Динамические характеристики подводного плавучего тоннеля при движущихся нагрузках Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 624.21.037:629.73

Динамические характеристики подводного плавучего тоннеля при движущихся нагрузках

99

Приведены компоновочные решения океанических участков стартовой эстакады общепланетарного транспортного средства (ОТС), описано функциональное зонирование и обозначены возмущающие факторы, влияющие на геометрию плавучего тоннеля. Представлены требования обеспечения ровности и стабильности пути для перемещения гиперскоростных транспортных средств (ТС). Определены внутренние возмущающие факторы в виде движущихся грузовых и пассажирских ТС. Исследованы эффекты волновых возбуждений и вертикальных откликов от движения ТС в самых нагруженных условиях для разных длин пролётов. Выявлены углы поворота плавучего тоннеля от односторонней транспортной нагрузки. Рассчитано напряжение, возникающее в стенках тоннеля от проезжающих ТС.

1 ООО «Астроинженерные технологии»,

г. Минск, Беларусь

2 ЗАО «Струнные технологии» г. Минск, Беларусь

Юницкий А.Э.1 2 Артюшевский С.В.2

Ключевые слова:

общепланетарное транспортное средство (ОТО], экваториальная эстакада, плавучий тоннель, гиперскоростной транспорт, океанический участок, возмущающий фактор.

Введение

Взлётно-посадочная полоса для общепланетарного транспортного средства (ОТС) представляет собой эстакадное строение, расположенное по линии экватора [1]. Оно объединяет в себе различные функции, основными из которых являются пассажиро- и грузораспределение, создание сухопутных и океанических (морских) взлётно-посадочных площадок по длине экватора, а также вокзалов прибытия/ отправления и транспортно-логистических узлов.

Факторы, определяющие геометрию водных участков пути, можно разделить на внешние (морские течения, волны, ветер, проплывающие суда и др.) и внутренние. Основной внутренний фактор - движение транспортных средств (ТС), суммарно влияющих на геометрию подводного плавучего тоннеля и его положение. Существующие исследования плавучих тоннелей [2-4] направлены на изучение воздействия внешних факторов без учёта внутренних. Для применения таких сооружений в качестве автомобильных магистралей этого достаточно, но к конструкции плавучего тоннеля

необходим комплексный подход из-за различных требований к структурным элементам. Самые жёсткие условия предъявляются к гиперскоростному транспортному комплексу, что связано со сверхвысокими скоростями движения (более 1000 км/ч), правилами безопасности при перевозке пассажиров в форвакуумных тоннелях и чрезвычайной чувствительностью к ровности путевой структуры.

Взаимное расположение транспортных путевых комплексов считается ключевым аспектом при составлении схемы нагрузок на плавучий тоннель, что нуждается в подробной проработке компоновки экваториальной эстакады.

Конструктивно-компоновочные решения и схема расположения нагрузок плавучего тоннеля

На рисунке 1 показано двумерное схематическое изображение рекомендуемой компоновки конструкции подводного плавучего тоннеля, служащего взлётно-посадочной площадкой для ОТС.

Зона упругой деформации

Перрон

Гиперскоростное ТС

Грузовое ТС

Коммуникации I

Продуктопровод/балласт

12 000 мм

Рисунок 1 - Вариант компоновочного решения океанического участка подводной плавучей эстакады в зоне посадочной станции

Плавучая эстакада геометрически разделена на четыре функциональные зоны. В центральной нижней части располагается продуктопровод/балласт, необходимый для регулировки плавучести сооружения и доставки пресной воды; сечение сектора имеет площадь 11 м2 в поперечнике [5]. Поскольку балластная вода идёт сплошным потоком, то она принята как статическая непрерывная нагрузка и в расчёте волновых возбуждений не учитывалась. По краям балластного отсека находятся отсеки, предназначенные для коммуникаций. Выше размещена зона грузовых ТО - основная возмущающая нагрузка. Над грузовыми отсеками базируются тоннели, созданные для движения форвакуумных гиперскоростных ТО. Предлагаемая конструкция характеризуется симметричной компоновкой, следовательно, направление движения можно не принимать во внимание. В верхней части - ложемент для приёма и старта ОТО с участком посадки и загрузки транспортных отсеков.

Главным конструктивным элементом внутренних компонентов является железобетон, придающий тоннелю

требуемые прочность и вес. Несущая бетонная стена имеет наружный диаметр 12 м и общую толщину 0,6 м (рисунок 2].

