К ВОПРОСУ О РАБОТЕ УЗЛОВ ЗАКРЕПЛЕНИЯ СВАЙ МОРСКИХ СТАЛЬНЫХ ПЛАТФОРМ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

спортом, например, такси.

3. Имеется возможность получить весьма достоверную статистику о загруженности всех станций линии и использовать её, в дальнейшем, для совершенствования используемых моделей и решения возникающих научных проблем.

Список литературы

1. Вентцель Е.С. Теория вероятностей: Учеб. для вузов. — 4-е изд. стер. — М.: Высш. шк., 1999.— 576 с.

2. Коршунов, Ю.М. Математические основы кибернетики издание второе, переработанное и дополненное/ Ю.М. Коршунов. - Москва: Энергия, 1980.

3. Рогальский Е.С., Кузьмин В.И. Оптимизация об-

служивания пассажиропотоков станцией метрополитена // Отечественная наука в эпоху изменений: постулаты прошлого и теории нового времени. - 2015. - №7 (12) часть 2. С. 74.

4. Рогальский Е.С., Кузьмин В.И. Оптимизация обслуживания пассажиропотоков станцией метрополите-на.//Отечественная наука в эпоху изменений: постулаты прошлого и теории нового времени. - 2015. - №7 (12) часть 2. С. 74.

Режим доступа: http://issuu.com/national-science/ docs/national_12_p2/1

Время доступа (дата обращения): 06.11.2015, доступ свободный.

К ВОПРОСУ О РАБОТЕ УЗЛОВ ЗАКРЕПЛЕНИЯ СВАЙ МОРСКИХ СТАЛЬНЫХ _ПЛАТФОРМ

Синцов Владимир Петрович

канд. т. наук, доцент Крымского Федерального Университета

Митрофанов Владимир Алексеевич

канд. т. наук, доцент Крымского Федерального Университета

Синцов Александр Владимирович

канд. т. наук, доцент Крымского Федерального Университета TO THE QUESTION 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 Mitrofanov Vladimir A., Candidate of Sciences, associate professor of Crimean Federal University

АННОТАЦИЯ

Предложено усовершенствованное конструктивное решение узла закрепления трубчатых свай морских стальных платформ (МСП). Приведена формула для вычисления шага противосдвиговых ребер, позволяющая предопределить характер разрушения узла соединения «направляющая-свая» от смятия бетонного заполнения.

ABSTRACT

An improved design solution knot fastening steel pipe piles of sea stationary platforms. The formula for calculating the pitch protivosdvigovyh edges allow you to predetermine the nature of the destruction of the connection node «guide-pile» of crushing concrete filling.

Ключевые слова: морская платформа, свая, ребра, бетонное заполнение.

Key words: offshore platforms, piles, ribs, concrete filling.

Самая многочисленная группа гидротехнических сооружений на морском шельфе (80%) - платформы на свайном основании. Первая платформа была построена вблизи о. Артема в 1936 г. в Каспийском море на 11 лет раньше, чем в США. Первоначально это были обычные свайные основания инж. Тимофеева Н.С. и Рагинского Б.А. [1].

Закрепление опорного блока МСП к морскому дну состоит из двух операций: погружение свай в морское дно до проектной отметки и соединение свай с элементами опорного блока. Одним из первых узлов - узел соединения сваи со стойкой опорного блока МСП в уров-

не палубы (рис.1.).

Группируя морские платформы с опорным блоком на свайном основании, по месту расположения соединительного узла сваи с опорным блоком, можно выделить:

- основания с соединением в уровне палубы;

- основания с соединением по всей длине опорной стойки;

- основания с укороченными узлами соединения;

- основания, закрепленные юбочными сваями через направляющие;

- основания с комбинированным закреплением.

Рис. 1. Узел соединения сваи со стойкой опорного блока МСП в уровне палубы: А - с помощью стальных пальцев с последующим креплением накладок сваркой; Б - на сварке; 1- стойка опорного блока; 2 - свая; 3- стальной палец; 4 - соединительные вкладыши.

