Обоснование прочности и устойчивости трубобетонных конструкций опрных блоков морских стационарных платформ при квазистатических и периодических внешних воздействиях

С конца 70-х годов прошлого столетия бурными темпами развивается мощнейший отечественный научно-промышленный комплекс по освоению углеводородных топливных месторождений на шельфе морей и океанов государства.

Важнейшей проблемой являлось обеспечение добычи нефти и газа с больших глубин в различных климатических условиях. Результаты решения этой проблемы, прежде всего, зависели от решения главной задачиобеспечения в необходимых объемах строительства морских стационарных платформ (МСП) для бурения и добычи на глубинах моря в 200³⁰⁰ м [61- 126- 123].

В связи с этим в Ленинграде, Баку, Выборге, Черноморске были запущены в производство заводы с уникальным технологическим оборудованием, позволявшим изготавливать самые сложные конструктивные формы морских стационарных платформ.

Головные' специализированные научно-исследовательские проектно-конструкторские организации, такие, как ВНИПИ «Шельф» [170], ВБИЛИ «Морнефтегаз», НИПИ «Гипроморнефтегаз», решали задачи по разработке и внедрению проектов МСП, а также задачи по обустройству морских месторождений. НИПИ «Гипроморнефтегаз» разработал и внедрил программу исследований по созданию конструкций для освоения, месторождений со сложными условиями волнообразования и сейсмики [61- 38].

Актуальность проблемы освоения шельфовых месторождений углеводородного топлива для России еще более возрастет в XXI веке [125- 83- 37- 50].

В проектной практике опорные блоки рассчитываются методом конечных элементов с использованием вычислительной техники, как пространственные конструкции с жесткими узлами [169].

Сооружения, как правило, рассматриваются состоящими из идеально упругих и линейно деформируемых стержней. В этом случае используется принцип независимости действия сил, согласно которому эффект совместного действия сил равен сумме эффектов действия каждой силы в отдельности.

Однако практика эксплуатации и экспериментальные исследования поведения смонтированных МСП показали, что для установления истинного уровня предельного загружения опорных блоков МСП как вертикальными нагрузками постоянного действия, так и поперечными кратковременными нагрузками необходимо учитывать нелинейное поведение стальных трубчатых морских конструкций [289].

При расчете таких сооружений встречаются два основных типа нелинейностей. Первый из них связан с нелинейностью зависимости сг = <т (£), которой характеризуется работа материала в упруго-пластической стадии. Второй тип связан с геометрической нелинейностью, когда перемещения конструкции вызывают значительные изменения ее геометрии и уравнения равновесия необходимо составлять для деформированного состояния [144- 147]. Учет любого из этих типов нелинейности проводит к разрешающей системе уравнений, содержащей нелинейные относительно определяемых неизвестных члены [289]. Присутствие в уравнениях нелинейных членов не позволяет получить их решение в замкнутом виде и приходится использовать различные процедуры последовательных приближений [289- 144]. Как отмечается в [142], расчет стержневых систем с учетом физической и геометрической нелинейностей связан с большими трудностями, как при формировании разрешающих уравнений, так и при их решении и формировании всего процесса расчета на ЭВМ.

Малоисследованной областью осталась работа конструктивных элементов платформ при одновременном действии продольной и поперечной нагрузок. Практически все конструктивные элементы блоков подвергаются мощному воздействию внешних статических и динамических сил. Особенно невыгодной с точки зрения несущей способности является работа сжатых конструктивных элементов, предельное состояние которых может наступить по потере общей устойчивости.

Перспективными конструкционными материалами для глубоководных и ледостойких платформ становятся трубобетонные стержневые элементы для решетчатых конструкций и мощные моноподные сталебетонные опорные блоки [138- 11- 265- 242- 258- 225].

Использование таких композитов при строительстве МСП стало возможным благодаря исследованиям отечественных ученых: Броуде В. М. [23], Дободугло Н. Г. [51], Кикина А. И. [69], Росновского В. А. [156], Санжаровского P.C. [164- 108], Стороженко Л. И. [180], Трулля В. А. [192] и др. и зарубежных ученых: Gardner N.J. [240], Neogi P., Sen H., Chapmen T. [270], Nakai H., Yoshikawa O. [268], Matsumoto Y., Fukuzawa K. [260], Furlong R. [247] и др. Гаджиев Ф. М. [38], Махмудов1 М.С. [113], Салимов C.B. [161], Садыгов Ф. М. [160] и др. исследовали поведение трубчатых свай с цементным заполнением.