Труба форвакуумного тоннеля разделена внутренними железобетонными перегородками. Пространство за перронами и посадочными отсеками в продольном направлении используется как коридор для эвакуации и технического обслуживания конструкции без изменения сечения, что даёт тоннелю постоянную жёсткость на протяжении всего пролёта. Так как зона упругой деформации состоит из пеноматериалов и достаточно тонкой коррозионно-стойкой гидроизоляционной оболочки [6], их характеристиками в расчёте пренебрегли как несущественными.

Предлагаемый вариант конструкции (при средней плотности морской воды в экваториальной зоне 1020 кг/м3) имеет массу 115,3 т/пог. м. В случае применения бетона плотностью 2500 кг/м3 в качестве основного конструкционного материала его приведённая площадь (для обеспечения нулевой плавучести] составит 46 м2 (без учёта компенсации жидким балластом].

Приёмник ОТО

Гиперскоростные тоннели

Тоннели для эвакуации и технического обслуживания

Грузовые тоннели

Рисунок 2 - Вариант компоновочного решения океанического участка подводной плавучей эстакады в межпролётном сечении

Для труб предложено использовать специальный высокопрочный бетон с волокнистым наполнителем, имеющий модуль Юнга 30 ГПа. Во избежание трещинообразования внешняя оболочка обжата продольной арматурой, при этом конструкция в целом растянута для устойчивости и сопротивляемости поперечным нагрузкам и изгибающим моментам. Такой эффект достигнут за счёт сегментирования трубы и применения различных по функционалу предварительно напряжённых струнных элементов в конструкции. Вместе с тем тоннель защищён от направленных на него гидростатических и гидродинамических сил [5].

Благодаря продольному направлению течений на экваторе и обеспечению минимальной плавучести тоннеля конструкция эстакады предусматривает максимальную длину пролётов; в качестве расчётных межопорных расстояний приняты 400 м, 800 м и 1200 м. Данные промежутки гарантируют требуемую жёсткость и прочность несущей части сооружения. Пролёты образованы тягами, идущими к якорям-фундаментам; при этом постоянно действующая на тоннель внешняя избыточная нагрузка - выталкивающая сила за вычетом веса тоннеля - направлена (в отличие от традиционных наземных эстакад) не вниз, а вертикально вверх.

Анализ влияния

движущегося транспортного средства на тоннель

Исходные данные:

• бетон с модулем Юнга 30 ГПа;

• диаметр тоннеля - 12 м;

• толщина стенки - 0,6 м;

• длина фиксированного участка (пролёта) - 400 м, 800 м, 1200 м;

• расчётная масса - 115 300 кг/пог. м;

• плотность водной среды - 1020 кг/м3;

• расчётная жёсткость на изгиб - 1,5 * 1010 кН/м;

• глубина погружения тоннеля - 50 м;

• коэффициент сопротивления формы - 0,55 (длинный цилиндр);

• вес одиночного гружёного грузового ТС - 54 000 кг;

• вес одиночного пассажирского ТС - 10 000 кг;

• длина одиночного гиперскоростного ТС - 12 м;

• длина одиночного грузового ТС - 22 м;

• периодичность движения транспорта - 90 с;

• расчётная скорость гиперскоростного ТС - 333 м/с (1200 км/ч);

• расчётная скорость грузового ТС - 41,7 м/с (150 км/ч).

Введены допущения:

• нагрузка от ТС равномерно распределяется по длине пролёта;

• ТС движется с постоянной скоростью.

2й-схема нагрузок, воспринимаемых плавучим тоннелем, показана на рисунке 3.

ТС во время движения образуют дополнительные гравитационные силы и силы инерции как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. Кроме того, из-за вне-центрового расположения транспортных тоннелей появляется крутящий момент. Гравитационные и инерционные силы, действующие на пролёт, выражены уравнением:

el

F = -р + ma) I b(Ex - E),

E= ei

где Pk - гравитационная сила;

m - масса движущегося ТС;

а- вектор ускорения;

б - функция двух переменных, или дельта-функция Кронекера;

Ex - участок, подверженный нагрузке;

E - все участки от ei (начальный) до el (последний), подверженные движущейся нагрузке на определённом временном интервале.

Расчёт проведён в ANSYS Workbench.

