность льда на сжатие 143

  2. Анализ результатов экспериментов в ледовом бассейне 149

  1. Определение расчетной модели разрушения льда 149

  2. Анализ экспериментов по определению влияния местного смятия

на эффективное давление льда 155

3.3. Теоретическоее обоснование функции индентации 15'

  1. Предельное давление при b/h« 1 по методу Г.А.Гениева [1962] 159

  2. Предельное давление при b/h « 1 по зависимости Л.Прандтля [А.Надаи

1969] 161

3.4 Статистический анализ значений коэффициента kb 164

3.5.Нагрузки на многоопорные сооружения при подвижке ледяных

полей ,. 167

3.5.1 .Факторы, определяющие эффект взаимовлияния льда 169

3.5.2 Схема расположения опор в один ряд, перпендикулярный движению
Льда 169

3.5.3. Взаимодействие последовательно расположенных опор с

припайным льдом при его подвижке 175

3.5.4. Ледовая нагрузка на многоопорное сооружение от дрейфующего
ледяного поля (вероятностная оценка) 177

3.6. Ледовые нагрузки на широкие шельфовые сооружения с
вертикальными стенками
'. .- 190

3.6.1. Основные положения расчетного метода определения нагрузок на
широкое цилиндрическое сооружение 195

  1. Определение локальных ледовых нагрузок 204

  2. Динамика воздействия льда на широкое сооружение 207

3.6.4.Динамическое воздействие льда на широкое сооружение при
эксцентрической нагрузке 211

3.7. Фактор жесткости при взаимодействии системы лед - сооружение 214

3.7.1 Влияние фактора жесткости на частоту циклов 216

3.7.2.Влияние фактора жесткости к на величину глобальной нагрузки 218

  1. Вертикальная опора с винтовой ледорезной поверхностью 221

  2. О применении кинематического метода в морских условиях 223

  1. Оценка расчетной толщины наслоенного льда 226

  2. Методы определения нагрузок от однолетних торосов 230

3.11.1. Глобальные нагрузки от однолетних торосов 231

3.11.2.Метод расчета нагрузок от консолидированного слоя 231

3.11.3. Методы расчета нагрузок от киля 232

3.11.4.. Расчет нагрузки на сооружение от киля тороса .' 234

3.11.5. Прочностные характеристики киля тороса определяются по двум
расчетным способам , 23 5

3.12. Основные результаты и выводы по 3-й главе 242

Глава 4. Сопоставительный анализ методов и рекомендаций по

расчету ледовых нагрузок 246

4.1. Ледовая нагрузка по методу автора от ровного льда

на одиночную цилиндрическую опору '.. 247

4.2. Расчет ледовой нагрузки от наслоенного льда на одиночную

цилиндрическую опору по методу автора 250

4 3. Примеры сопоставительного расчета и анализа нагрузок на одиночную цилиндрическую о пору от киля тороса по методу автора и

API RP (1995) 251

4.4.Соотношения нагрузок на многоопорные сооружения при расчете

по методу Афанасьева и по нормативным документам 264

  1. Некоторые примеры сравнения расчетных нагрузок на одиночные опоры по методу автора с опытными данными 266

  2. Основные результаты и выводы по главе 281

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 283

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 286

ПРИЛОЖЕНИЕ 309

Введение к работе:

Актуальность проблемы Суровые ледовые условия в намеченных к освоению районах шельфа требуют создания ледостойких сооружений различного назначения Обеспечение надежности таких сооружений возможно только лишь при решении проблемы достоверного определения действующих на них ледовых нагрузок

Первые островные ледостойкие сооружения в Европе были построены в пятидесятых годах прошлого века в шведских водах Было установ ієно на банках с глубинами 5-7 м пять железобетонных телескопических маяков диаметром до 23 м В суровую зиму маяки выдержали по оценкам шведских специалистов ледовое давление в пределах 1-го МПа Однако, в Балтийских водах имели место и разрушения маяков под действием льда (маяк Taimo,1966 г, маяк Nygran, 1969 г и др)

