ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ УСЛОВИЙ НА НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ ДВУХАНКЕРНОГО БОЛЬВЕРКА ПРИ ЕГО КОРРОЗИОННОМ РАЗРУШЕНИИ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 627.215

А.Н. Ситнов, зав. кафедрой, д.т.н., профессор, ФГБОУВО «ВГУВТ» Н.В. Кочкурова, доцент, к.т.н., ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ УСЛОВИЙ

НА НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ ДВУХАНКЕРНОГО БОЛЬВЕРКА ПРИ ЕГО КОРРОЗИОННОМ РАЗРУШЕНИИ

Ключевые слова: портовое гидротехническое сооружение, несущая способность, предельная нагрузка, изгибающие моменты, полосовые нагрузки

В статье рассмотрены вопросы оценки влияния полосовых и равномерно распределенных нагрузок, разуплотнения грунта, изменения отметок дна на изгибающие моменты в шпунте, а также оценки несущей способности шпунта при его повреждениях.

Портовые гидротехнические сооружения принадлежат к числу строительных конструкций, подвергающихся наиболее интенсивным и разнообразным внешним воздействиям и работающих в сложных естественных и эксплуатационных условиях.

При эксплуатации сооружений происходит случайное изменение различных условий работы набережной, включающие сочетание, взаимодействие и наложение разнообразных факторов внешней среды. Схемы воздействий на конструкцию разнообразны и могут реализовываться многократно или не повторяться. За годы службы сооружений реализация всевозможных схем нагружений и воздействий приводит к значительному ухудшению их технического состояния и изменению несущей способности конструкции в целом и ее отдельных частей.

Также на срок службы сооружения оказывают влияние условия его эксплуатации. Часто при эксплуатации не соблюдаются нормы эксплуатационных нагрузок и происходят перегрузы причалов. Однократное превышение нормативной нагрузки может не оказать разрушающего воздействия, оставив лишь «память» о себе в элементах сооружения. То есть, в частях конструкции, деформации которых подчиняющихся закону упругости этот процесс обратим (например, стальные шпунт и тяги). А в частях, деформации которых не подчиняются закону упругости (например, грунт засыпки), они носят накопительный характер и это воздействие частично передается на упругие элементы. Многократное превышение нормативных нагрузок может вызвать в них необратимые изменения и привести к разрушению.

Рассматривая вопрос об изменении несущей способности причальных сооружений портов при их длительной эксплуатации, следует учитывать и воздействие окружающей среды, которое тоже проявляется во времени. Окружающая среда оказывает на портовые сооружения существенное, а в некоторых случаях решающее влияние. Элементами внешней среды, которые могут влиять на несущую способность причальных сооружений портов являются водно-воздушное и грунтовое окружение, агрессивное воздействие перерабатываемых грузов (таких как химические), воздействие блуждающих токов и т. п. Влияние перечисленных факторов на несущую способность сооружений сказывается через изменение прочностных и деформативных свойств конструкционных материалов. В отдельных случаях некоторые из них воздействуют на механические характеристики грунтов оснований и засыпок, что может повлечь за собой изменение несущей способности причальных сооружений. От относительной плотности грунта засыпки за причальными стенками зависит допустимый режим эксплуатации средств портовой механизации и транспорта в прикордонной полосе. Наибольший уровень вибраций, создаваемых работающими перегрузочными

машинами и транспортом, должен соответствовать относительной плотности грунта засыпки: в противном случае причальное сооружение окажется подверженным воздействию дополнительных нагрузок. Изменение плотности грунтовой засыпки может происходить под воздействием вибраций, возникающих при эксплуатации причала, а также вследствие вытекания грунта на акваторию из-за дефектов грунтозащитных устройств.

Агрессивные воздействия окружающей среды способны привести к разупрочнению и разрушению бетона и интенсивной коррозии металла портовых сооружений. Разупрочнение и коррозия бетона, возникающие при неблагоприятном воздействии окружающей среды и режимах эксплуатации, в некоторых случаях являются причинами аварий портовых сооружений. К факторам, вызывающим снижение прочности и разрушение бетона и железобетона, относят агрессивное воздействие воды на акватории, воздействие перерабатываемых на причалах химических грузов, влияние блуждающих токов и токов утечки.