Рисунок 3 - 2й-схема нагрузок, воспринимаемых плавучим тоннелем

На рисунке 4 представлен общий вид расчётной моде- В качестве внешних нагрузок принято давление ли океанического участка подводной взлётно-посадочной на стенки тоннеля на 50-метровой глубине - 500 000 Па. эстакады ОТО. Возвращение в исходное положение после проезда ТО

D: 0,023 % от плавучести

■ Gruz_2: 0.N

■ Giper_3: 0.N

■ Gruz_2 2: 0.N

■ Giper_2: 0.N

Щ Pressure: 0.505215 MPa

Ш 2 01

Щ Force:10. N

■ Giper_1: 98066.5 N

■ Gruz_1: 529559.1 N Щ Fixed Support

1,5 x 104 мм

4,5 x 104 мм

Рисунок 4 - Общий вид расчётной модели океанического участка подводной взлётно-посадочной эстакады ОТО

происходит за счёт положительной плавучести, равной 0,023 % от общей плавучести трубы, что соответствует транспортной нагрузке. Воздействие от транспорта (для моделирования кручения в конструкции и определения угла поворота) прикладывали поочерёдно в центре пролёта каждого расчётного исполнения с одной стороны. Концы пролётного участка жёстко фиксировались. Общий вид расчётной модели, отображающий конечно-элементную сетку, показан на рисунке 5.

Анализ предварительных расчётов позволил пересмотреть предельные нагрузки на пролёт и допустить к эксплуатации контейнеровозы юниконт с максимальной массой 54 тонны. Дальнейшие вычисления велись для предельных нагрузок в случае одновременного нахождения четырёх ТС (двух грузовых и двух гиперскоростных) в центре пролёта (рисунок 8). Результаты представлены в таблице 1 и на рисунке 9.

5 х 103 мм

1 х 104 мм

С: 0,023 % от плавучести 3,2357 Мах

плавучести

1 3,235/ мах

2,4135

1,9295

1,4454

0,96135

0,47729

-0,0067636 ^^

-0да8 ГУСЬ „

.

2,5 х 103 мм

7,5 х 103 мм

-1,4589 -1,943 -2,427 -2,9111 -3,3952 -3,8792 Мт

1 х 104 мм 2 х 104 мм

□

5 х 103 мм 1,5 х 104 мм

Рисунок 5 - Общий вид расчётной модели, отображающий конечно-элементную сетку

Рисунок 6 - Деформации по оси У от действия избыточной подъёмной силы, мм

Результаты расчёта прогиба тоннеля

Во время низкой интенсивности движения благодаря 0,023 % положительной плавучести конструкция волнообразно выгибается на каждом пролёте на 3,2 мм вверх (рисунок 6), что даже на пролёте 400 м является допустимой погрешностью при строительстве. Однако при проведении расчёта данная величина учтена для получения наиболее точных результатов.

Предварительные расчёты и исследование эффектов волновых возбуждений и вертикальных откликов от одиночных ТС [5] показали, что значения вертикального перемещения (прогиба) плавучего тоннеля составили менее 1 мм в середине пролёта (рисунок 7) - вне зависимости от скорости.

Перемещение тоннеля значительно меньше по сравнению с волновыми возбуждениями, вызванными штормом или подводным землетрясением, что подтверждают и другие исследования [7, 8]. Продолжительность прогиба пролёта при прохождении ТС уменьшается с увеличением скорости, в то время как его величина остаётся практически одинаковой независимо от скорости движения (в пределах 3 % погрешности).

0,002 0

-0,002

0,002 0

-0,002

0,002 0

-0,002

60

60

60

120

120

120 Время, с

Скорость 10 м/с

180

240

Скорость 30 м/с

V V V

180

240

Скорость 50 м/с

V V V

180

240

Рисунок 7 - Графики зависимости вертикальных перемещений тоннеля на пролёте от скорости проезда грузового транспорта весом 25 тонн

C: 0,023 % от плавучести

В 86,279 Мах 65,836 45,392 24,949 4,5056 -15,938 -36,381 -56,825 -77,268 -97,711 -118,15 -138,6 -159,04 -179,48 -183,08 Min

.

0

2,5 х 104 мм

L

5 х 104 мм

1,25 х 104 мм 3,75 х 104 мм

Рисунок 8 - Деформации по оси Кпролёта длиной 800 м при проезде ТС, мм

Таблица 1 - Характеристики движения гиперскоростного ТС при вертикальном прогибе плавучего тоннеля, вызванном проездом ТС общей массой 128 тонн (при различной длине пролётов)

Длина пролёта, м Расстояние приложения нагрузки, м Вертикальный прогиб, мм Уклон, % Перепад высоты при шестиметровой опорной базе, мм Время проезда пролёта, с Частота колебаний, Гц

