Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
Глава 1. Анализ развития конструктивных форм морских стационарных
платформ 20
1.1. Зарубежный опыт 20
Мелководные платформы 23
Глубоководные платформы 24
Гибкие платформы 33
1.2. Отечественный опыт 40
Пример обустройства шельфових месторождений углеводородного топлива Каспия 40
МСП на шельфах Азовского, Черного и Северного морей 46
1.3. Цели и задачи теоретического и экспериментального исследования
несущей способности сжато-изогнутых анкерных свай и стоек
опорных блоков из композитных материалов 50
1.4. Выводы 55
Глава 2. Теоретические разработки по расчету прочности опорных
блоков МСП. Метод эквивалентного модуля 58
2.1. Исследования устойчивости комплексных стержней
при кратковременном загружении 59
2.2. Теоретическое исследование устойчивости сжато-изогнутого
трубобетонного элемента опорной колонны, сваи МСП
при кратковременном загружении 79
2.3. Исследование устойчивости сжато-изогнутой трубобетоиной сваи
блока МСП в упруго-ползучей среде при длительном действии нагрузок 85
2.4. Алгоритм расчета опорного блока МСП методом КЭ в варианте
метода сил с использованием "Эквивалентного модуля" 90
2.5. Выводы 95
Глава 3. Экспериментальные исследования работы трубобетониых
колонн и пространственных опорных блоков МСП 97
3.1. Определение механических характеристик материалов обоймы
и сердечника трубобетониых опорных колонн МСП 97
Экспериментальное исследование сжато-изогнутых трубобетониых колонн 100
Сравнение теоретических и экспериментальных результатов. Статистическая обработка результатов 110
Экспериментальное исследование поведения трубобетоиной решетчатой панели опорного блока МПС при квазистатическом нагружешш 122
Проверочные расчеты несущей способности сжато-изогнутой трубобетоиной панели опорного блока МСП 131
З.б.Выводы 133
Глава 4. Обзор расчетных методов МСП на волновые воздействия 135
Модель жесткого основания 136
Волновые нагрузки на опоры сооружений при случайном волнении 141
Учет податливости МСП при определении нагрузки от случайного волнового воздействия 148
Учет податливости основания МСП 157
4.5. Приближенные методы расчета свободных и вынужденных колебаний
т конструкций 172
f 4.6. К вопросу о постановке задач динамики МСП 180
Глава 5. Колебания стержневых конструкций опорных блоков МСП при
і волнении 187
^5.1. Выбор расчетной модели для динамического расчета опорных
блоков МСП 187
Основная математическая модель опорного блока МСП 198
Уравнения колебаний симметричной платформы 199 .j5.4. Одномодовое приближение 202 ,5.5. Описание конструкции решетчатого блока МСП и ее основная
ч математическая модель 205
Малые свободные колебания конструкции, эквивалентной расчетной МСП 211
Воздействие гравитационных волн на решетчатый блок МСП 219
Исследование влияния массы верхнего строения, эксцентриситета 230
О возможности упрощения одномодовой модели 238
Исследование поведения опорного блока при случайном волнении 242
Модель со многими степенями свободы. Колебания в плоскости Оху 247
Выводы 251 Глава 6. Колебания одиночной консоли при волнении ' 257
Колебания одиночной консоли. Сравнение результатов *' ' 257
Колебания одиночной стойки переменной толщины 263
Жёсткость нелинейно-упругой композитной кольцевой трубы
' при изгибе , 269
6.4. Динамический анализ трубобетонного конического монопода с трехслойным
_ кольцевым поперечным сечением 275
Одномодовые приближения 279
О влиянии формы спектральной плотности на колебания МСП 282
Заключение к главам 5 и 6 289 Глава 7. Статический и динамический расчет технологической
4 площадки ТП-4 . 291
7.1. Некоторые исходные данные 291
7 2. Статическая жесткость отдельной сваи 292
7.3, Суммарная жесткость конструкции на 44 сваях 297
7.4.* Реакция конструкции на статические силовые воздействия 300
7.5.'Реакция конструкции на воздействие волнения и течения 303
Пластические деформации сваи и коэффициент запаса 309
Обсуждение результатов и выводы < 310 Заключение I 313 Литература і > ' 315
Введение к работе
С конца 70-х годов прошлого столетия бурными темпами развивается мощнейший отечественный научно-промышленный комплекс по освоению углеводородных топливных месторождений на шельфе морей и океанов государства.
