CC BY
14
ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ ЭЛЕМЕНТОВ УЗЛОВ ЗАКРЕПЛЕНИЯ СВАЙ МОРСКИХ СТАЛЬНЫХ ПЛАТФОРМ
Синцов Владимир Петрович
канд. т. наук, доцент Крымского Федерального Университета
Синцов Александр Владимирович
канд. т. наук, доцент Крымского Федерального Университета
Оборонков Василий Григорьевич
магистрант Крымского Федерального Университета
RESEARCH WORK OF PROVIDING PILES OF STEEL OFFSHORE PLATFORM
Sintsov Vladimir
Candidate of Sciences, associate professor of Crimean Federal University
Sintsov Alexander
Candidate of Sciences, associate professor of Crimean Federal University
Oboronkov Vasily
graduate student of the Crimean Federal University
АННОТАЦИЯ
Приведены результаты исследований по определению напряженно-деформированного состояния (НДС) элементов усовершенствованного узла закрепления трубчатых свай морских стальных платформ (МСП), позволяющие предопределить характер разрушения бетонного заполнения узла соединения «направляющая-свая» в зависимости от шага противосдвиго-вых ребер.
ABSTRACT
The results of researches on definition of the intense deformed Sate (IDS) of elements of advanced knot of fixing of tubular piles of the Seel offshore platforms (SOP) allowing to predetermine nature of detraction of concrete filling of knot of the guide pile connection depending on a Sep of antishift e ribs are given.
Ключевые слова: морская платформа, свая, ребра, бетонное заполнение.
Keywords: offshore platforms, piles, ribs, concrete filling.
Стальные платформы на свайном основании являются самой многочисленной группой гидротехнических сооружений, устанавливаемых на морском шельфе для добычи углеводородов [1].
С увеличением глубины установки МСП и при наличии значительной ледовой нагрузки несущая способность свай, забитых через стойки опорного блока, оказывается недоста-
точной для обеспечения устойчивости морского основания. В таких случаях забивают дополнительные, так называемые «юбочные» сваи, которые размещают либо по периметру опорного блока либо концентрируют их около опорных стоек - эти МСП именуются основаниями второго поколения (Рис. 1).
Рис. 1. Опорные блоки сквозной конструкции с различными вариантами размещения свай. А - только с окаймляющими, сгруппированными вокруг опорных колонн; Б - со сваями, закрепленными в низком ростверке.
Аналогичная схема закрепления посредством основных При закреплении платформы через «юбочную» направ-
и «юбочных» свай часто встречается при закреплении глубоководных платформ: например в Мексиканском заливе: «Cognac» - 10 основных свай, 24 юбочных [2]; «Cerveza» - 8 основных, 16 юбочных [3]; «Chevron» - 8 основных, 12 юбочных [4], МСП, установленная на месторождении «Архангельское» - 12 юбочных [5].
ляющую основным узлом соединения является узел соединения сваи с направляющей опорного блока МСП с кольцевой навивкой в зоне контакта с бетонным заполнением (рис.2.).
. - •
t
к-з
I I
-Ч —I
ЕЕ
_____I
п
Рис. 2. Узлы соединения свай со стойками опорного блока с кольцевой навивкой в зоне контакта с бетонным заполнением: А - уголко вое сечениенавивки; Б - круглое сечение навивки.
Работа межгрубного заполнения в соединении. Работа бетонного заполнения между смежными ребрами, установленными на поверхностях труб соединения, похожа по характеру на работу коротких железобетонных балок при действии поперечных сил. Результаты работы коротких железобетонных балок приведены в источниках [6,7] авторами Залесовым А.С., Климовым Ю.А. В коротких железобетонных балках при соотношении пролета среза к рабочей высоте сечения в пределах от 1 до 2, согласно теории Залесова А.С., происходит образование критической наклонной трещины.
В соединении с ребрами на поверхностях наружной и внутренней труб, которые контактируют с межтрубным заполнением, работа бетонного заполнения между смежными ребрами близка с работой коротких железобетонных балок на действие поперечной силы.
Поэтому на рис.3 представлена расчетная схема бетонного заполнения в соединении в соответствии с рабо-
той [7] на раскалывание. 13 нашем случае при отношении
гь/1 = 1...2
01 , трещина предположительно развивается пря-
молинейно от одного ребра (верхнего) на направляющей к другому (нижнему) на свае, а исчерпание несущей способности наступает в результате раскалывания бетона сжатой зоны по направлению развития критической наклонной трещины. Разрушение раскалыванием происходит за счет сдвига по боковой поверхности клиньев, образующихся у ребра, передающего нагрузку. Сдвиг клиньев по боковой поверхности вызывает растяжение бетона между концами клиньев.
Несущая способность бетона на раскалывание будет состоять из двух составляющих: из сопротивления по боковой поверхности клиньев и из сопротивления по сечению между концами этих клиньев, ориентируемых по линии, соединяющей центры смежных ребер (рис.3).
Для изучения напряженно-деформированного состояния элементов узла закрепления свай был применен ПК ЛИРА версии 9.6 [8]. В качестве конечного элемента для решения задачи по определению напряженно деформированного состояния узла использовали элемент оболочки.