400 200 21 0,105 0,63 1,2 0,83

800 400 183 0,46 2,76 2,4 0, ГО

1200 600 414 0,69 4,14 3,6 0,28

400

300

200

100

21

-Ш

414

200 400 600 800 Длина пролёта, м

1000

1200

Рисунок 9 - График зависимости вертикальных перемещений тоннеля от длины пролёта при одновременном нахождении в центре пролёта четырёх ТС общей массой 128 тонн

Расчёты показали, что при изменении длины пролёта в два раза (с 400 м до 800 м) прогиб увеличился более чем в восемь раз (кубическая зависимость), дальнейшее удлинение пролёта в 1,5 раза (с 800 м до 1200 м) привело к возрастанию прогиба в 2,26 раза (квадратичная зависимость). Для определения более точного графика зависимости необходимы дополнительные расчёты с меньшим шагом изменения длины, однако для целей данных исследований выполненных вычислений достаточно.

Длина пролёта 400 м и менее не желательна, так как, учитывая время проезда участка, равное 1,2 с, частота вертикальных колебаний ТС составляет 0,83 Гц. Согласно [9] при частоте колебаний более 0,7 Гц возможны резонансные колебания в органах человека, что вызовет у пассажиров дискомфортные ощущения. При длине пролётов 1200 м прогиб 414 мм приведёт к его накоплению вследствие низкой скорости релаксации из-за малых значений плавучести тоннеля (0,023 %), что потребует или увеличения периодичности движения ТС, или повышения значения плавучести тоннеля в 2,5 раза. Следовательно, исходя из расчётов, оптимальная длина пролётов находится в диапазоне 700-900 м.

0

0

Результаты расчёта кручения тоннеля

При одностороннем движении ТС появляется крутящий момент, способный нарушить симметричное расположение тоннеля, что обуславливает изменение горизонтальности расположения поверхностей головок рельсов и понижение одного рельса относительно другого. В качестве негативного последствия для движения гиперскоростных ТС получен наклон транспорта и боковая смещающая сила, требующая компенсации.

Расчёт проведён для сонаправленного движения гиперскоростного и грузового ТС общей массой 64 тонны при их пересечении в центре пролёта (рисунок 10).

Результаты расчёта (таблица 2) показали высокую крутильную устойчивость для всех расчётных длин пролётов и крайне незначительные углы поворота, что позволяет в дальнейшем пренебречь данным возмущающим фактором.

Результаты расчёта нормальных напряжений тоннеля при проезде транспортного средства

В процессе расчёта также оценены нагрузки, воспринимаемые железобетоном как основным конструктивным элементом плавучего тоннеля. С учётом возможных несимметричных воздействий напряжения оценивались как в вертикальном (ось К), так и в горизонтальном поперечном (ось X) направлениях (рисунки 11, 12, таблица 3).

Как показано на рисунках 11, 12, внешняя оболочка находится в обжатом состоянии, за исключением точечных концентраторов на стыках сегментов моделей. При конструировании данные места потребуют усиленного армирования, что обеспечит способность сооружения на протяжении нормативного срока службы сохранять работоспособность при установленной системе обслуживания.

5 х 103 мм

1 х 104 мм

□

9,4078196 х 10-4 4 х 10-4

V 0

О С^

о

§ -4 х 10-4

с; О

^ -8 х 10-4 -1,2 х 10-3 -

-1,6100 87 х 10-3

0

2,5 х 103 мм

2,5

7,5 х 103 мм

Рисунок 10 - Поворот сечения трубы при проезде ТС на пролёте длиной 800 м

5 7,5

Время, с

10 11

Таблица 2 - Характеристики путевой структуры гиперскоростного тоннеля при кручении плавучего тоннеля, вызванном односторонним проездом ТС общей массой 64 тонны (при различной длине пролёта)

Длина пролёта, м Расстояние приложения нагрузки, м Угол поворота, ° Перепад высоты рельсов при 1,5-метровой колее, мм

400 200 0,001 0,026

800 400 0,0016 0,042

1200 600 0,0024 0,063

8

0

C: 0,023 % от плавучести 3,632

I

3,0457

2,4594

1,873

1,2867

0,7004

0,11409

-0,47223

-1,0585

-1,6449

-2,2312

-2,8175

-3,4038

-3,9901

-4,5764

1,75 х 104 мм 5,25 х 104 мм

Рисунок 11 - Нормальные напряжения по оси Хпри проезде ТС пролёта длиной 800 м, МПа

C: 0,023 % от плавучести 4,8407 Max 2,264 1,6322 1,0004 0,36858 -0,26322 -0,89501 -1,5268 -2,1586 -2,7904 -3,4222 -4,054 -4,6858 ■ -5,3176 ' -5,9494 Min