Одним из важнейших факторов, влияющих на несущую способность сооружений в эксплуатационных условиях является поддержание проектных отметок территории и акватории причала. Если территория не имеет покрытия, то при складировании навалочных грузов необходимо следить за постоянством отметок поверхности причала и не допускать выемки грунта засыпки. Дно акватории причалов, особенно вблизи самого сооружения, претерпевает значительные воздействия. Поскольку при строительстве сооружений изменяется естественный гидрологический режим, то река стремится восстановить естественное состояние дна путем намыва или размыва. Также, большую роль играют движители судов, способствующих размыву дна акватории. Могут действовать и другие факторы, в результате которых происходит переуглубление дна. Например, расчистка русла плавучими кранами для подхода к причальному фронту, которая нередко приводит к выемке излишнего объема грунта.

При эксплуатации сооружений также имеют место механические воздействия на причальное сооружение. Они возникают в результате ударов судов о сооружение при их швартовке, ударов грейферов, падения грузов и др. Они оказывают повреждающее воздействие на конструкцию и ухудшают ее техническое состояние.

При эксплуатации сооружений необходимо периодически производить оценку несущей способности сооружений и устанавливать уровень допустимых эксплуатационных нагрузок. При этом одним из важнейших моментов является определение предельной нагрузки расчетным путем с выявлением лимитирующего элемента конструкции сооружения. Также необходимо учитывать ряд возможных изменений, которые могли произойти в течение предшествующего периода эксплуатации:

- высотных параметров сооружения (отметки территории, дна акватории);

- проектных решений по изменению конструкции сооружения;

- физико-механических свойств окружающей грунтовой среды;

- характера поверхностной нагрузки на сооружение.

Применительно к железобетонным конструкциям набережных наиболее распространенным разрушением является разрушение лицевого слоя бетона различной площади и характера. Такие разрушения проявляются в виде сколов лицевой поверхности железобетонного шпунта вплоть до оголения арматуры.

В данной работе приведены результаты исследований несущей способности шпунта и надстройки двуханкерного железобетонного больверка (на примере набережной Нижегородского порта из шпунта ШТБ80 и плиты надстройки с высотой ребра 40 см) при различных вариантах возможного разрушения поверхностного слоя бетона и оголения арматуры. В зависимости от степени его разрушения уменьшается несущая способность, характеризующаяся расчетными значениями предельных изгибающих моментов (рис. 1), полученными при использовании аналитических методов.

% оголенных стержней арматуры

а)

б)

Рис. 1. Графики зависимости предельных изгибающих моментов по прочности от разрушения лицевой поверхности вертикального элемента: а - в надстройке; б - в шпунте

Графики показывают, что прочность вертикального элемента причальной стенки (шпунта или надстройки) при повреждении лицевой части с оголением арматуры снижается: на 70% для надстройки при 100% оголении арматуры лицевой части и на 36% при 50% оголении. Для шпунта соответственно на 70% при 100% оголении арматуры на всей поверхности лицевой части и на 34% при 50% оголении.

Влияние эксплуатационных условий на изгибающие моменты в шпунте рассматривались от следующих факторов:

- изменение отметки дна перед причальным сооружением в результате намыва или размыва течением или за счет других причин;

- разуплотнение грунта засыпки за стенкой (до 20%) в результате его вытекания (высыпания) через поврежденные части лицевой поверхности;

- изменение эквивалентной равномерно-распределенной, а также полосовой нагрузки на поверхности территории причалов.

На рис. 2-6 приведены расчетные значения изгибающих моментов в разных условиях с использованием метода упругой линии.

Значения максимальных изгибающих моментов при разуплотнении грунта на рис. 2, при изменении отметки дна акватории перед стенкой в конкретных ситуациях при разных значениях равномерно-распределенной нагрузки на территории причала при-

ведены на рис. 3. Результаты совместного действия разных факторов приведены на рис. 4, 5.