В качестве прототипа компьютерной модели узла соединения сваи принят узел соединения со следующими параметрами: наружная труба - 325х6 мм, внутренняя - 219х7 мм, толщина заполнителя 47 мм, длина соединения 850 мм. Шаг ребер на поверхностях труб, контактирующих с заполнением 100 и 200 мм. Материал труб и ребер - сталь ВСт3ПС6, материал межтрубного заполнения - бетон класса по прочности В 12.5. При моделировании расчетной модели узла приняты следующие допущения:
- трубы представлены в виде двенадцатигранной призмы их прямоугольных элементов оболочек;
- бетонное заполнение выполнено из прямоугольных элементов оболочек и контактирует с трубами только через ребра, что исключает влияние сцепления заполнения непосредственно с элементами труб по длине узла.
Траверсу между узлом и опорной стойкой моделировали из прямоугольных элементов оболочек. Опорная стойка моделировалась в виде вертикального ребра с приведенной площадью, которое устанавливалось перпендикулярно ребру траверсы.
Нагрузка моделей узлов закрепления выполнялась ступенями по 100кН до момента, когда продольные напряжения в элементах труб узла достигали значения расчетного сопротивления по пределу текучести .
На рис.4 представлены мозаики распределения напряжений в элементах узла закрепления сваи (в наружной и внутренней трубах) по длине и по контуру узла на разных уровнях. Приведенные распределения напряжений в элементах узла позволяют подчеркнуть следующее:
- продольные напряжения в наружной трубе распределяются неравномерно как по длине узла, так и по контуру трубы;
- максимальные значения продольных напряжений в наружной трубе имеют элементы, расположенные непосредственно у вертикального ребра траверсы во втором и третьем уровнях от верхнего торца узла;
- продольные напряжения во внутренней трубе также распределяются неравномерно как по длине узла, так и по контуру трубы. Наиболее нагруженные элементы расположены у мест закрепления модели узла и по образующей, ось которой совпадает с осью вертикального ребра траверсы;
- максимальные касательные напряжения в элементах межтрубного заполнения имеют место в окрестностях образующей, ось которой совпадает с осью вертикального ребра траверсы.
-58.7 -48.8 -39.1 -29.3 -19.5 -9.77 -0.205 0.205 9.77 19.5 20.5
-495
-412
-329
-247
-165
-82.4 -0.214 0.214
21.4
Изотля напряжений го Му Единицы измерения - МПа
2.
№
Изотля напряжений го Му Единицы измерения - МПа
-99009000900090090000
Рис. 4. Изополя продольных нормальных напряжений. А - во внешней трубе узла и соединительном ребре, Б- во внутренней трубе узла.
После отслоения межтрубного заполнения от труб передача нагрузки в узле происходит только за счет работы ребер, которые установлены на поверхностях труб в зоне контакта с межтрубным бетонным заполнением.
Для получения более точного распределения напряжений в бетонном заполнении, последнее было разбито на более мелкие конечные элементы. Отсутствие сцепления бетонного заполнения с трубами узла моделировалось путем создания зазора в 2 мм между трубами и заполнением.
На рис.5 изображено распределение продольных напряжений в элементах модели узла закрепления сваи, на кото-
рой видна зона сжимающих напряжений. Сжимающие напряжения в бетонном заполнении узла распространяются в диагональном направлении от верхнего ребра на внутренней трубе к нижнему ребру на наружной трубе. В элементах межтрубного бетонного заполнения, которые контактируют с ребрами, установленных на трубах, просматривается образование клиновидной зона сжатия заполнения. По второй диагонали, которая соединяет другие ребра, установленные на трубах, видно образование растягивающих напряжений, которые способствуют разрушению бетонного заполнения от раскалывания по сжатой диагонали.
т
-210 -175 -140 -105 -69.9 -34.9 -0.351 0.351 34.9 35.1
Загружен® 2 Изогшя напряжений по Ny Единицы измерения - МПа
Ту -15000-15000 X
Рис. 5. Изополя продольных нормальных напряжений в бетонном заполнении при шаге противосдвиговых ребер 100 мм.
Вывод. Полученный результат распределения продольных напряжений в межтрубном бетонном заполнении между смежными ребрами, установленными на поверхностях труб, подтверждает достоверность использования теории А.С.Залесова для коротких бетонных элементов для расчета бетонного заполнения узла закрепления «юбочной» сваи.
Список литературы
1. Симаков Г.А., Шхинек К.Н., Смелов В.А. Морские гидротехнические сооружения на континентальном шельфе. - Л.: Судостроение, 1989. - 328 с.
2. Cerveza: getting the world's larger one-piece jacket // Ocean Indu^ry. - 1981. - Vol.16, №10. - P. 89-91.
3. Cognac // Ocean Industry. - 1979. - Vol.14, №7. - P. 69-73.
4. Chevron's Garden Banks Platform // Ocean Indu^ry. -1979. - Vol.18, №11. - P. 51-52.
5. Синцов В.П., Синцов А.В., Морская стальная платформа для месторождения Архангельское в Черном море // Международный научный институт "Educatio" Ежемесячный научный журнал. № 3 (10) / 2015. Часть 5. с. 6 - 10. ISSN 34567-1769.
6. Залесов А.С., Сахаров В.Н., Старчевский А.В., Соколов Б.С. Исследование работы железобетонных балок -стенок на действие поперечных сил // Новые исследования элементов железобетонных конструкций при различных предельных состояниях. - М.: НИИЖБ.- 1982. - С. 60-71.
7. Залесов А.С., Климов Ю.А. Прочность железобетонной конструкции при действии поперечных сил. - К.: «Буревестник», 1989. - 104 с.
8. ООО «Лира софт», Украина, Киев «ПК Лира 9.6»; Сертификат соответствия: № РОСС RU.СП15.Н00315 с 01.07.2010 по 30.06.2012 №0005618.