Однако следует отметить, что при всей многочисленности исследований самых разнообразных аспектов поведения трубобетонных опорных элементов платформ исследователи ограничивались при определении несущей способности таких стержней применением упрощенной расчетной схемы внецентренного сжатия, заменяя действие поперечной нагрузки действием эквивалентных концевых моментов. В случае трубобетонных элементов это вряд ли допустимо, поскольку уже с начальных уровней нагружения начинают сказываться нелинейные проявления, а результаты расчетов по упрощенной схеме получаются не адекватными действительному уровню его предельного состояния. В' связи с этим понятна важность обоснования теоретических и экспериментальных исследований работы конструктивных комплексных элементов МСП при одновременном действии продольных и поперечных сил [224- 218- 221- 220- 213].

С освоением глубинных месторождений возникли проблемы с определением величины динамической реакции сооружения на случайное волновое воздействие. Инструментальные наблюдения за колебаниями платформ в морях показали, что период собственных колебаний опорного блока становится переменной величиной [171]. Многократно повторяющиеся горизонтальные перемещения, придонной части блока вызывали увеличение деформаций в грунтах основания и. приводили к уменьшению несущей способности. В ряде случаев величина этого снижения достигала 50% [80].

Отечественные и западные исследователи в [234- 289- 86- 122- 44] и других работах установили нелинейные зависимости перемещений опорных блоков и свайных оснований от периодических внешних сил и сил взаимодействия конструкции с водной и грунтовыми средами. Наличие вертикальной силовойсоставляющей вносит дополнительные изменения в напряженно деформированное состояние (НДС) всей системы. Так, исследования, проведенные Булгаковым Ш1В: [24], показали существенную нелинейную' неравномерную по времени осадку опор блока с перераспределением внутренних усилий.

Анализ развития конструкций" опорных блоков МСП показал, чтов настоящее время, отечественные и западные разработки при большом, разнообразии конструктивных решений платформ, стремятся свести отношение ширины блока на дне. к его высоте не менее 0.5 [175]. Этот прием4 позволяет проектировщикам упростить, расчетные моделисооруженияи рассматривать, например, раздельно взаимодействие опорного блока с волнамиа свайного, основания с грунтом. Однако при таком подходе с увеличением глубин-чрезмерно возрастает материалоемкость и стоимость сооружений, а строительство • таких МСП: становится экономически нецелесообразным при глубинах, близких к 500 м.

От качества моделей. [127], описывающих динамическое силовое воздействие волн на опорные блоки, зависит степень достоверности в определении НДС конструкций МСП'. Волновые нагрузки представляют собой случайные поля возмущений, и их математическое описание вызывает большие затруднения. Несмотря на то, что объем научных исследований по изучению ветровых волн и их воздействию на морские гидротехнические сооружения за последние 50 лет существенно возрос [203], общая гидродинамическая теория реального волнения до сих пор не создана [61]. Гидротехнические сооружения, особенно на глубинах свыше 100 м с периодом колебаний конструкции, близким к среднему периоду расчетного морского волнения, следует рассматривать как гибкие [199].

Повышенная массивность опорных конструкций и большие размеры придонной части в плане есть ни что иное, как особый конструкторский, зачастую нормированный способ линеаризации целого ряда нелинейностей: нелинейности диаграммы CT —s конструкционных материалов, нелинейности взаимодействия с грунтом, нелинейности сдвиговых деформаций, геометрической нелинейности.

Алешков Ю. З- [1], ArmsenA., BekganP. [233], Бреббиа, Уокер [22], Браштейн М. Ф. [10], Фуртенко В. П- [68- 200- 198- 68], Литонов O.E. [97- 100], Шхинек К. Н. [226] и другие учитывали при расчетах те или иные частные случаи нелинейностей. Их работы показывают, насколько сложны в решении эти задачи и насколько важны получаемые результаты даже при использовании весьма приближенных моделей. Трудности, возникают, в частности, из-за того, что в нелинейных^ системах не выполняется принцип суперпозиции. Важным является также тот факт, что частота колебаний нелинейной системы зависит от амплитуды.