Важнейшей проблемой являлось обеспечение добычи нефти и газа с больших глубин в различных климатических условиях. Результаты решения этой проблемы, прежде всего, зависели от решения главной задачи — обеспечения в необходимых объемах строительства морских стационарных платформ (МСП) для бурения и добычи на глубинах моря в 200ч-300 м (см. [1,89,241]).
В связи с этим в Ленинграде, Баку, Выборге, Черноморске были запущены в производство заводы с уникальным технологическим оборудованием, позволявшим изготавливать самые сложные конструктивные формы морских стационарных платформ.
Головные специализированные научно-исследовательские проектно-конструкторские организации, такие, как ВНИПИ «Шельф» [271], ВНИПИ «Морнефтегаз», НИПИ «Гипроморнефтегаз», решали задачи по разработке и внедрению проектов МСП, а также задачи по обустройству морских месторождений. НИПИ «Гипроморнефтегаз» разработал и внедрил программу исследований по созданию конструкций для освоения месторождений со сложными условиями волнообразования и сейсмики [1, 242].
Актуальность проблемы освоения шельфовых месторождений углеводородного топлива для России еще более возрастет в XXI веке [20, 244, 246].
В проектной практике опорные блоки рассчитываются методом конечных элементов с использованием вычислительной техники, как пространственные конструкции с жесткими узлами.
Сооружения рассматриваются, как правило, состоящими из идеально упругих и линейно деформируемых стержней. В этом случае используется принцип независимости действия сил, согласно которому эффект совместного действия сил равен сумме эффектов действия каждой силы в отдельности.
Однако практика эксплуатации и экспериментальные исследования поведения смонтированных МСП показали, что для установления истинного уровня предельного загружения опорных блоков МСП как вертикальными нагрузками постоянного действия, так и поперечными кратковременными нагрузками необходимо учитывать нелинейное поведение стальных трубчатых морских конструкций [5].
При расчете таких сооружений встречаются два основных типа нелинейностей. Первый из них связан с нелинейностью зависимости а = сг(є), которой характеризуется работа материала в упруго-пластической стадии. Второй тип связан с геометрической нелинейностью, когда перемещения конструкции вызывают значительные изменения ее геометрии и уравнения равновесия необходимо составлять для деформированного состояния [221]. Учет любого из этих типов нелинейности проводит к разрешающей системе уравнений, содержащей нелинейные относительно определяемых неизвестных члены [5]. Присутствие в уравнениях нелинейных членов не позволяет получить их решение в замкнутом виде и приходится использовать различные процедуры последовательных приближений [5, 221]. Как отмечается в [207], расчет стержневых систем с учетом физической и геохметрической нелинейностей связан с большими трудностями как при формировании разрешающих уравнений, так и при их решении и формировании всего процесса расчета на ЭВМ.
Малоисследованной областью осталась работа конструктивных элементов платформ при одновременном действии продольной и поперечной
нагрузок. Практически все конструктивные элементы блоков подвергаются
мощному воздействию внешних статических и динамических сил. Особенно
\
невыгодной с точки зрения несущей способности является работа сжатых
конструктивных элементов, предельное состояние которых может наступить
по потере общей устойчивости.
Перспективными конструкционными материалами для глубоководных
и ледостойких платформ становятся композитные трубобетонные
стержневые элементы для решетчатых конструкций и мощные моноподные
сталебетонные опорные блоки [243, 247, 248, 249, 250, 251 ].
J Использование таких композитов при строительстве МСП стало
возможным благодаря исследованиям отечественных ученых: Броуде В.М.
[166], Дободугло Н.Г. [167], Кикина А.И. [180], Росновского В.А. [252],
Санжаровского Р.С. [253, 254], Стороженко Л.И. [256], Трулля В.А. [181] и
др. и зарубежных ученых: Gardner N.J. [174], Neogi P., Sen H., Chapmen Т.