Конструктивные решения узлов закрепления свай МСП. С увеличением глубины моря в районе месторождений углеводородов, на которых устанавливаются платформы, изменяются пропорции опорного блока и конструкция узла закрепления свай в опорном блоке [2]. Был предложен узел, в котором межтрубное пространство между опорной стойкой и сваей заполнялось мелкозернистым бетоном на всю длину соединения (рис.2.). При таком виде соединения сваи с опорной

стойкой изменялась работа всего опорного блока. В этом случае пространственная ферма опорного блока МССП со сваями работают совместно, в то время как в случае соединения свай в уровне палубы, опорный блок придавал лишь жесткость всей пространственной системе, а все нагрузки воспринимали сваи. Соединение такого типа было названо гладкоствольным узлом [3]. Для удержания жидкого бетона в межтрубном пространстве применяются пакерные устройства.

Рис. 2. Гладкоствольный узел закрепления свай:

А - пакерное устройство; 1 - стойка; 2 - свая; 3,4 - трубы воздуха и бетонопроводов; 5 - бетон; 6 - резиновая диафрагма; 7 - направляющая.

Бетон в гладкоствольных узлах воспринимает циклические нагрузки, вызванные периодическим приложением ветровой, и волновой или ледовой нагрузок к сооружению. Сам мелкозернистый бетон расположен в морской воде, которая способствует его размягчению, за счет адсорбционного эффекта, что отмечено в работах [4]. Следует также учесть, что при твердении бетона ему свойственен процесс усадки. При усадке в рассматриваемой конструктивной форме возможно частичное или даже полное отслоение бетона от ме-

таллических поверхностей, что может привести к отказу узла. Поэтому при подборе состава бетона для данных узлов предъявляются жесткие требования по учету всех выше перечисленных факторов, влияющих на прочность соединения.

На поверхностях металла, особенно на внутренней поверхности прокатных труб, имеются участки, покрытые окалиной или подверженные воздействию коррозии, снижающие сцепление между бетоном и металлом. Незначительная коррозия металлической

поверхности, как указывается в работе [5], увеличивает прочность соединения. При сильной коррозии на поверхности металла остаются продукты коррозии в виде рыхлой среды, снижающие величину сцепления. После установки опорного блока в море работы по забивке свай и соединению их с опорным блоком продолжаются в течение нескольких месяцев. За это время происходит обрастание металлических поверхностей стоек и свай морскими водорослями и микроорганизмами. После заполнения межтрубного пространства, водоросли погибают, что ведет к образованию зазора между металлом труб и бетоном. В [6] приведены данные обследования узлов соединения МСП после двенадцатилетней эксплуатации. Результаты показали, что имеются узлы со слабой адгезией бетона к металлу, а на некоторых участках соединения бетон полностью отсутствует. Таким образом, прочность соединения в гладкоствольном узле зависит: от состояние поверхности труб, прочности и качества бетонного заполнения, набухания или усадка бетонного заполнения и наличия бетонного заполнения по всей длине соединения.

Достоинство гладкоствольных узлов соединения свай - относительная простота изготовления узлов соединения, а основной недостаток - повышенный расход металла и бетона, связанный с выводом оголовка сваи на уровень палубы. Каждая стойка опорного блока платформы обладает большой площадью сечения до 1700 см2 и может самостоятельно воспринять нагрузку до 600000 КН, передаваемую на сваю [7]. Если уменьшить длину соединения в рассматриваемом примере до 30 м [7], а такие соединения предусмотрены в проектах этой же компании для юбочных свай на основаниях большей глубины, то расход металла и бетона на один блок сократятся соответственно на 900 тонн и 350 м3 , кроме того, сократится и время производства

А

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.4 представлена расчетная схема

работ. Морские основания, закрепляемые сваями, проходящими только через опорные стойки, в зарубежных источниках условно относятся к основаниям первого поколения.