При решении дифференциальных уравнений вынужденных изгибных колебаний стоек, моделирующих опорные блоки МСП, исследователи [203- 22] использовали различного рода линеаризацииВ [189] проведено сравнение решенийнелинейных дифференциальных уравнений движения тела при гармоническом и стационарном узкополосном случайном возбуждении, полученных приближенными методами гармонической и статистической линеаризации, с результатами численного моделирования. Выяснено, что в диапазонах частот, близких к резонансным, линеаризованные модели неприемлемы.

Таким образом, упомянутые выше проблемы, возникающие при проектировании МСП, позволили сформулировать следующие задачи предлагаемого исследования:

— обосновать расчет несущей способности опорных блоков МСП с учетом упруго-пластических деформаций трубобетонных конструктивных элементов при одновременном действии продольной и поперечной квазистатических нагрузок;

— провести экспериментальные исследования изменения НДС опорных колонн и панелей блоков МСП из трубобетона и получить результаты сравнительного анализа эксперимента и теории;

— обосновать расчет динамической несущей способности трубобетонных опорных блоков МСП при случайных силовых воздействиях при нелинейном деформировании конструкционных материалов, при нелинейных перемещениях собственно конструкции опорных блоков и конструкций их крепления к морскому дну;

— для ряда типовых конструкций МСП получить результаты численного эксперимента, учитывающие влияние этих факторов на динамическое поведение МСП.

Поставленные задачи определили и очередность выполнения этапов работы, которые последовательно представлены в шести главах диссертации.

Первая глава посвящена краткому анализу развития конструкций МСП как за рубежом, так и в нашей стране. Приводится классификация МСП по различным признакам. Выделяются три основных группы МСП, которые определяют различные способы расчёта этих гидротехнических сооружений:

— мелководные МСП;

— глубоководные платформы;

— гибкие сооружения.

Увеличение глубин освоения месторождений потребовало исследования новых конструкционных материалов. Появились платформы бетонные, сталежелезобетонные, а также состоящие из комбинации стальной трубы оболочки) и бетонного ядра — трубобетонные. Эти платформы могут быть как моноблочные, так и стержневые. Такие сооружения обладают существенным преимуществом, которое особенно проявляется при ледовых воздействиях.

Было установлено, что в. настоящее время отсутствуют теоретические и экспериментальные исследования комплексных трубобетобнных конструкций опорных блоков при одновременном действии продольных и поперечных нагрузок при нелинейных проявлениях процесса деформирования конструктивных элементовотсутствуют методы быстрого и адекватного расчетного обоснования динамического поведения МСП при периодических силовых воздействиях.

Во второй главе анализируются результаты работ ряда учёных по расчёту нелинейного поведения конструкционных материалов и нелинейных перемещений самих конструкций МСП. Отмечается^ большой вклад в развитие нелинейных теорий деформирования^ отечественных и зарубежных исследователей: Арутюняна Н. Х., Болотина В. В., Гвоздева A.A., Генки Г., Гольденблата И. И., Грина А. Э., Ильюшина A.A., Ишлинского А. Ю., Кармана. К., Качанова JI.M., Кирхгофа Г., Клюшникова В1Д., Коши О., Леви М., Новожилова В. В., Прагера В., Работнова Ю. Н., Снитко Н. К., Феодосьева В. И., Хилла Р. и многих других.

В области определения предельных нагрузок на конструкции отмечается роль Баха Г., Безухова Н. И., Гвоздева A.A., Гарстнера Д. И., Прандля, Прагера A.A., Папковича П. Ф., Ржаницина А. Р. и др.

Подводится итог краткому анализу способов? определения, несущей способности стержневых конструкций при учёте вертикальных и горизонтальных квазистатических нагрузок, из которого следует, что при проектировании МСП, включающих трубобетонные конструктивные элементы, использование линейного параметра El, характеризующего изгибную жёсткость, невозможно, поскольку в условиях интенсивного загружения эта величина переменная и является функцией взаимодействия стальной обоймы и бетонного ядра.