[171], NakaiH., YoshikawaO. [257], MatsumotoY., FukuzawaK. [258],
Furlong R. [259] и др. Гаджиев Ф.М. [242], Махмудов М.С. [260], Салимов
СВ. [184], Садыгов Ф.М. [261] и др. исследовали поведение трубчатых свай с
цементным заполнением. !
Однако следует отметить, что при всей многочисленности
исследований самых разнообразных аспектов поведения трубобетонных
опорных элементов платформ исследователи ограничивались при
определении несущей способности таких стержней применением
упрощенной расчетной схемы внецентренного сжатия, заменяя действие
поперечной нагрузки действием эквивалентных концевых моментов. В
случае трубобетонных элементов это вряд ли допустимо, поскольку уже с
начальных уровней нагружения начинают сказываться нелинейные
проявления, а результаты расчетов по упрощенной схеме получаются не
адекватными действительному уровню его предельного состояния. В связи с
этим понятна важность проведения теоретических и экспериментальных исследований работы конструктивных комплексных элементов МСП при одновременном действии продольных и поперечных сил [224, 225, 262, 263].
! ;
f і
С освоением глубинных месторождений возникли проблемы с определением величины динамической реакции сооружения на случайное волновое воздействие. Инструментальные наблюдения за колебаниями платформ в морях показали, что период собственных колебаний опорного блока становится переменной величиной [30]. Многократно повторяющиеся горизонтальные перемещения придонной части блока вызывали увеличение деформаций в грунтах основания и приводили к уменьшению несущей способности. В ряде случаев величина этого снижения достигала 50% [139].
Отечественные и западные исследователи в [4, 5, 8, 127, 128] и других работах установили нелинейные зависимости перемещений опорных блоков и свайных оснований от периодических внешних сил и сил взаимодействия конструкции с водной и грунтовыми средами. Наличие вертикальной силовой составляющей вносит дополнительные изменения в напряженно деформированное состояние (НДС) всей системы. Так, исследования, проведенные Булгаковым Ш.В. [264], показали существенную нелинейную неравномерную по времени осадку опор блока с перераспределением внутренних усилий.
Анализ развития конструктивных форм опорных блоков МСП показал, что в настоящее время отечественные и западные разработки при большом разнообразии конструктивных решений платформ стремятся свести
отношение ширины блока на дне к его высоте, не меньшим 0.5 [67]. Этот
і прием позволяет проектировщикам упростить расчетные модели сооружения
и рассматривать, например, раздельно взаимодействие опорного блока с
I,
волнами, а свайного основания с грунтом. Однако при таком подходе с
увеличением глубин чрезмерно возрастает материалоемкость и стоимость'
сооружений, а строительство таких МСП становится экономически
нецелесообразным при глубинах, близких к 500 м. ;
От качества моделей, описывающих динамическое силовое
воздействие волн на опорные блоки, зависит степень достоверности в
определении НДС конструкций МСП. Волновые наргузки представляют
і I
собой случайные поля возмущений и их математическое описание вызывает большие затруднения. Несмотря на то, что объем научных исследований по изучению ветровых волн и их воздействию на морские гидротехнические сооружения за последние 50 лет существенно возрос [10], общая гидродинамическая теория реального волнения до сих пор не создана [1]. Гидротехнические сооружения, особенно на глубинах свыше 100 м с периодом колебаний конструкции, близким к среднему периоду расчетного морского волнения, следует рассматривать как гибкие [2].
Повышенная массивность опорных конструкций и большие размеры
придонной части в плане есть ни что иное, как особый конструкторский,
зачастую нормированный способ линеаризации целого ряда нелинейностей:
нелинейности диаграммы СТ — Є конструкционных материалов,
нелинейности взаимодействия с грунтом, нелинейности сдвиговых деформаций, геометрической нелинейности.
