CC BY
20А.Н. Ситное, Н.В. Кочкуроеа, И.В. Липатов
Особенности НДС одноанкерных больверков при изменении высотных параметров их ...
УДК 627.335
А.Н. Ситное, зав. кафедрой, профессор, д.т.н., ФГБОУВО «ВГУВТ» Н.В. Кочкуроеа, доцент, к.т.н, ФГБОУ ВО «ВГУВТ» ИВ. Липатов, д.т.н., ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603951, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
ОСОБЕННОСТИ НДС ОДНОАНКЕРНЫХ БОЛЬВЕРКОВ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ВЫСОТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИХ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Ключевые слова: причальное сооружение, одноанкерный больверк, анкерное устройство, анкерная тяга, анкерная плита, изгибающий момент, напряженно-деформированное состояние
Проводилось исследование влияния высотных параметров, а именно глубины погружения шпунта, положения точки крепления анкерной тяги, высоты шпунта на параметры напряженно-деформированного состояния (НДС) одноанкерного больверка из железобетонного шпунта. Результаты исследования позволяют производить оптимизацию конструкции, подбирая параметры разных частей сооружения по уровню возникающих в них усилий.
Проблемами исследования НДС портовых гидротехнических сооружений занимались многие как отечественные [1], [2], [3], [4], [5], так и зарубежные ученые [7], [8], [9] и другие.
Согласно существующим нормам проектирования причальных портовых сооружений, приведенным в Указаниях [11] устанавливаются следующие диапазоны изменения значений конструктивных элементов для одноанкерных больверков:
- глубина погружения шпунта назначается на (0,4-0,8)Нст;
- положение крепления анкерной тяги к шпунту (0,15-0,35)Нст;
- заглубление низа анкерной плиты (0,4-0,5)Нст;
- расстояние до анкерной плиты (1-2)Нст.
Оценка НДС выполнялась по значениям изгибающих моментов, возникающим в шпунте, а также анкерным реакциям в тяге. В нашем исследовании диапазон рассматриваемых значений расширен по большинству указанных выше параметров.
Проводились определения параметров НДС на примере гидротехнического сооружения одного из портов при изменении:
- положения точки крепления анкерной тяги к шпунту в диапазоне от 0,15Нст до 0,75Нст, при значениях 1,125 м; 1,5 м; 1,875 м; 2,25 м; 2,625 м; 3,0 м; 3,375 м; 4,125 м;
4.5 м; 4,875 м; 5,25 м; 5,625 м (рисунок 1а);
- глубины погружения шпунта в диапазоне значений от 0,4Нст до 0,8Нст, а именно 3,0 м; 3,75 м; 4,5 м; 5,25 м; 6,0 м (рисунок 1б);
- заглубления верха анкерной плиты для четырех положений: 0,4 м; 1,8 м; 3,2 м;
4.6 м, при этом точка крепления анкерной тяги к шпунту не изменялась, принята на расстоянии 1,9 м от поверхности сооружения (рисунок 1в).
Результаты расчета влияния положения крепления тяги к шпунту приведены на рисунке 2.
Из рисунка видно, что при понижении точки крепления тяги максимальные изгибающие моменты в шпунте уменьшаются (рисунок 2а). При рассмотрении положения крепления тяги в диапазоне высот, рекомендуемом Указаниями [1], с понижением точки крепления тяги с 0,15 Нст до 0,35 Нст значения максимальных изгибающих моментов уменьшаются на 60%. Изменение значений анкерной реакции имеет обратный характер, они возрастают примерно на 21% (рисунок 2б). Дальнейшее понижение
точки крепления тяги приводит к уменьшению максимальных изгибающих моментов в шпунте и на уровне 40-45% высоты стенки от поверхности сооружения значения изгибающих моментов минимальны, а затем меняют знак, становятся отрицательными и увеличиваются по значению (рисунок 2 в). При креплении тяги к шпунту на уровне 66% высоты стенки значения отрицательных моментов достигают предельных для рассмотренного вида шпунта (с ребром 70 см) по трещиностойкости в ребре (237 кНм), а затем возможно и по прочности (415 кНм).
4 У Хх'---' X" ^ 1 и ; 1,9
63,8
•• ' ''у-, . 1 г
'9.0 >
в)
Рис. 1. Схема к исследованию влияния: а - положения точки крепления тяги; б - глубины погружения шпунта; в - глубины заложения анкерной плиты
При рассмотрении изменения изгибающих моментов по длине шпунта (рисунок 3а) видно, что эпюра изгибающих моментов в шпунте существенно изменяется с уве-
А.Н. Ситное, Н.В. Кочкуроеа, И.В. Липатов
Особенности НДС одноанкерных больверков при изменении высотных параметров их .