Анализируется метод интегрального модуля деформаций В. М. Бондаренко. При этом устанавливается, что предложенный им алгоритм определения параметра Е1 довольно сложен и имеет ряд условностей, снижающих достоверность результатов вычислений. Эти недостатки исправляются применением результатов теоретического исследования изменения напряжённо-деформированного состояния сжато-изогнутых комплексных стержней в нелинейной постановке при заданном законе изменения внешнего квазистатического загружения. По разработанному алгоритму в любой промежуток времени увеличения нагрузки в любом сечении стержня вычисляются значения краевых деформаций, а также величины прогибов. Наличие этих параметров позволяет на каждом шаге интегрирования определять жёсткостные характеристики расчётных сечений ЕР и EJ конструкционных элементов. Ни один из проанализированных современных методов расчёта стержневых конструкций такими переменными характеристиками не оперирует. Эти характеристики назвали эквивалентными (изгибными) модулями расчетного сечения.

Использование эквивалентных модулей при расчёте трубобетонных стержневых конструкций опорных блоков МСП методом конечных элементов (КЭ) позволяет эксплуатировать отлаженные типовые программы и по предлагаемому алгоритму определять уровень предельного квазистатического загружения конструкций опорного блока МСП продольными и поперечными силами.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям трубобетонных элементов МСП при различных схемах загружения продольными и поперечными квазистатическими силами. Исследования проводились с целью выявления фактической работы опорных колонн и панелей МСП от начальных стадий загружения до момента перехода в предельное состояние при потере общей устойчивости.

Приводятся результаты сравнительного анализа характеристик НДС расчётных сечений, полученных как в процессе численного решения, так и экспериментальным путём на каждом шаге загружения. Отмечается, что предельное состояние конструктивных комплексных элементов наступает при ярко выраженных нелинейных проявлениях нарастания деформаций и прогибов при потере общей устойчивости. Согласованность теоретических и экспериментальных величин позволяет сделать вывод об адекватном описании процесса деформирования разработанной теоретической моделью.

В четвёртой главе выполняется обзор расчётных методов динамического поведения МСП, приводятся результаты исследований силового воздействия ветрового волнения на шельфовые гидротехнические сооружения. Работы отечественных учёных: Алешкова Ю. З., Барштейна М. Ф., Гайдук O.A., Глуховского Б. Х., Иванова C.B., Каплуна В. В., Каспарсона A.A., Крылова Ю. М., Майорова Ю. Б., Мирзоева Д. А., Мищенко С. С., Фуртенко В. П., Халфина И. Ш., Хаскинда М. Д., Шестакова Ю. Н. и др., а также работы иностранных учёных: Джонсона, Морисона, Гаррисона и др. позволили разработать методику расчёта горизонтальных нагрузок от регулярных волн при обтекании опоры плоскопараллельным неустановившимся потоком идеальной жидкости при модели жёсткого основания.

При определении волновых нагрузок на податливое гидротехническое сооружение расчёт значительно усложняется и даже при регулярном волнении требует применения численных методов, поскольку при обтекании волнами податливой опоры возникают колебания последней, и уже требуется учитывать не абсолютные значения скоростей и ускорений частиц жидкости, а относительные скорости и ускорения между частицами жидкости и соответствующими точками опоры.

Представление силового давления на опоры МСП от регулярных волн с постоянными расчётными параметрами не отражает истинной природы ветрового волнения, которое всегда нерегулярно. Решением задачи и разработкой инженерных методов расчёта воздействия случайного волнения на обтекаемые преграды и сооружениясквозной конструкции в нашей стране занимались Алешков Ю. З., Барштейн М. Ф., Литонов O.E. Лужин О. В.,.

Каспарсон A.A., Крылов Ю. М., Фуртенко В. П., Халфин И. Ш. и др., а за рубежом — Пирсон, Холмс, Боргман и др.

Согласно спектральной модели колебания взволнованной поверхности описываются суммой большого числа гармонических колебаний с разными частотами, случайными амплитудами и фазами. В этом случае волновой процесс в точке может быть охарактеризован энергетическим спектром. Расчёт нагрузок иллюстрируется на основе разработок Алешкова Ю.З.

Известные методы анализа случайных колебаний МСП дают возможность определять вероятностные характеристики НДС системы и получать информацию о ее статистических свойствах, важную для оценки надёжности МСП на основе коэффициентов динамичности.

Для исследования колебаний нелинейных систем при случайном воздействии часто используется метод статистической линеаризации, который заключается в замене нелинейной случайной величины линейной. Принятие допущения о нормальном законе распределения случайных функций приводит в окрестности резонанса к ошибочным выводам. Понятно, что такой приём линеаризации даёт неверные результаты при установлении величины коэффициентов динамичности.