Нагрузка, кПа

а)

б)

Рис. 2. Графики зависимости изгибающего момента от нагрузки при разуплотнении грунта засыпки: а - в шпунте, б - в надстройке

а)

Нагрузил, кПа

б)

Рис. 3. Графики зависимости изгибающего момента от нагрузки без разуплотнения грунта засыпки при изменении отметки дна акватории: а - в шпунте, б - в надстройке

900

ЮЛ

400 — >ч

300

300

>00

0 1

- при ¿ОкШ при разуплотнении

- при ЯОкПэ при

риуимям

- при 1 ГОкПа при риушюпкяп

-100*» арматуры оголено

—50" • арматуры

ОГОЛеВО

0е« арматури оголено

- при ■»ОкПа 6« разуллотненн«

- при 80«Л> беа разуплотнения

при 1 ГОШа б«а

■М • м 1 1Л » И разуллотненн«

Отыо»!!« отметок от проектного ЛИ А. ч

Рис. 4. Совмещенный график влияния факторов на изгибающий момент в шпунте

По графику 4 видно, что разуплотнение грунта засыпки увеличивает значения изгибающего момента в шпунте на 15-18%, при этом разница в значениях увеличивается при более высоком значении нагрузки и более низких отметках дна: при 40 кПа на 15%, при 120 кПа на 18%. При повышении отметки дна акватории значения изгибающих моментов уменьшаются. При увеличении отметки дна на 2 м относительно проектной, свободная высота стенки уменьшается и влияние разуплотнения грунта ослабевает и сводится к нулю.

-40кПа с

р азупл огненном

______80кПа с

р азупл отненнем

------ 120к11ас

р азупп отненнем

--40кПабьз

р азупл отнения

----80кПа без

р азупп отнения

--120кПа без

р азупп отнення

- 100% арматуры

оголено

___ ______ — .. — — — —- — 50% арматуры

оголено

0,5 1 1,5 2 2,5 0% арматуры

оголено

Отклонение отметок от проектного дна, м

Рис. 5. Совмещенный график влияния факторов на изгибающий момент в надстройке

На графиках горизонтальными линиями отображены предельные моменты по прочности при различном разрушении лицевой части вертикальных элементов. Для шпунта только при полностью неповрежденной лицевой поверхности и проектной нагрузке 40 кПа возможна эксплуатация стенки при нормальном и разуплотненном состояниях грунта засыпки. Во всех остальных случаях и при повышении значений нагрузки необходимо введение особых эксплуатационных режимов.

Для надстройки (рис. 5) видно, что и при разуплотнении и без него при нагрузках до 100 кПа возможна ее эксплуатация. При нагрузках более 100 кПа эксплуатация возможна только при небольших повреждениях стенки. При полном разрушении лицевой части эксплуатация невозможна, надстройка полностью теряет несущую способность.

Однако в практике равномерно-распределенная нагрузка на поверхности территории причального сооружения встречается крайне редко. В основном нагружение территории носит полосовой характер и распределяется по ширине причала неравномерно. При нагружении нами выделены четыре зоны: прикордонной механизации, при-кордонных складов, тыловой механизации, тыловых складов. В зонах прикордонной и тыловой механизации нагрузки возникают от перегрузочных машин и транспортных средств (краны, железнодорожные составы) и, как правило, не превышает 30-40 кПа. В складских прикордонной и тыловой зонах размещают навалочные и генеральные грузы, нагрузка от которых может достигать больших значений.

При исследовании влияния полосовой нагрузки на несущую способность стенки был выполнен расчет двухзонной нагрузки: в прикордонной крановой зоне принималась нагрузка от кранов в виде постоянной равномерно распределенной величиной 17 кПа, в складской прикордонной - три значения равномерно-распределенной нагрузки. Результаты расчета изгибающих моментов приведены на рис. 6.

2ЯО 2ЪО

-

£

О 200

7

«

5- 1ЯО

140

120

100 - —

ВО - — -3,5

200 $ 180 X £ 160 в 140 |120 Л 1100 я X 80 60 2

Пределы) ый М0МСМ1

-—-При 100%

оголения арматуры

-• -При 50%

оголения арматуры

0 40 60 80 100 120 На<рузка на пр«кордонном складе, иПа

а)

700 { 600 X X | 500 £ 0 1

-Предельм им

момент ——При 100% ото лент* арматуры

' 400 X 3 1 300 в я ж * 200 100 2 ----При 5044 оголения

арматуры При 04' от олений арматуры

0 40 60 80 100 120 Нагрузка на прякордонном складе, кПа

б)

Рис. 6. Влияние полосовой нагрузки на изгибающий момент в стенке: а - в надстройке; б - в шпунте

В сравнении предельных изгибающих моментов при полосовой нагрузке с предельными при различном разрушении поверхности лицевой части стенки, видно, что надстройка выдерживает складскую нагрузку при значениях не более 60 кПа при полностью разрушенном защитном слое бетона лицевой части до оголения арматуры. Шпунт может воспринимать нагрузки до 120 кПа только при ненарушенной лицевой части или разрушении не более 40% площади защитного слоя лицевой части до оголения арматуры.