личением расстояния от поверхности сооружения до точки крепления тяги. С понижением точки крепления тяги уменьшаются пролетные моменты, возрастают консольные, которые при низких точках крепления тяги достигают предельных значений. При этом происходит растяжение тыловой части шпунта. Характер работы конструкции меняется полностью и увеличение изгибающих моментов в консольной части, растягивающих тыловую грань шпунта, существенным образом может повлиять на прочностные параметры сооружения.
в)
Рис. 2. Результаты расчета при совместном учете изменения положения крепления тяги и заглубления шпунта: а - максимальные изгибающие моменты в шпунте; б - анкерная реакция; в - максимальные изгибающие моменты в шпунте с учетом знакопеременности
Сбалансированность консольного и пролетного момента, когда значения их небольшие и одинаковые, достигается при креплении тяги на высоте от поверхности примерно 43% свободной высоты сооружения. Расположение крепления тяги выше этого уровня приводит к увеличению пролетного момента. А при креплении тяги ниже увеличиваются консольные моменты.
Изменение глубины погружения шпунта при одном положении точки крепления тяги приводит к незначительному изменению максимальных изгибающих моментов в шпунте. Значения их изменяются на 2-3% при крайних принятых значениях глубины погружения шпунта. И разница в значениях тем меньше, чем ниже расположен узел крепления тяги к шпунту (рисунок 2б).
-10
■Ьк=1дг5 ......Ьк-15 - чк Мо Ьк-2,25
Ь:-:,625 — - Ьк-3,375 ' ■Ьк=Щ5 ■ Ьк=4.5_—_
а)
250
(11 2 3 4 5 6
Глубина от поверхности сооружения ло точки крепления тяти, Ьк, м
б)
Рис. 3. Изгибающие моменты в шпунте одноанкерного больверка при заглублении шпунта Тшп=3,0 м: а - распределение моментов по длине шпунта; б - график связи пролетных (Мпр) и консольных (Мк) моментов
Еще одним конструктивным элементом одноанкерного больверка является анкерная плита. Она, как элемент анкерного устройства, обеспечивает устойчивость конструкции и ее прочность. При проектировании сооружений анкерная плита может назначаться разных размеров, располагаться на разной глубине и удалении от шпунта.
Исследование влияния заглубления анкерной плиты на НДС сооружения показало (рисунок 4), что при закреплении анкерной тяги в верхней точке и увеличении при
А.Н. Ситное, Н.В. Кочкуроеа, И.В. Липатов
Особенности НДС одноанкерных больверков при изменении высотных параметров их ...
этом заглубления плиты изгибающие моменты в шпунте и анкерная реакция увеличиваются на 1% и 3% соответственно, что является незначительным (рисунок 4).
Рис. 4. Результаты расчета НДС сооружения при изменении заглубления анкерной плиты: а - максимальный изгибающий момент, кНм; б - анкерная реакция, кН
Комплексное влияние при учете обоих факторов (рисунок 5) показывает, что:
- заглубление анкерной плиты оказывает незначительное влияние как на изгибающий момент в шпунте, так и на анкерную реакцию при любом положении закрепления анкерной тяги (рисунок 6);
- основным фактором, влияющим на изгибающий момент в шпунте, является положение крепления анкерной тяги к шпунту (рисунок 6а), что подтверждает предыдущие выводы;
- при понижении крепления тяги к шпунту максимальные изгибающие моменты уменьшаются и на уровне 56% от свободной высоты сооружения меняют знак и развиваются уже не в пролетной, а консольной части шпунта;
70.?
3,2 1,8 5 То.5 ' 1.9 4,7 63,8
*.....;.......
■ ■'. ■ ■' - 1 ^
63.0 Г"
39.0 - •: '-V *:■ /•• • ■ иг Л ■
Рис. 5. Расчетная схема к совместному учету влияния заглубления анкерной плиты и положения анкерной тяги
- изменение заглубления шпунта также незначительно влияет на анкерную реакцию (рисунок 6б), максимальное изменение в значениях реакции наблюдается при низких точках крепления тяги и составляет 5%;
б)
Рис. 6. Результаты расчета НДС сооружения при комплексном влиянии заглубления плиты и расстояния до точки крепления анкерной тяги: а - изгибающий момент в шпунте; б - анкерная реакция в тяге
А.Н. Ситнов, Н.В. Кочкурова, И.В. Липатов
Особенности НДС одноанкерных больверков при изменении высотных параметров их ...
- основным фактором, влияющим на анкерную реакцию, также является положение узла крепления анкерной тяги к шпунту;
- значения анкерной реакции при двух крайних положениях крепления тяги к шпунту изменяется значительно от 101 до 186 кН (на 84%).
Из рассмотренных факторов, влияющих на НДС сооружения (положения узла крепления анкерной тяги, глубины погружения шпунта и заглубления анкерной плиты) заглубление анкерной плиты оказывает наименьшее воздействие.