Податливость конструкции МСП при силовом волновом воздействии зависит не только от её жёсткостных характеристик, но и от величин перемещений фундаментов. На сваи платформ передаются значительные как продольные, так и поперечные усилия. Горизонтальные нагрузки достигают 20% от вертикальных. Сваи погружают на глубины 100 и более метров. В этом случае необходимо учитывать нелинейную деформируемость неоднородного грунтового основания, комбинированный характер внешних нагрузок, пространственный характер их приложения.

Последние годы характеризуются значительным прогрессом в развитии методов расчёта, проектирования и строительства свайных фундаментов. Теоретические основы методов расчёта свай разрабатывались отечественными учёными. Это Абелев М. Ю., Березанцев В. Г., Вялов С. С., Гольдин A.A.,.

Гольдштейн М.Н., Горбунов-Посадов М.И., Долматов Б. И., Егоров К. Е., Зарецкий Ю. К., Малышев М. В., Соколовский В. В., Ухов С. Б., Флорин В. А., I.

Цытович H.A. и многие другие. Большая роль в систематизации результатов исследований и в совершенствовании методов расчёта принадлежит Барвашову.

B.А., Бартоломею A.A., Глушкову Г. И., Голубкову В. Н., Снитко Н. К., Федоровскому В. Г. и др.

Однако даже для сооружений наземного типа методы расчёта осадок различных свайных фундаментов недостаточно разработаны. Это объясняется тем, что чрезвычайно сложно учесть многочисленные факторы, влияющие на несущую способность и осадку свай при их работе в составе различных свайных фундаментов и в различных грунтовых условиях. Методы расчёта горизонтально нагруженных свай разделяют на две группы — для свай со свободной головой и для свай как рамных систем. Последние методы применяются, в основном, при расчёте фундаментов гидротехнических сооружений и свайных oncp МСП. Отмечается, что сваи МСП являются по существу одномерными линейными телами, и для них лучшим расчётным методом является расчёт, использующий метод нелинейных коэффициентов постели. Работы Кузнецова В. В., Колесникова Ю. М., Курилло C.B., Левачёва.

C.Н., Хрунова И. В. и др. и иностранцев Поулоса, Ресела и др. обосновали использование метода «коэффициента отпора», который представляет собой отношение погонного вертикального отпора грунта к осадке соответствующего участка сваи. Этот коэффициент зависит не только от осадки, но и от глубины.

Делается вывод, что точные методы расчёта колебаний упругих систем являются достаточно громоздкими даже при расчёте сравнительно простых конструктивных элементов: неразрезных балок, простейших перекрытий, отдельных пластин. Проблема может разрешиться путём разработки методов расчёта, позволяющих рассматривать приближённо колебания сложных строительных систем [127- 18]. Известен инженерный приём прямой дискретизации, проводимый на стадии формирования расчётной модели. Конструкция в этом случае заменяется системой связанных между собой отдельных её частей. Конечное число степеней свободы элементов в модели позволяет использовать при выводе исходных разрешающих ч дифференциальных уравнений аппарат аналитической механики, в частности уравнения Лагранжа второго рода.

Сложность проблемы учёта упругопластических деформаций породила множество разнообразных гипотез и предположений по теоретической аппроксимации опытных закономерностей. В основе получения многих формул рассеяния энергии за счёт внутреннего трения лежат представления теории пластичности, в частности, принцип Мазинга. Рассматриваются несколько I подходов в описании моделей, учитывающих нелинейные свойства материалов: Ишлинского А. Ю., Сорокина Е. С., Пановко Я. Г., Фойгта.

Принимая всё сказанное во внимание, выбрали приемлемую расчётную схему платформы, которая позволила в дальнейшем исследовать поведение как решетчатых, так и моноблочных трубобетонных опорных блоков.

Строится основная математическая модель конструкции. Верхнее строение и фундамент моделируется абсолютно твердыми телами, жестко скрепленными с опорным блоком. Взаимодействие фундамента с грунтом считается нелинейным вязко-упругим. Решетки блока считаются абсолютно твердыми телами. Решетчатую конструкцию опорного блока моделируем эквивалентной стойкой, несущей сосредоточенные и распределенные массы. Ярусы между решетками в блоке моделируем упругими балками, работающими на изгиб и на сдвиг в плоскостях упругой* симметрии, а также на растяжение и на кручение. Учитываем только жесткости стержней (труб) яруса на растяжение-сжатие, пренебрегая их жесткостями на изгиб.