Алешков 10.3. [102], ArmsenA., BekganP. [3], Бреббиа, Уокер [12], Браштейн М.Ф. [105], Литонов О.Е. [277,278], Фуртенко В.П. [111, 112, 113,; 114], Шхинек К.Н. [245] и другие учитывали при расчетах те или иные частные случаи нелинейностей. Их работы показывают, насколько сложны в решении эти задачи и насколько важны получаемые результаты даже при использовании весьма приближенных моделей. Трудности возникают, в частности, из-за того, что в нелинейных системах не выполняется принцип суперпозиции. Важным является также тот факт, что частота колебаний нелинейной системы зависит от амплитуды.
При решении дифференциальных уравнений вынужденных изгибных колебаний стоек, моделирующих опорные блоки МСП, исследователи [10, 12] использовали различного рода линеаризации. В [11] проведено сравнение решений нелинейных дифференциальных уравнений движения тела при гармоническом и стационарном узкополосном случайном возбуждении, полученных приближенными методами гармонической и статистической линеаризации, с результатами численного моделирования. Выяснено, что в
* j
\ і
диапазонах частот, близких к резонансным, линеаризованные модели неприемлемы.
Таким образом, упомянутые выше проблемы, возникающие при проектировании МСП, позволили сформулировать следующие задачи предлагаемого исследования:
разработать метод расчета несущей способности опорных блоков МСП с учетом упруго-пластических деформаций композитных конструктивных элементов. В дальнейшем этот метод назван нами методом эквивалентного модуля;
провести экспериментальные исследования изменения НДС опорных колонн и панелей блоков МСП из композитных материалов и получить результаты сравнительного анализа эксперимента и теории;
разработать метод расчета динамической несущей способности опорных блоков МСП при случайных силовых воздействиях при нелинейном i деформировании конструкционных материалов, при нелинейных перемещениях собственно конструкции опорных блоков и конструкций их крепления к морскому дну;
для ряда типовых конструкций МСП получить результаты -численного эксперимента, учитывающие влияние этих факторов на динамическое поведение МСП.
Поставленные задачи определили и очередность выполнения этапов работы, которые последовательно представлены в семи главах диссертации.:
Первая глава посвящена краткому анализу развития конструктивных форм МСП как за рубежом, так и в нашей стране. Приводится классификация МСП по различным признакам. Выделяются три основных группы МСП, которые определяют различные способы расчёта этих гидротехнических сооружений:
мелководные МСП;
глубоководные платформы;
- гибкие сооружения.
Увеличение глубин освоения месторождений потребовало исследования новых конструкционных материалов. Появились платформы бетонные, сталежелезобетонные, а также состоящие из комбинации стальной трубы (оболочки) и бетонного ядра - трубобетонные. Эти платформы могут быть как моноблочные, так и стержневые. Такие сооружения обладают существенным преимуществом, которое особенно проявляется при ледовых воздействиях.
Было установлено, что в настоящее время отсутствуют теоретические и экспериментальные исследования комплексных трубобетобнных конструкций опорных блоков при одновременном действии продольных и поперечных нагрузок при нелинейных проявлениях процесса деформирования конструктивных элементов; отсутствуют методы быстрого , и адекватного анализа динамического поведения МСП при периодических » силовых воздействиях.
Во второй главе анализируются результаты работ ряда учёных по расчёту нелинейного поведения конструкционных материалов и нелинейных перемещений самих конструкций МСП. Отмечается большой вклад в *. развитие нелинейных теорий деформирования отечественных и зарубежных исследователей: Арутюняна Н.Х., Болотина В.В., Гвоздева А.А., Генки Г., Гольденблата И.И., Грина А.Э., Рільюшина А.А., Ишлинского А.Ю., Кармана К., Качанова Л.М.; Кирхгофа Г., Клюшникова В.Д., Коши О., Леви М., Новожилова В.В., Прагера В., Работнова Ю.Н., Снитко Н.К., Феодосьева В.И., Хилла Р. и многих других.
В области определения предельных нагрузок на конструкции отмечается роль Баха Г., Безухова Н.И., Гвоздева А.А., Гарстнера Д.И., Прандля, Прагера А.А., Папковича П.Ф., Ржаницина А.Р. и др.
