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:

Шеховцов, Вячеслав Афанасьевич. Обоснование прочности и устойчивости трубобетонных конструкций опрных блоков морских стационарных платформ при квазистатических и периодических внешних воздействиях : диссертация ... доктора технических наук : 05.23.07 / Шеховцов Вячеслав Афанасьевич; [Место защиты: Открытое акционерное общество Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники].- Санкт-Петербург, 2010.- 324 с.: ил.

смотреть введение
Введение к работе:

Актуальность темы. Оскудение запасов углеводородного топлива на суше увеличивает интенсивность освоения морских нефтегазовых месторождений. Основным элементом обустройства этих месторождений являются морские стационарные платформы (МСП). Конструктивные формы платформ характеризуются не только особенностями внешнего вида, но и применением различных конструкций и конструкционных материалов в несущих элементах опорных блоков: стали, бетона, железобетона, а также трубобетона.

Трубобетон - это конструктивный элемент, состоящий из трубы (одной или нескольких), заполненных цементным раствором, либо бетоном. При строительстве МСП трубобетонные конструктивные элементы используются как для свай, так и для несущих конструкций опорных блоков.

Конструкций из композиционных материалов "сталь-бетон-сталь" способны выдерживать большие гидростатические нагрузки, совместно с горизонтальным силовым воздействием ветровых волн, льда, ветра.

Преимуществами трубобетонных конструкций по сравнению с традиционными железобетонными являются: большая несущая способность при наличии растягивающих напряжений, особенно при изгибе, с сохранением водонепроницаемости; высокая деформативность и энергопоглощение под нагрузкой, а также высокая технологичность.

Расчет несущей способности сжатого комплексного трубобетонного конструктивного элемента платформы в известных отечественных и зарубежных исследованиях выполняется по упрощенной расчетной схеме вне-центренно сжатого стержня, в которой действие поперечной нагрузки заменяется действием эквивалентных концевых моментов. Результаты расчетов в этом случае не соответствуют действительному уровню загруже-ния элемента в предельном состоянии по потере устойчивости.

С освоением глубинных месторождений при расчете конструкций опорных блоков МСП возникли проблемы с определением величин динамических реакций сооружений от случайного волнового воздействия. Инструментальные наблюдения за колебаниями платформ установили нелинейные зависимости перемещений опорных блоков и свайных оснований от периодических внешних сил и сил взаимодействия конструкций с водной и грунтовыми средами. От качества моделей, описывающих динамическое силовое воздействие волн на опорные блоки, зависит степень достоверности в определении напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкций МСП. Гидротехнические сооружения, эксплуатирующиеся на глубинах свыше 100 м, следует рассматривать как гибкие с периодом собственных колебаний конструкции Т, близким к среднему периоду т расчетного морского волнения.

Повышенная массивность опорных конструкций и размеры в плане придонной части опорных блоков МСП есть не что иное, как особый кон-

структорский, зачастую нормированный способ линеаризации целого ряда нелинейностей, например:

нелинейности диаграмм зависимости а - є конструкционных материалов блоков МСП;

нелинейности деформирования фундаментной части МСП с грунтовым основанием;

нелинейности сил сопротивления, возникающих при взаимодействии конструкций МСП с водной средой - сил, обусловленных ударами волн.

Работы, учитывающие те или иные частные случаи нелинейностей, показали, насколько сложны эти задачи. Трудности возникают вследствие того, что в нелинейных системах не выполняется принцип суперпозиции.

Если возмущающая сила QB03Mj(t) разложена в ряд Фурье, то ее действие

в нелинейной системе не эквивалентно сумме действий каждого члена этого ряда. Важным является также тот факт, что резонансная частота колебаний нелинейной системы зависит от амплитуды колебаний.

Использование различного рода линеаризации при решении дифференциальных уравнений вынужденных изгибных колебаний стоек, моделирующих опорные блоки МСП, показало, что в диапазонах частот, близких к резонансным, линеаризованные решения неприемлемы.

Очевидно, решение научных проблем, связанных с определением несущей способности конструкций трубобетонных опорных блоков МСП при действии квазистатических и периодических нагрузок с учетом нелинейных факторов является актуальным.

Цель работы состоит в совершенствовании расчетного обоснования при проектировании трубобетонных блоков МСП с целью повышения их надежности и экологической безопасности, учитывающего в совокупности ряд нелинейных факторов:

физическую нелинейность материалов опорных блоков;

нелинейность взаимодействия свайного фундамента с грунтом;

геометрическую нелинейность;

вертикальное смещение сил тяжести при поперечных колебаниях;

нелинейные взаимодействия конструкций опорного блока со случайными ветровыми морскими волнами.

В диссертации выполнено научное обоснование новых расчетных методик статического расчета трубобетонных опорных блоков МСП и расчета их нелинейных, в том числе случайных колебаний.