При колебаниях в воде к массе элементов конструкции добавляется присоединенная масса воды, а также масса воды внутри труб.

В случае симметричной платформы малые колебания разделяются на поперечные колебания в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях, на крутильные колебания (вокруг вертикальной оси,) и на продольные (вертикальные) колебания. Для вывода уравнений используется вариационный принцип Остроградского-Гамильтона. Уравнения поперечных колебаний в плоскости наименьшей жесткости являются основными. Эти уравнения учитывают влияние осевого сжатия, инерцию поступательного и вращательного движения и сдвиг поперечных сечений. Потери в материале блока учитываются по гипотезе Сорокина. В уравнения движения фундамента входит нелинейная сила взаимодействия с грунтом.

Необходимым первым этапом исследований динамики конструкции является анализ различных видов малых свободных колебаний (изгибных в двух плоскостях, крутильных и продольных). Проведен анализ влияния различных факторов на частоты изгибных колебаний. Установлено, что наибольшее влияние на изменение первой частоты оказывают масса верхнего строения и угловая жёсткость грунта. При формировании приближённых моделей осевым сжатием и сдвигом можно пренебречь, инерцию же вращения, как верхнего строения, так и поперечных сечений блока следует учитывать.

В пятой главе на базе одномодового приближения проведен анализ динамики решётчатой конструкции под действием как гармонического, так и случайного стационарного плоского волнения. Моделирование случайного волнения основано на каноническом разложении случайного процесса. При расчетах использовались стандартные данные о спектральной плотности высоты волн.

Приводятся многочисленные результаты расчётов, как резонансной частоты, так и амплитуды вынужденных колебаний верхнего строения при изменении основных параметров системы — массы и эксцентриситета приложения нагрузки от верхнего строения, параметров нелинейной податливости грунта и потерь в нём, коэффициента потерь в конструкции, параметров гармонического и случайного волнения. Проведен анализ влияния этих факторов на коэффициент динамичности.

С целью оценки погрешности одномерного приближения рассмотрена более точная модель с 11 степенями свободы. Установлено, что одномерная модель обладает достаточной точностью для оценки динамического поведения конструкции.

В следующих параграфах пятой главы исследуется динамическое поведение МСП трубобетонной консольной стойки (монопода) в виде трубы переменного по высоте сечения на вязкоупругом грунте под действием гармонического или случайного волнения. Трубобетонный моноподный блок представляет собой трехслойную трубу, у которой наружный и внутренний слои стальные, а средний — бетонный. Рассмотрены также более простые модели стойки и проведено сравнение с результатами Халфина. При анализе используются теоретические разработки пятой главы.

Рассмотренная трубобетонная опорная колонна может служить основой для расчета реально проектируемой конструкции, поэтому в работе приводится подробный анализ ее динамики. Исследовалось поведение трубобетонной МСП при волнении. Был проведен анализ динамики конструкции в зависимости от ее параметров и параметров волненияВ- частности, установлено, что при случайном волнении коэффициент динамичности также является случайной величиной, причем с большим разбросом.

Значительное внимание уделено вычислению эквивалентного модуля, который здесь по модели Прандтля учитывает упруго-пластические деформации стали и бетона, а также тот факт, что бетон плохо работает на растяжение.

Рассмотренные задачи исследования динамического поведения моноподной трубобетонной конструкции были реализованы в системах дифференциальных уравнений,' учитывающих все указанные типы нелинейностей.

В шестой главе с использованием результатов предыдущих глав проводится анализ статики и динамики технологической площадки, расположенной вблизи берега на глубине 17.5 м. Площадка представляет собой прямоугольную железобетонную плиту с размером в плане 46×18 м, опирающуюся на 44 вертикальные или наклонные трубчатые сваи. Глубина забивки свай в грунт 27.25 м. Проект площадки был разработан ОАО.

ЛенМорНИИПроект.

Проводится статический, и динамический расчет технологической площадки под действием собственного веса, нагрузки от работающего-оборудования' (тендеров), нагрузки от ветра, течения и льда, динамической." нагрузки от волнения. Определяются продольные усилия в сваях, максимальные напряжения, смещения платформы. Найден коэффициент запаса конструкции по напряжениям. Особое внимание уделяется деформации свай и вопросу их взаимодействия с грунтом. Было установлено, что наибольший вклад в НДС вносит вес конструкции, волновая и ледовая нагрузка.