За рубежом разведка и освоение ресурсов нефти и газа субарктического шельфа было начато США и Канадой в начале 60-х годов На акватории залива Кука было установлено на глубинах от 20 до 40 метров 14 стационарных ледостойких платформ Строительство морских гидротехнических сооружений (МГТС) на арктическом шельфе Канады начато в 70-х годах

Российскими специалистами энергетический потенциал нашего шельфа оценивается в объеме 100 млрд тонн условного топлива в пересчете на нефть По нефтегазовому потенциалу недра Баренцева, Печорского и Карского морей содержат около 54 млрд тонн условного топлива, а дальневосточных (прежде всего Охотского моря) до 17 млрд тонн условного топлива Россия впервые приступила к практической реализации двух сахалинских проектов «Сахалин-1» (месторождения Одопту, Чайво и Аркутун-Даги) и «Сахалин-2 (месторождения Пильтун-Астохское и Лунское) Прибыль, полученная в результате успешного освоения шельфа, может существенно укрепить федеральный бюджет Например, только реализация проектов «Сахалин-1» и «Сахалин-2» за 30 лет даст России доход около 80 млрд у е

Для реализации проектов освоения шельфа необходимо строительство ледостойких сооружений Шельфовые сооружения для освоения шельфа являются уникальными инженерными объектами большой стоимости и материалоемкости К таким сооружениям предъявляются высокие требования в отношении надежности Они должны быть рассчитаны на экстремальную ледовую нагрузку, однократное воздействие которой в заданный период эксплуатации сооружение должно выдержать Они должны противостоять также усталостным эффектам, возникающим в результате циклических нагрузок

Немаловажное значение имеет проблема определения лдовых нагрузок и для строительства маяков в замерзающих морях и дтя строительства мостовых опор через проливы с тяжелым ледовым режимом

История проблемы. До I960 г, в Советском Союзе в открытом море с ледовыми условиями островные гидротехнические сооружения не строились и не было такой проблемы как определение ледовых нагрузок на островные МГТС. Проблема возникла тогда, когда согласно международной конвенции в конце 1960 г, в Балтийском море на банке Таллинн- Мадал на глубине 10 метров было установлено основание стационарного маяка. Основание маяка представляло собой железобетонный мае си а-гигант цилиндрической конструкции диаметром 14 м.. В марте 1961 г. основание маяка было сдвинуто льдом и разрушено. В официальном государственном заключении экспертной комиссии, профессором Н.Н. Джунковским кроме возможных причин аварии основания маяка, отмечалось также то, что методы расчета ледовых нагрузок на морские островные гидротехнические сооружения отсутствуют и что " Считать необходимым возбудить перед соответствующими организациями вопрос постановки исследований по действию льда на морские сооружения "

з .-_,.

Дрейф льда

Рис. В. Основание маяка после аварии 1 - разрушенная часть наружной стенки; 2 - заполнение (камень, массивы); 3 - каменная постель; 4 - валун.

Для начала исследования этой проблемы необходимо было установить:

во-первых, ледовые условия, морфометрические и физико-механические характеристики морского льда как объекта воздействия на МГТС;

во-вторых, виды азаимодействия льда с различными типами МГТС

Первому вопросу со стороны специальных исследовательских организаций в связи с судоходством в замерзающих морях, строительством портов уделялось определенное внимание и поэтому имелся солидные объем дашшх. Однако, значения этих данных имели довольно большой разброс. Рассмотрение литературы по второму вопросу показало, что исследований воздействия льда на сооружения шельфа практически не имелось. Однако, можно было предполагать, что с упомянутой проблемой имеет много общего характер взаимодействия речного льда с мостовыми опорами. По этоой проблеме имелся обширный материал

исследований процессов іиаимодейеівия речною льда с различными пиротехническими соор\жсниями Здесь следует отметить исследования Л 11 Комароискоїо К 11 Коржанина. ЬВ іьічева Л И I амаюнова и др Рабшы П \ К\ ihcuobj и разработанный им ГОС I 3440-46 «Нагр\ зки на гидротехнические соор\жения Нагр\зки ледовые» (отменен в 1959 г) в своей основе базировались па рез\ лылах лих речных исследований Однако оіи док\меіпм без \чета специфики МГТС не могти отвечать требованиям расчета ледовых нагрч зок