0

2,3817587

1,818454

12,1766258)--2,9020971 х 1Q-3>

2

10,16479159

3,5 х 103 мм

7 х 103 мм

Y А

1,75 х 103 мм 5,25 х 103 мм

Рисунок 12 - Нормальные напряжения по оси У при проезде ТС в середине пролёта длиной 800 м, МПа

Z

Таблица 3 - Значения напряжений в плавучем тоннеле

при проезде ТС общей массой 128 тонн (при различной длине пролёта)

Длина пролёта, м Расстояние приложения нагрузки, м Нормальные напряжения по оси X МПа Нормальные напряжения по оси Y, МПа

400 200 3,5 3,9

800 400 3,6 4,8

1200 600 4,6 4,2

Выводы

и дальнейшие направления исследования

Приведённые в статье основные технические решения, принимаемые при проектировании экваториальной эстакады ОТС, могут быть реализованы при современном технологическом уровне транспортного строительства. Расчёты показывают устойчивость предлагаемой компоновки и описанной конструкции к внутренним нагрузкам, что свидетельствует о технической возможности осуществления данного проекта. В то же время полный учёт всех факторов, оказывающих влияние на экваториальную эстакаду на протяжении её жизненного цикла (при строительстве, эксплуатации, модернизации и утилизации), снизит риски и увеличит срок службы конструкции в целом. Такой подход даёт возможность более детально проработать как отдельные элементы, так и всю эстакаду во взаимодействии с транспортными, природными и техногенными нагрузками, что позволит найти наиболее

оптимальные технические и технологические решения по её созданию.

В статье подробно рассчитано влияние проезжающих ТС на волновые колебания тоннеля, погружённого в воду на глубину 50 м (ниже осадки крупных морских судов и впадин самых высоких волн) для обеспечения плавного и комфортного движения гиперскоростного транспорта. Данное исследование требует продолжения, при котором будут учтены все внешние возмущающие факторы и их синергия. Кроме того, авторами предложен вариант компоновки эстакады ОТС и описан функционал отдельных зон, что также нуждается в техническом и экономическом анализе.

Литература

1. Юницкий, А.Э. Струнные транспортные системы: на Земле и в Космосе: науч. издание /А.Э. Юницкий. - Силакрогс: ПНБ принт, 2019. - 576 с.: ил.

3.

4.

6.

Simplified Analysis for Estimation of the Behavior of a Submerged Floating Tunnel in Waves and Experimental Verification / S. Seo [et a.] // Marine Structures. - 2015. -Vo. 44. - P142-158.

Xiang, Y. Challenge in Design and Construction of Submerged Floating Tunnel and State-of-Art/ Y. Xiang, Y. Yang// Procedia Engineering. - 2016. - Vol. 166. - P. 53-60.

Numerical Simulation of the Coupled Dynamic Response of a Submerged Floating Tunnel with Mooring Lines in Regular Waves / C. Cifuentes [et al.]// Ocean Systems Engineering. - 2015. - Vol. 5, No. 2. - P109-123. Юницкий, А.Э. Разработка конструкции, изыскания и проектирование экваториальной эстакады общепланетарного транспортного средства /А.Э. Юницкий, Д.И. Бочкарёв, С.В. Артюшевский//Вестник РУДН. Серия: Инженерные исследования. - 2021. - № 2. - С. 205-216. Юницкий, А.Э. Водные океанические участки с плавучей эстакадой общепланетарного транспортного средства /

А.Э. Юницкий, С.В. Артюшевский // Безракетная индустриализация ближнего космоса: проблемы, идеи, проекты: материалы III междунар. науч.-техн. конф., Марьина Горка, 12 сент. 2020 г. /Астроинженерные технологии, Струнные технологии; под общ. ред. А.Э. Юниц-кого. - Минск: СтройМедиаПроект, 2021. - С. 152-169.

Jin, C. Dynamic Responses of a Moored Submerged Floating Tunnel under Moving Loads and Wave Excitations / C. Jin, M. Kim // The 28th International Ocean and Polar Engineering Conference, Sapporo, 10-15 June 2018: in 4 vol. / International Society of Offshore and Polar Engineers. - Cupertino: ISOPE, 2018. - Vol. 3. - P. 278-283.

Displacement Response of Submerged Floating Tunnel Tube due to Single Moving Load / Z. Yuan [et al.] // Procedia Engineering. - 2016. - Vol. 166. - P143-151. Современные решения задач безопасности в квалификационных инженерных работах / В.М. Дмитриев [и др.]. - Тамбов: ТГТУ 2010. - 21 с.

7.