С увеличением глубины установки МСП и при наличии значительной ледовой нагрузки несущая способность свай, забитых через стойки опорного блока, оказывается недостаточной 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 Аналогичная схема закрепления посредством основных и «юбочных» свай часто встречается при закреплении глубоководных платформ: например в Мексиканском заливе: «Cognac» - 10 основных свай, 24 юбочных [9]; «Cerveza» - 8 основных, 16 юбочных [8]; «Chevron» - 8 основных, 12 юбочных [10].

Основным узлом соединения является узел соединения сваи с направляющей опорного блока МСП с кольцевой навивкой в зоне контакта с бетонным заполнением уровне палубы (рис.3.).

Работа межтрубного 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 [11, 12] 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 Залесо-ва А.С., происходит образование критической наклонной трещины.

бетонного заполнения в соединении в соответствии с работой [12] на раскалывание. В нашем случае при

отношении = 1...2, трещина предположительно развивается прямолинейно от одного ребра (верхнего) на направляющей к другому (нижнему) на свае, а исчерпание несущей способности наступает в резуль-

Рис. 3. Узлы соединения свай со стойками опорного блока с кольцевой навивкой в зоне контакта с бетонным заполнением: А - уголковое сечение навивки; Б - круглое сечение навивки.

тате раскалывания бетона сжатой зоны по направ- концами клиньев. Несущая способность бетона на

лению развития критической наклонной трещины. раскалывание будет состоять из двух составляющих:

Разрушение раскалыванием происходит за счет сдви- из сопротивления по боковой поверхности клиньев

га по боковой поверхности клиньев, образующихся у и из сопротивления по сечению между концами этих

ребра, передающего нагрузку. Сдвиг клиньев по боко- клиньев, ориентируемых по линии, соединяющей цен-

вой поверхности вызывает растяжение бетона между тры смежных ребер (рис.4).

установленных под углом к продольной оси соединения. 1 - опорная стойка МССП; 2 - направляющие «юбочных» свай; 3-«юбочная» свая; 4 - бетонное заполнение; 5 - ребра на поверхностях труб в зоне контакта с бетонным заполнением.

Б - Расчетная схема бетонного заполнения на раскалывание в соответствии с работой [12].

Величина предельной силы, вызывающей раскалывание с учетом смещения центров смежных ребер от вертикали, запишется согласно [12] в виде

Т < + )/(ят у + 2 сов у~) (1)

где F1 - сила, определяемая сопротивлением клиньев с шириной основания ^ ; F2 - сила, определяемая сопротивлением растянутой зоны между конусами клиньев; у - угол наклона к горизонтали линии, соединяющей центры ребер.

Чтобы получить желаемую схему работы соединения, необходимо установить зависимость между шагом смежных ребер на поверхностях направляющей и сваи I, размерами ребра, толщины бетонного заполнения и прочностными деформационными характеристиками бетона заполнения.

Установка смежных ребер на поверхностях труб, которые контактируют с бетонным заполнением, характеризуется шагом 11 и углом наклона ф продольной оси ребра к продольной оси соединения, высотой ребра ^ (рис.4). Учитывая, что при установке ребер под углом ф отличным от нуля к оси образующей сваи, ребро будет опоясывать сваю по эллипсу с длинной

L ^пП.

1.51 I + -L_ 2 2 cos w

(2)

J 4 cos w

обозначив выражение в скобках через коэффициент ф , для узлового соединения, в котором ребра установлены на поверхностях труб так, что продольная ось ребра образует с продольной осью соединения угол ф, и в соответствии с положениями работы [12] величины сил и запишем в виде:

FI = ш, ■ R -у-п-П ■ ts ; F = m2 ■ R -у-Пх \lx - ts) (3)

где Rht - расчетное сопротивление бетона межтрубного заполнения осевому растяжению; t3 - ширина выступа ребра; D1 - наружный диаметр внутренней трубы (сваи); l1 - шаг ребер; m1, m2 - обобщенные коэффициенты m1=8, m2=2 по [12].