Научная новизна сводится к следующему:

в качестве объекта исследования впервые были запроектированы и изготовлены плоские трубобетонные панели опорных блоков с бесфасо-ночным соединением трубчатых элементов в узлах;

была предложена новая конструктивная форма гибкого опорного блока МСП в виде отдельно стоящих конических стоек, изготовленных из стальных труб большого диаметра с бетонным заполнением межкольцево-


го пространства - моноподный опорный блок для освоения шельфовых месторождений на глубинах более 200 м;

была запроектирована и изготовлена специальная экспериментальная установка для исследования изменения НДС трубобетонных монопод-ных колонн сплошного сечения при одновременном воздействии продольных и поперечных статических нагрузок вплоть до наступления критического состояния по потере устойчивости.

было предложено расчетное обоснование моделей сжато-изогнутого трубобетонного пояса панели опорного блока МСП при проведении экспериментально-теоретической оценки их несущей способности в период эксплуатации при проведении работ по усилению деформировавшихся конструкционных элементов или при усилении чисто трубчатых опорных блоков, имеющих значительный коррозионный износ;

была обоснована расчетная методика эквивалентных модулей деформации трубобетонных конструктивных элементов опорных блоков МСП, позволяющая эффективно использовать традиционные расчетные методы линейной строительной механики в методах конечного элемента (МКЭ) для учета нелинейных упругопластических деформаций трубобетонных опорных блоков;

предложен и экспериментально обоснован расчетный метод получения значений эквивалентных модулей деформации на основе выведенных систем дифференциальных уравнений, характеризующих НДС трубобетонных конструкций с учетом развития упруго-пластических деформаций;

обоснована расчетная методика исследования поведения МСП при гармоническом и случайном волнениях. При этом интегрально учитывается ряд нелинейных факторов - упругопластические деформации материалов; нелинейность, обусловленная учетом вертикальных перемещений узлов; нелинейное взаимодействие конструкций опорного блока с морской средой и основанием с учетом случайных факторов;

выведены системы дифференциальных уравнений, учитывающих указанные выше типы нелинейностей, и составлены компьютерные программы для получения численных результатов;

проведены численные эксперименты, позволившие определить амплитудно-частотные характеристики нелинейных случайных колебаний опорных блоков МСП, получены необходимые для практических расчетов значения коэффициентов динамичности;

обоснована теория динамического поведения МСП - трубобетонного монопода, в поперечном сечении состоящего из нескольких стальных колец и бетонного заполнения межкольцевого пространства;

впервые представлено расчетное обоснование определения несущей способности трубобетонных опорных блоков МСП по первому предельному состоянию при продольно-поперечных статических и динамических воздействиях.

Достоверность результатов подтверждается использованием достоверных или общепризнанных гипотез, строгими математическими методами численного интегрирования систем дифференциальных уравнений, экспериментальными исследованиями и сопоставлением результатов диссертации с результатами, полученными другими исследователями.

Практическое значение. Практическая значимость состоит в разработанном расчетном обосновании прочности, устойчивости и колебаний трубобетонных опорных блоков морских стационарных платформ. Все теоретические результаты обоснованы и представлены в виде графиков и табличных значений коэффициентов динамичности, удобных при проектировании. Разработанные расчетные программы позволяют вычислять значения эквивалентных модулей, частоты, амплитуды колебаний и учитывать различные нелинейные факторы в реальных проектах при расчетах по первому предельному состоянию. Результаты исследований использовались при проектировании трубобетонных ледостойких платформ во ВНИПИШельфе и технологических морских площадок в ЛенМорНИИ-Проекте.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на семинарах кафедры «Теоретическая механика» СПбГАСУ в 1981 - 1985 гг., на всесоюзной конференции «Морские сооружения континентального шельфа» (Севастополь 1989 г.), на научных конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГАСУ (2000 г., 2001 г., 2004 г., 2005 г.), на международной научно-технической конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 2001 г.), на III международной конференции «Нелинейная динамика механических и биологических систем» (Саратов 2003 г.), на международной конференции"Advanced Problems in Mechanics", Summer School-Conference, GAMM, (StPetersburg, 2005), на международной конференции"Уігша1 Development of Products and Processes" (Magdeburg, 2005), на международной конференции "Четвертые Поляховские чтения», Санкт-Петербург, 2006, на Всероссийском семинаре по аэрогидродинамике, 5-7 февраля 2008 (Санкт-Петербург).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 24 научных статьи, в том числе восемь в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 2 монографии объемом 32,9 условных печатных листа.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, приложения и списка литературы. Работа изложена на 302 листах, содержит 94 рисунка и 49 таблиц. Список литературы составлен из 291 источника.


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