В целом если сравнить результаты при одинаковых эксплуатационных условиях (повышении отметки дна акватории на 0,05 м, разуплотнении грунта засыпки за стенкой, нагрузке 40 кПа), видно, что:

- для шпунта при полосовой двухзонной нагрузке максимальный изгибающий момент составил 470кНм, а при равномерно-распределенной - 614 кНм;

- для надстройки при полосовой двухзонной нагрузке изгибающий момент составил 81кНм, а при равномерно-распределенной - 123 кНм.

Из расчетов следует, что значение момента при полосовой нагрузке в шпунте снижается на 23%, а в надстройке на 34%. Это говорит о том, в эксплуатационных условиях возможно повысить нагрузку на складе против проектного значения при сохранении несущей способности сооружения.

Более детальное исследование полосовой нагрузки с применением методов чис-

ленного моделирования проводилось для всех зон причала в разном их сочетании и при следующих нагрузках:

1 зона прикордонной механизации шириной 16 м при нагрузке на ней q1=0, 20, 40 кПа;

2 зона прикордонных складов шириной 40 м при нагрузке на ней q2=0,40, 80, 120, 160, 200, 240 кПа;

3 зона тыловой механизации шириной 16 м при нагрузке q3=0,20,40 кПа;

4 зона тыловых складов шириной 40 м при нагрузке q4=40,80,120,160,200,240 кПа.

Для варианта загрузки причала двухзонной нагрузкой (прикордонная механизация и прикордонный склад) результаты расчета изгибающего момента в стенке показаны на рис. 7. Изменение изгибающего момента по высоте стенки неравномерное, максимальные значения моментов в надстройке возникают на 70% от поверхности и по значениям превышают предельные по трещиностойкости при нагрузке 40 кПа. В шпунте максимальные значения наблюдаются в пролете на 30% длины от низа надстройки. Значения моментов достигают предельных при большом значении нагрузки на складе равной 350 кПа.

Изменение изгибающего момента при разных значениях двухзонной нагрузки приведено на рис. 8.

Н.ш

Мми1»Н»

■*аао оло «ню шадо поло

а)

б)

Рис. 7. Распределение изгибающих моментов по высоте: а - надстройки; б - шпунта

а)

б)

Рис. 8. Значения изгибающих моментов при двухзонной схеме загружения причала: а - для надстройки; б - для шпунта

Данные расчетов показывают, что при увеличении нагрузки от прикордонной механизации на 20 кПа значения моментов увеличиваются на 17-20% для надстройки и на 10-11% для шпунта. Необходимо отметить, что влияние нагрузки на изгибающий момент возрастает при увеличении значения самой нагрузки на поверхности территории.

При возрастании нагрузки на прикордонном складе значения изгибающего момента увеличиваются на 3-4% для надстройки и 2-3% для шпунта при разных уровнях нагружения.

Если оценивать совместное действие данных двух нагрузок, то:

- при изменении нагрузки от прикордонной механизации с 20 до 40 кПа и тыловом складе до 80 кПа значения моментов увеличиваются на 23% для надстройки и 10% для шпунта;

- при увеличении нагрузки на тыловом складе с 0 до 160 кПа и той же нагрузке от прикордонной механизации, значения моментов увеличиваются на 34% для надстройки и 15% для шпунта;

В сравнении значений моментов с предельными при разрушении лицевого слоя бетона имеем:

- при полностью разрушенном лицевом слое бетона надстройки ее эксплуатация возможна при нагрузке от прикордонной механизации 20 кПа и складской не более 70 кПа;

- шпунт при полностью разрушенном лицевом слое бетона выдерживает нагрузку в прикордонной зоне от любых рассмотренных значений;

Численные расчеты в сравнении с аналитическими дают более высокие значения предельных нагрузок, разница в расчетных данных в пределах 15%.

Таким образом, влияние прикордонных нагрузок на изгибающий момент достаточно велико и больше сказывается на надстройку.