Первые работы по исследованию проблемы воздействия морскою льда на МГТС были работы автора по анализ} причин разрчшения основания маяка и деловой обстановки работы по испытанию на прочность образцов морского лыа с }чеюм масшіабною эффект па Ьалшйском море (1964 1967 и ). а іакже результаты исследований по теме «ЛЕД» (1967-1971 гг МО СССР) ко шективом сотрчдников НИИ МО СССР Арктического и антарктического НИИ. ВНИИГ им Б В Веденеева Ленинградского политехнического инетитхта Новосибирского инстітта инженеров 'железнодорожного транспорта. Новосибирского НИИ інергетики СО Академии На)к, которые позволили разработать в 1968 - 1971 гс ведомственный нормативный док\мснт - «.Временная инстр\кция по определению ледовых нагр)зок на морские ГТС» - ВСН-1-71 / МО (СССР). Москва - 1971 Автор явдятся р\ководителем и ответственным исполнителем темы «ЛЯД»

Акт)альность и новизна этих исследований определилась по том) что статьи по рез\ льтатам работ сраз) же были перевезены в Канале (V Р Afanasie\. 1972). в СШЛ и Израиле (ЛГцпаыеч el al 1973) Па в юром симпозіуме по іьд) (Ленинград 1972) р\ководитс.ль американских специалистов А Аььиг также отметил актуальность наших пионерных исследовании

Анализ состояния проблемы показьіваеі чю в настоящее время, однако, нет обобщающего решения задачи по расчет) нагр)зок от морского льда на вертикальные сооружения Зархбежные нормы значительно отличаются от российских российские гос)дарственные -от ведомственных норм

Цель работы Целью работы является разработка новых и чсовершенствование с)шсств)ющи\ методов расчета ледовых нагрхзок на вертикальные МГТС для различных сценариев воздействия на них ледяных полей

Методы исследования Для достижения цели основное внимание было }делено экспериментальным способам иссіедования. колорые являлись основой для построения маїемаїических моде ієн расчеіа іедовьіх паїр\зок

  1. при разрмпении ровного льда в \слониях сложного напряженно-деформированною состояния при взаимодействии с опорой ко іонною іипа

  2. то же при взаимодействии льда с системой опор.

  3. тоже при взаимодействии льда с широким соорчжением,

  4. при воздействии на нреїрады юросисіьіх іедяпьіх образований Рез)льтаты теоретических и экспериментальных исследований дополнялись анализом и обобщением имеющихся в этой области литерат\рны\ данных

Научная новизна работы состой і в і ом чю в ней впервые был проведен комплекс исследований по изучению взаимодействия системы ледяное поле -uepi нкальиые VII 1 С, на основании коюрых решены важные задачи

1 Разработаны методы для определения ледовых нагрузок на вертикальные
преграды, при этом впервые выявлены и изучены следующие закономерности

неизвестная ранее закономерность изменения величины нормированного эффективного давтепия льда- давления ровного льда на елиниц) площади сооружения в зоне ею кошакта со льдом о і несенною к прочности льда на одноосное сжатие /Уст,,, (принимаемая как фактор индентации. и їй как коэффициент смятия) в зависимости от нормированной ширины контакта (отношения ширины кошакта или преірадьі к толщине н.да/гй) принципиально изменившая расчетный метод

влияние на ветчину и характер тсдовой нагрузки при первой подвижке льда. действ> ющей на многоопорн) ю систему. взаимовлияния колонн

влияние на величину общей тсдовой нагрузки, действующей на систем) опор от дрейфу ющи\ ледяных полей, неодновременного разру шения льда:

особенности процесса разрушения при взаимодействии с прсі радой подводной части торосистого образования - киля, что дало возможность впервые применить для разработки математической модели расчета нагрузки от киля закономерности механики разрушения связно-сыпучей среды Мора-Кулона

влияния на локальную нагрузку не только площади контакта тьда с конструкцией, но и геометрии контакта.