Подводится итог краткому анализу способов определения несущей способности стержневых конструкций при учёте вертикальных и горизонтальных квазистатических нагрузок, из которого следует, что при
проектировании МСП, включающих комплексные трубобетонные конструктивные элементы, использование линейного параметра EI, характеризующего изгибную жёсткость, невозможно, поскольку в условиях интенсивного загружения эта величина переменная и является функцией взаимодействия стальной обоймы и бетонного ядра.
Анализируется метод интегрального модуля деформаций Бондаренко В.М. При этом устанавливается, что предложенный им алгоритм определения параметра El довольно сложен и имеет ряд условностей, снижающих достоверность результатов вычислений. Эти недостатки исправляются применением результатов теоретического исследования изменения напряжённо-деформированного состояния сжато-изогнутых комплексных стержней в нелинейной постановке при заданном законе изменения внешнего квазистатического загружения. По разработанному алгоритму в любой промежуток времени увеличения нагрузки в любом .. сечении стержня вычисляются значения краевых деформаций, а также величины прогибов. Наличие этих параметров позволяет на каждом шаге, интегрирования определять характеристики меры сопротивления, конструкционных элементов. Ни один из проанализированных современных^ методов расчёта стержневых конструкций такой характеристикой не / оперирует. Эту характеристику назвали эквивалентным (изгибным) модулем расчетного сечения.
Использование эквивалентного модуля при расчёте стержневых конструкций опорных блоков МСП методом конечных элементов (КЭ) позволяет эксплуатировать отлаженные типовые программы и по предлагаемому алгоритму определять уровень предельного квазистатического загружения конструкций опорного блока МСП продольными и поперечными силами.
Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям комплексных элементов МСП при различных схемах загружения продольными и поперечными квазистатическими силами. Исследования
проводились с целью выявления фактической работы опорных колонн и панелей МСП от начальных стадий загружения до момента перехода в предельное состояние при потере общей устойчивости.
Приводятся результаты сравнительного анализа характеристик НДС расчётных сечений, полученных как в процессе численного решения, так и экспериментальным путём на каждом шаге загружения. Отмечается, что предельное состояние конструктивных комплексных элементов наступает при ярко выраженных нелинейных проявлениях нарастания деформаций и прогибов при потере общей устойчивости. Согласованность теоретических и экспериментальных величин позволяет сделать вывод об адекватном описании процесса деформирования разработанной теоретической моделью.
В четвёртой главе выполняется обзор расчётных методов МСП, приводятся результаты исследований силового воздействия ветрового волнения на шельфовые гидротехнические сооружения. Работы отечественных учёных: Алешкова Ю.З., Барштейна М.Ф., Гайдук О.А., Глуховского Б.Х., Иванова СВ., Каплуна В.В., Каспарсона А.А., Крылова Ю.М., Майорова Ю.Б., Мирзоева Д.А., Мищенко С.С, Фуртенко В.П., Халфина И.Ш., Хаскинда М.Д., Шестакова Ю.Н. и др., а также работы иностранных учёных: Джонсона, Морисона, Гаррисона и др. позволили разработать методику расчёта горизонтальных нагрузок от регулярных волн при обтекании опоры плоскопараллельным неустановившимся потоком идеальной жидкости при модели жёсткого основания.
При определении волновых нагрузок на податливое гидротехническое сооружение расчёт значительно усложняется и даже при регулярном волнении требует применения численных методов, поскольку при обтекании волнами податливой опоры возникают колебания последней и уже требуется учитывать не абсолютные значения скоростей и ускорений частиц жидкости, а относительные скорости и ускорения между частицами жидкости и соответствующими точками опоры.
!
Представление силового давления на опоры МСП от регулярных волн с постоянными расчётными параметрами не отражает истинной природы ветрового волнения, которое всегда нерегулярно. Решением задачи и разработкой инженерных методов расчёта воздействия случайного волнения на обтекаемые преграды и сооружения сквозной конструкции в нашей стране, занимались Алешков Ю.З., Барштейн М.Ф., Литонов О.Е. Лужин О.В., Каспарсон А.А., Крылов Ю.М., Фуртенко В.П., Халфин И.Ш. и др. а за рубежом - Пирсон., Холмс, Боргман и др.