Новые результатывыносимые на защиту, сводятся к следующему: — с использованием идеи интегрального модуля Бондаренко В. М. была обоснована расчётная методика эквивалентных модулей деформации трубобетонных конструктивных элементов опорных блоков МСП, позволяющая^ эффективноиспользовать традиционные расчетные методы линейной строительной механики в МКЭ для учёта нелинейных упругопластических деформаций трубобетонных опорных блоковпредложен иэкспериментально обоснован, расчетный метод получения значений) эквивалентных модулей деформации на основе выведенных систем дифференциальных уравнений, характеризующих НДС трубобетонных конструкций с учётом развития упруго-пластических деформацийобоснована расчетная методика исследования* поведения МСП при гармоническом и случайном волнениях. При этом интегрально учитывается ряд нелинейных факторов- — упругопластические деформации материаловнелинейность, обусловленная учетом вертикальных перемещений узловнелинейное взаимодействие конструкций опорного блока с морской средой и основанием с учётом случайных фактороввыведены системы дифференциальных уравнений, учитывающих' указанные выше типы нелинейностей, и составлены компьютерные программы^ для получения численных результатовпроведены численные эксперименты, позволившие определить амплитудночастотные характеристики нелинейных случайных колебаний опорных блоков).

МСП, получены необходимые для практических расчётов значения коэффициентов динамичностиобоснована теория динамического поведения МСП — трубобетонного монопода, изготовленного из комплекса в поперечном сечении состоящего из нескольких стальных колец и бетонного заполнения межкольцевого пространствавпервые представлено расчётное обоснование определения несущей способности трубобетонных опорных блоков МСП по первому предельному состоянию при статических и продольно-поперечных и динамических воздействиях.

Выводы.

1. Конструкция спроектирована с большим запасом как по осевым усилиям в сваях, так и по напряжениям.

2. Небольшое превышение осевого усилия у наиболее загруженных свай по сравнению со значением Р*=387 (т), при котором происходит дальнейшее погружение свай в грунт, приводит лишь к перераспределению усилий в сваях, поэтому большой запас по усилиям не нужен. Однако этот вопрос требует дальнейших исследований.

3. Уточнение данных о направлении момента от работающего оборудования, и особенно о грунте позволило бы получить более точную информацию о работе конструкции и ее коэффициенте запаса.

Заключение

по диссертационной работе.

Основными результатами, выводами и рекомендациями диссертационного исследования являются следующие:

1. Установлено, что перспективными конструкциями в опорных блоках МСП при действии сжимающих усилий являются трубобетонные комплексы, представляющие собой комбинацию стальной трубы с бетонным сердечником и используемые как для пространственных, так и для моноподных конструктивных решений;

2. Применение трубобетона значительно повышает несущую способность блоков МСП, защищает стальные трубы от потери местной устойчивости. В ряде случаев заполнение внутреннего межтрубного пространства бетоном используется как вариант усиления трубчатых стальных элементов блоков. Заполнение трубчатых опорных колонн бетоном создает эффект ледостойкости. В целом эти конструкции наиболее технологичны и наиболее приспособлены к восприятию волновых и ледовых нагрузок;

3. Существующая нормативная база не позволяет на сегодняшний день выполнить расчётное обоснование трубобетонных опорных блоков МСП по первой группе предельных состояний по прочности и устойчивости как при действии статических, так и динамических внешних силовых воздействий как продольного, так и поперечного направлений их действия.

4. В соответствии с поставленной в диссертации целью исследования разработаны новые конструкции трубобетонных опорных блоков МСП как решетчатые, так и моноподные. В качестве объекта исследования впервые запроектированы и изготовлены плоские стержневые трубобетонные панели опорных блоков с бесфасночным узловым соединением трубчатых и трубобетонных конструктивных элементов, обеспечивающих плотное контактное примыкание бетонного ядра к трубчатой поверхности соединяемых элементов.

5. Для исследования динамического поведения предложена новая конструктивная форма гибкого опорного блока МСП в виде отдельно стоящих конических стоек, изготовленных из стальных труб большого диаметра с бетонным заполнением межкольцевого пространствамоноподный опорный блок для освоения шельфовых месторождений на глубинах более 200 м с возможными ледовыми нагрузками.