Деформации бетонного заполнения в узле соединения происходят в стесненных условиях, так как он оказывается заключенным в стальную обойму. В работе [13] приводятся данные для трубобетонных элементов установлен эффект повышения прочности бетона в трубобетонных конструкциях, зависящий в основном, от толщины стенки трубы (обоймы) t:

1

Таблица 1

t/D 0,01 0,02 0,03

эффект повышения прочности бетона k1 1,74...1,88 2,02.2,34 2,34.2,72

Величину силы, вызывающей раскалывание бетона, запишем в виде

ц к1 ■ Rt ■ п ■ Dít¡

T--

m + m2 | — - 1

sin y + 2 cos y (4)

Сила, которую может воспринять ребро из условия смятия бетонного заполнения, запишем в виде

T < R A

1 loe ~ loc1 Aloc

(5)

где Rboc = kj ■k2

■ Rt расчетное сопротивление бетона смятию с учетом эффекта обоймы; Aloc - площадь контакта клиновидной зоны и бетона.; k2 - коэффициент, учитывающий повышение расчетного сопротивления табл.1.

Сила, воспринимаемая ребром из условия смятия бетонного заполнения:

Toc = k -k2-k3 ■ RbЦ-ts (6) где k3 - коэффициент, учитывающий изменение площади контакта в зависимости от угла в основании клиновидной зоны [18].

Приравняв, формулы (4) и (6), произведя преобразования получим величину шага смежных ребер l1, которая указывает на наиболее вероятный характер разрушения бетонного заполнения соединения

l1 > t 1 ^

■Rb

(sin y + 2 cos y) - 3

(7)

Вывод. При величине 11, большей определенного по формуле (7) разрушение узла соединения «направляющая - свая» будет происходить вследствие смятия бетонного заполнения под ребрами на поверхностях труб в зоне контакта с заполнением, такое разрушение узла соединения является более предпочтительным.

Список литературы

1. Кулиев И.П. Основные вопросы строительства

нефтяных скважин в море. - Баку: Азернефтнешр. 1958. - 371 с.

2. Симаков Г.А., Шхинек К.Н., Смелов В.А. Морские гидротехнические сооружения на континентальном шельфе. - Л.: Судостроение, 1989. - 328 с.

3. Заявка 1497470 Великобритания, МКИ Е 02 В 17/00. Grouting system and arrangement for offshore structure: Заявка 1497470 Великобритания, МКИ Е 02 В 17/00/ Lynes Inc. - № 50846/75; Заявл. 11.12.75; Опубл. 05.01.78; приор. США № 603029 от 04.08.75; НКИ Е1Н. -29 с.

4. Вербецкий Г.П., Прочность и долговечность бетона в водной среде. - М.: Стройиздат, 1976. - 127 с.

5. Yamasaki T., Hara M. Static and dynamic tests cement-grouted pipe-to-pipe connections // The 12 annual Offshore Technology Conference in Houston. - 1980. -0TC-3790. - P. 467-476.

6. Autopsy of early North Sea platform provides surprises // Ocean Industry. - 1979. - Vol.17, №8. - P. 56 - 58.

7. ЭТПМ / Платформы и модули. - 1983. - С. 3-5.

8. Cerveza: getting the world's largest one-piece jacket // Ocean Industry. - 1981. - Vol.16, №10. - P. 89-91.

9. Cognac // Ocean Industry. - 1979. - Vol.14, №7. - P. 69-73.

10. Chevron's Garden Banks Platform // Ocean Industry. - 1979. - Vol.18, №11. - P. 51-52.

11. 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.

12. Залесов А.С., Климов Ю.А. Прочность железобетонной конструкции при действии поперечных сил. - К.: «Буревестник», 1989. - 104 с.

13. Стороженко Л.И., Плахотный П.И., Черный Ф.Я. Расчет трубобетонных конструкций. - К.: Будивэльнык, 1991. - 120 с.