необходимость учета толщины наслоенного льда и метод ее оценки

  1. Рассмотрен вопрос учета влияния жесткости сооружения и у пр\ гости льда на характер ледовой паї рузки на частой, ее циклов и степень ее динамичности

  2. Предложен метод использования в морских условиях для измерения ледовой нагру зки на сооружение кинематического метода Коржавина К Н

  3. С целью снижения горизонтальной составляющей ледовой нагрузки на вертикальную опору предложены конструкции опор, имеющие в ледорезной части вин гону ю поверхность Разработан метод расчета нагр) зки на эти опоры

Практическая ценность Рез) льтаты исследований целесообразно испотьзо-иагь при проектировании ледостойких сооружений в замерзающих морях и корректировке раздела Норм по определению ледовых нагрузок на МГТС

Основные результаїьі работы, выносимые на защиту:

  1. Закономерность изменения давления ровного льда на вертикальн) ю опор) в зависимости от нормированной ширины контакта и определение а также обоснование козффициен іа инден іации (смя іия)

  2. Метод определения ледовой нагрузки на широкое сооружение с учетом цикличности, неодновременное и неравномерности нагрузки

3. Метод расчета локальной ледовой паї рузки. учитывающий не юлько птощааь контакта льда с конструкцией, но и геометрию контакта а также расположение площади контакта по толщине ледяного покрова.

  1. Предложении по учету її піяпня жесткости сооружения и > ир\і осі н движущегося тедяного потя па характер тедовой наїрузки на частоті, ее циклов а іакже на сіенепь динамнчиосін ледовой naipvjkh

  2. Метод расчета дедовой нагрузки при первой подвязке льда действующей на систем) опор и на отдельные опоры при раз шчиом расположении опор и нормированном шаіеоиор

6 Метод расчета обшей ледовой паїр>jkh от дрейфующих педяных потей
іеисівуюіцси на систему опор еучеюм неодновременною разрушения льда

  1. Меюдика учеіа иик.іичиосіи нагрузки при использовании и морских условиях кинематического метода Коржавина К Н

  2. Методика расчета тедовои нагрузки на разрабоїанную конструкцию вертикальной опоры, имеющую и іедорезной чаеіи шшюпую поиерхпосіь

  3. Метод расчета тсдовой нагрузки or воздействия торосистых ледяных образовании на ледостоикие вертикальные сооружения шельфа

Реіультлтьі исследовании нсполь)ованы:

в ведомственном нормативном документе '(Временная инструкция по опре-лелению деловых нагрузок на морские гидротехнические сооружения» - ВСН-1-71 / МО СССР, в разделе «Ледовые нагрузки на пиротехнические сооружения» '(Строительных норм и правит - Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от су лов)». СНиП II -57-75 М 1975, в разработанных позже нормах СНиП 2 06 04-82 М 1983, СНиП 2 06 04-82* М 1986 и 1988. Изменение №2 СНиП 2 06 04-82* М.І996 а также

в Веломеївенных Нормах I азпрома - ВСН 41 88 «Проектирование іедо-стойких стационарных платформ »- М 1988

и Нормах Design ot Highway Bridges Specification 5-6. 1974 re\ision, Canadian Standard Association lorontoOnt 1974 R1L 1981 1 inland Danish Code оГ Practice (Danish Enginering Associon) 1982 Design ot Highway Bridges Canadian Standard Association. (CS\-S6-8 5 2 18 2 1 ),

в ряде научно-нссісдоватс.іьских отчетов ЛПИ (СПГТУ) МИСИ (МГСУ). НИИЖТ. ДВПЙ (ДГТУ) ВНИПИ Морнефтегаз,

в отечественных докторских и кандіпагских тиссертааиях а іакже в моно-I рафиях Е Cranti О С Lee. A Cammaert and D Muggcndge. J Sanderson в работах В В Лавров. С А Вершинина Я Л Готтиба и др . ДА Мирзоева в учебных пособиях К II Коржавина и др IB Симакова и др в учебниках л чя ВУЗ ов Б Д Носкова Б Д Носкова и Ю П Прлвдивца