6. Для исследования НДС моноподных трубобетонных опорных блоков сплошного сечения под действием статических нагрузок разработана и изготовлена силовая экспериментальная установка^ которая позволяет выполнять одновременное нагружение трубобетонной колонны как продольным, так и поперечными нагрузками и обеспечить наступление предельного состояния объекта по потере устойчивости. Аналогов силовая установка не имеет.

7. Изучено напряженно-деформированное состояние сжато-изогнутых трубобетонных опорных блоков колонн сплошного поперечного сечения под действием статических продольных и поперечных нагрузок.

Получены новые данные об изменении НДС и установлено, что нелинейное. деформирование конструкционных материалов трубобетонных опорных блоков проявляется на самых ранних стадиях загружения МСП.

8. Разработана и реализована универсальная компьютерная программарасчёта устойчивости сжато-изогнутых трубобетонных стержней. Универсальность программы проявляется и в возможности расчёта просто трубчатых (без заполнителя) конструктивных элементов платформ, труб с частичным (не на всю длину) заполнителем внутренней полости, а также композитных трубобетонных конструкций. При необходимости программа позволяет оценивать снижение несущей способности сжатых, конструктивных элементов платформ, деформировавшихся в процессе эксплуатации.

9: Достоверность и точность результатов численного решения доказана экспериментами над опорными колоннами и панелями трубобетонных опорных блоков МСП, загружаемых продольными и поперечными квазистатическими силами.

10. С использованием идеи интегрального модуля В. М. Бондаренко предложена и экспериментально обоснована расчётная методика эквивалентных модулей деформаций трубобетонных сжато-изогнутых конструктивных элементов опорных блоков МСП как моноподных, так и решетчатых, учитывающая их нелинейное деформирование и позволяющая эксплуатировать типовые программы расчёта несущей способности платформ, как методом сил, так и методом перемещений в МКЭ линейной строительной механики.

11. Впервые предложена инженерная методика расчёта несущей способности по потере устойчивости трубобетонных колонн при одновременном действии внецентренно приложенной продольной силы и равномерно распределенной поперечной нагрузки. Приведены графики определения коэффициента снижения несущей способности по потере устойчивости.

12. Выполненное совершенствование методов динамического расчета гибких опорных блоков позволяет представить представить новую методику расчетного обоснования динамики подобных гидротехнических сооружений при гармоническом и случайном волнениях. При расчёте интегрально учитывается ряд нелинейных факторов: упругопластические деформации материалов, из которых изготовлены опорные блокинелинейность, обусловленная учетом вертикальных перемещений узловнелинейное взаимодействие конструкций опорного блока с грунтом и с морской средой с учетом случайных факторов.

13. Предложены математические модели различной степени точности, учитывающие указанные выше типы нелинейностей. Составлены программы для получения численных результатов.

14. Для стержневых стальных, трубобетонных и смешанных конструкций МОП проведенные численные эксперименты, позволили определить НДС опорных блоков и построить амплитудно-частотные характеристики, нелинейных (в том числе, случайных) колебаний опорных блоков МСП. Получены необходимые для практических расчетов значения коэффициентов динамичности, удобные для использования в практических расчетах.

15. Впервые предложена обоснованная методика исследования динамики моноподных трубобетонных опорных блоков МСП кольцевого сечения при учете перечисленных выше нелинейных факторов.

16. Впервые исследовано и представлено изменение НДС трубобетонных моноподов под действием волн различной длины и высоты. Это позволяет заранее прогнозировать уровень НДС опорных блоков в местах их установки.

17. Исследования диссертации подтвердили эффективность и высокую технологичность трубобетонных моноподов, как опорных конструкций МСП.

18. Разработки, представленные в диссертации, использовались при проектировании трубобетонных ледостойких платформ в ВНИПИшельфе, а также при анализе НДС технологических морских площадок, запроектированных ЛенморНИИПроектом.

19. В результате диссертационного исследования представлено расчётное обоснование определения несущей способности трубобетонных опорных блоков МСП по первому предельному состоянию при учёте перечисленных выше нелинейных факторов при статических и динамических силовых воздействиях, была подтверждена эффективность трубобетона, как конструкционного материала, что позволило решить важную научную проблему расчёта новых современных гидросооружений, имеющих важное хозяйственное значение, внедрение результатов исследования позволяет внести значительный вклад в развитие экономики страны при освоении шельфовых месторождений углеводородного топлива.