Для оценки степени влияния оставшихся двух факторов был выполнен корреляционно-регрессионный анализ результатов исследований. Построена матрица корреляции, получено уравнение изгибающего момента, учитывающее зависимость от двух факторов:
М = 90,41+ 9,35 — + 75,94 .1 + 65,10 х\ + 50,18 .2 - 31,32 х\ -3,48 х.2 , х.
где х1 = кк - расстояние от поверхности до точки крепления анкерной тяги; х2 = гшп - величина заглубления шпунта.
Оценка исследования проводилась по полученным в ходе расчета величинам:
- коэффициенту множественной корреляции, равному 0,99;
- коэффициенту детерминации, равному 99,81;
- парным коэффициентам корреляции между положением точки крепления анкерной тяги и изгибающим моментом в шпунте 0,994, что говорит о сильной связи между ними. Теснота связи между изгибающим моментом и глубиной погружения шпунта слабая (парный коэффициент корреляции 0,073).
Исходя из этого следует, что наибольшее влияние на параметры НДС сооружения оказывает изменение положения точки крепления анкерной тяги к шпунту, изменение глубины погружения шпунта при неизменяемых остальных параметрах и однородных прочных грунтах существенного влияния не оказывает.
В проведенном исследовании получена общая картина изменения параметров НДС сооружения в разных ситуациях. При проектировании конкретного сооружения необходимо решать технико-экономическую задачу поиска оптимальных решений по соотношению высотных параметров сооружения и параметров напряженно-деформированного состояния.
Список литературы:
[1] Бройтман А.Ш. Конструктивно-технологические преимущества больверков из шпунтов трубчатых сварных / А.Ш. Бройтман / Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока №1 - Новосибирск: ФГБОУ ВО «СГУВТ», 2013г.- с. 119-123.
[2] Гуткин Ю.М. Об учете навала наданкерной части шпунтовых стенок на подпираемый грунтовый массив. Журнал «Гидротехника» №4 2016. - с. 49-54/
[3] Кочкуров И.А. Повышение несущей способности причальных шпунтовых стен с применением инъекционных анкеров / И.А. Кочкуров / Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока №2 - Новосибирск: ФГБОУ ВО «СГУВТ», 2013 г. - с. 89-92.
[4] Ситнов А.Н. Оценка изменения изгибающих моментов в шпунтовых причальных набережных при различных грунтовых условиях / Вестник ВГАВТ. Выпуск 44 / А.Н. Ситнов, Н.В. Коч-курова - Н. Новгород: Изд-во ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2015. - с. 84-93.
[5] Ситнов А.Н. Оценка влияния эксплуатационных условий на несущую способность двухан-керного больверка при его коррозионном разрушении / Вестник ВГАВТ. Выпуск 45 / А.Н. Ситнов Н.В. Кочкурова - Н. Новгород: Изд-во ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2015. - с. 67
[6] Richwien W. Design concepts for quay walls for large vessels / Chinese-German Joint Symposium on Hydraulic and Ocean Engineering, August 24-30 - Darmstadt: 2008. - р. 90-94.
[7] Penzes B. Numerical 3D Modelling of a Quay Wall System in Soft Ground Conditions / B. Penzes, V. Zania, O. Hededal - Proceedings of the 19th International Conference on Soil Mechanics and Ge-otechnical Engineering - Seoul: 2017. - р. 1749-1752.
[8] Penzes B. 2016. Performance of plate anchored quay wall system in soft ground. M.Sc thesis. Technical University of Denmark, Lyngby, Denmark.
[9] Binumol S. Software for analysis and design of concrete sheet pile quay wall with relieving platform - RELPT6.0 / Binumol S., Subba Rao, Arkal Vittal Hegde - International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology Vol. 2, Issue 3, March 2013. - p. 679-686.
[10] Указания по проектированию причальных набережных [Текст]: СН-РФ 54.1-85 / Минреч-флот РСФСР, Кн. 1,2,3. - М.: Гипроречтранс, 1985.
SPECIFITIES OF THE STRESS-STRAIN STATE OF ONE-ANCHOR BULWARKS WHEN CHANGING HIGH-ALTITUDE PARAMETERS OF THEIR STRUCTURAL ELEMENTS
A.N. Sitnov, N. V. Kochkurova, I. V. Lipatov
Keywords: waterfront structure, one anchor bulwark, two anchor bulwark, anchor, anchor pull, anchor plate, bending moment, stress-strain state.
The influence of high-altitude parameters on the parameters of the stress-strain state (SSS) of one-anchor bulwark made of reinforced concrete pile was studied. The depth of immersion of the tongue, the position of the anchor line attachment point of the tongue and the height of the tongue were considered as high-altitude parameters. The results of the research allow to optimize the construction by selecting parameters of different parts of the structure according to the level of forces arising in them.
Статья поступила в редакцию 26.08.2018 г.