С увеличением числа зон загрузки (тыловая механизация и тыловой склад) в разных сочетаниях нагрузок характер изменения изгибающих моментов в надстройке и шпунте приведен на рис. 9.

б)

Рис. 9. Значения изгибающих моментов при трехзонной схеме загружения причала: а - для надстройки; б - для шпунта

В целом нагрузка в зоне тыловой механизации не вносит существенного изменения в значение изгибающего момента ни в шпунте, ни в надстройке, так как разница в значениях моментов не превышает 2-3% по сравнению с двухзонной нагрузкой.

Однако, если рассматривать совместное влияние нагрузок в трех рассматриваемых зонах, то имеем:

- при нагрузке в прикордонной и тыловой механизации в 20 кПа и нагрузке на прикордонном складе 40 кПа значение момента в надстройке увеличилось на 30%, а в шпунте на 22% по сравнению с отсутствием нагрузок во всех трех зонах;

- при нагрузке в обеих зонах механизации 40 кПа, а на складе 80 кПа, моменты увеличатся еще на 18% в надстройке и 12% в шпунте;

- в целом при полной загрузке зон механизации до 40 кПа и нагрузке на кордонном складе до 80кПа значения изгибающих моментов увеличиваются на 53% в

надстройке и на 36% в шпунте по отношению к ситуации, когда нагрузки отсутствуют;

- если на складе увеличить нагрузку еще в два раза (до 160 кПа), а в зонах механизации оставить нагрузку 40кПа, значения моментов вырастут в надстройке на 9% и в шпунте на 4%.

- при увеличении нагрузки на склад до 240 кПа значения моментов увеличатся в надстройке на 7%, а в шпунте на 5% по сравнению с предыдущей грузовой ситуацией.

Таким образом, увеличение нагрузки сразу во всех трех зонах оказывает существенное влияние на изгибающий момент в надстройке и шпунте. Увеличение нагрузки только на прикордонном складе оказывает большее влияние на надстройку меньшее на шпунт при существенном увеличении моментов. Увеличение нагрузки в зоне тыловой механизации значительного влияния не вносит, моменты увеличиваются не более, чем на 2-3%.

Анализ результатов изменений изгибающих моментов от нагрузки в четвертой зоне (тыловых складов) показывает, что нагрузка от тылового склада вносит несущественный вклад в изменение изгибающих моментов в шпунте. В целом они увеличиваются на 1-3% по сравнению с трехзонной и двухзонной нагрузкой.

В расчетах полосовых нагрузок численными методами факторы разуплотнения и изменения отметки дна не учтены, однако при их наличии необходимо контролировать значения изгибающих моментов в стенке и ограничивать действующие на причале нагрузки.

Выводы:

1. Предельная несущая способность для железобетонных шпунта и надстройки определяется разрушением защитного слоя бетона, поэтому для участков, где имеются разрушения, необходимо принимать меры по ремонту лицевой части.

2. Понижение отметки дня акватории приводит к росту изгибающих моментов, повышение - к их уменьшению. Для нормальной эксплуатации необходимо поддержание отметки дна на проектном значении.

3. Значительное влияние на изгибающий момент в стенке оказывает разуплотнение грунта засыпки, что вызывает необходимость устранения причин вытекания грунта в акваторию.

4. Полосовая нагрузка оказывает более существенное влияние на изменение изгибающего момента, чем равномерно-распределенная в одинаковых условиях.

5. Наиболее существенное влияние на изгибающий момент оказывает полосовая нагрузка в зонах прикордонной механизации и прикордонных складов.

6. Полосовая нагрузка в прикордонной части причала оказывает большее влияние на надстройку набережной, чем на шпунт, что говорит о необходимости контроля ее значений во избежание трещинообразования на лицевой поверхности.

ASSESSMENT OF INFLUENCE OF OPERATIONAL CONDITIONS ON THE BEARING ABILITY OF A TWO-ANCHOR BOLVERK AT ITS CORROSION DESTRUCTION

A.N. Sitnov, N. V. Kochkurova

Port hydraulic engineering construction, bearing ability, maximum load, bending moments, strip loadings

In the article questions of assessment of influence of the strip and evenly distributed loadings, decrease in density of soil, change of marks of the bottom for the bending moments in the tongue, and also estimates of the bearing ability of the tongue are considered at its damages.