Апробация работы Основные потожения работы докладывались и обсуждались на Научном іехиическом совещании «Применение активных методов борьбы с тсдовыми затруднениями и защиты от обледенения поверхностен на гидротехнических сооружениях» (Ленинград 1970) Всесоюзных координационных совещаниях но іидроіехпике (Ленишрад. 1970 Пеіроза-водск 1972 Волгоград 1975 Нарва. 1979 Архангельск 1987 Дивпогорск 1989). Научном симпозиуме «Физико-іехнические пробтемы морскою льда» 1У1МС ДАНИИ АН СССР (Ленинград 1976) Научно-технической конференции по проблемам

проемироиаиия, сіроиіельсіиа и экен іуаіации БАМа (Леиишрад. 1976) но поручению Мингазпрома Госстроя СССР совместном заседании НТС Гаавморнеф-шаза. Ученою еовеїа ВНИІІИмориефіеіаза но обсуждению і лавы СПиІІ П-57-75. 1й. 2-й и 3-й Всесоюзных конференциях по механике и физике льда (Институт Проблем механики АН СССР Москва. 1981. 1983 и 1988 гг.), международных конференциях- "Of the first Baltic сопГ On soil mechanics and foundantion engineering*' (Gdansk. 1975), IntSymp on lee Problems IAHR" 75 (Hanover. \c\\ Hampshire 1975) IAHR 78 (Stokgolm. 1978). "First Furo Offshore Mechanic Sympo/ium" (lrondheim. 1990). "Port and Ocean bngineenng under Arctic Conditions' (Murmansk. 1995) Освоение шельфа арктических морей России" (Санкт-Петербург 1995. 1997,2001.2005)

Публикации Но іеме диссеріационной рапоіьі онубчиковаїю свыше 50 научных работ, в том чисіе монография (в соавторстве), выпущено более 15 научно -технических отчетов, выпотнено несколько экспертных опенок проектов нормативных доку ментов поту чено 2 авторских свидстстьства

Личный вклад автора состоит в общей постановке задач исследований, анализе состояния проблем, руководстве и проведении экспериментальных исследований, обработке, анализе и обобщении результатов, разработке нормативных рекомендаций по расчету ледовых нагрузок на морские ГТС

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения 4 пав, заключения, списка использованных источников и приложения Она содержиі 329 страниц теяста. 76 рисунков 22 табтицы и список титсратуры из 253 наименований, одного притожения.

Подобные работы
Медведев Сергей Сергеевич
Совершенствование методов расчета речных и мелиоративных сооружений
Лисичкин Сергей Евгеньевич
Развитие теории и совершенствование методов расчета массивных железобетонных и напорных сталежелезобетонных конструкций гидротехнических сооружений
Ляхевич Роман Анатольевич
Совершенствование методов фильтрационного расчета земляных плотин с учетом их анизотропной водопроницаемости
Иванов Владимир Михайлович
Совершенствование теории и методов расчета гидродинамических воздействий за водосбросными сооружениями
Будикова Айгуль Молдашевна
Совершенствование метода расчетного обеспечения эксплуатационной надежности сетевых гидротехнических сооружений мелиоративных систем, возводимых на просадочных основаниях
Глотко Анна Владимировна
Совершенствование методов имитационного моделирования движения водных потоков в бьефах речных гидроузлов
Гаврилюк Анна Александровна
Совершенствование методов природоприближенного восстановления малых рек
Федорян Алексей Валерьевич
Совершенствование методов оценки влияния водохранилищ на окружающую среду прилегающих территорий
Жарницкий Валерий Яковлевич
Совершенствование теории и методов оперативного геотехнического контроля качества возведения каменно-земляных плотин и прогноза их деформаций по результатам строительства
Гегиев Касболат Адальбиевич
Совершенствование конструкций и методов расчетного обоснования грунтовых плотин и дамб с закрытыми водопропускными сооружениями

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net