Согласно спектральной модели, колебания взволнованной поверхности описываются суммой большого числа гармонических колебаний с разными частотами, случайными амплитудами и фазами. В этом случае волновой ', процесс в точке может быть охарактеризован энергетическим спектром. Расчёт нагрузок иллюстрируется на основе разработок Алешкова Ю.З.
Известные методы анализа случайных колебаний МСП дают -возможность определять вероятностные характеристики НДС системы и получать информацию о ее статистических свойствах, важную для оценки надёжности МСП на основе коэффициентов динамичности.
Для исследования колебаний нелинейных систем при случайном f воздействии часто используется метод статистической линеаризации, который заключается в замене нелинейной случайной величины линейной. Принятие допущения о нормальном законе распределения случайных функций приводит в окрестности резонанса к ошибочным выводам. Понятно, что такой приём линеаризации даёт неверные результаты при установлении величины коэффициентов динамичности.
Податливость конструкции МСП при силовом волновом воздействии зависит не только от её жёсткостных характеристик , но и от величин перемещений фундаментов. На сваи платформ передаются значительные как продольные , так и поперечные усилия. Горизонтальные нагрузки достигают 20% от вертикальных. Сваи погружают на глубины 100 и более метров. В этом случае необходимо учитывать нелинейную деформируемость
неоднородного грунтового основания, комбинированный характер внешних нагрузок, пространственный характер их приложения.
Последние годы характеризуются значительным прогрессом в развитии методов расчёта, проектирования и строительства свайных фундаментов. Теоретические основы методов расчёта свай разрабатывались отечественными учёными. Это Абелев М.Ю., Березанцев В.Г., Вялов С.С., Гольдин А.А., Гольдштейн М.Н., Горбунов-Посадов М.И., Долматов Б.И., Егоров К.Е., Зарецкий Ю.К., Малышев М.В., Соколовский В.В., Ухов СБ., Флорин В.А., Цытович Н.А. и многие другие. Большая роль в систематизации результатов исследований и в совершенствовании методов расчёта принадлежит Барвашову В.А., Бартоломею А.А., Глушкову Г.И., Голубкову В.П., Снитко U.K., Федоровскому В.Г. и др.
Однако даже для сооружений наземного типа методы расчёта осадок различных свайных фундаментов недостаточно разработаны. Это объясняется тем, что чрезвычайно сложно учесть многочисленные факторы, влияющие на несущую способность и осадку свай при их работе в составе различных свайных фундаментов и в различных грунтовых условиях. Методы расчёта горизонтально нагруженных свай разделяют на две группы — для свай со свободной головой и для свай как рамных систем. Последние методы применяются, в основном, при расчёте фундаментов гидротехнических сооружений и свайных опор МСП. Отмечается, что сваи МСП являются по существу одномерными линейными телами, и для них лучшим расчётным методом является расчёт, использующий метод нелинейных коэффициентов постели. Работы Кузнецова В.В., Колесникова Ю.М., Курилло СВ., Левачёва С.Н., Хрунова И.В. и др. и иностранцев Поулоса, Ресела и др. обосновали использование метода «коэффициента отпора», который представляет собой отношение погонного вертикального отпора грунта к осадке соответствующего участка сваи. Этот коэффициент зависит не только от осадки, но и от глубины.
Делается вывод, что точные методы расчёта колебаний упругих систем являются достаточно громоздкими даже при расчёте сравнительно простых конструктивных элементов: неразрезных балок, простейших перекрытий, отдельных пластин. Проблема может разрешиться путём разработки методов расчёта, позволяющих рассматривать приближённо колебания сложных строительных систем [9]. Известен инженерный приём прямой дискретизации, проводимый на стадии формирования расчётной модели. Конструкция в этом случае заменяется системой связанных между собой отдельных её частей. Конечное число степеней свободы элементов в модели позволяет использовать при выводе исходных разрешающих дифференциальных уравнений аппарат аналитической механики, в частности уравнения Лагранжа второго рода.
Сложность проблемы учёта упругопластических деформаций породила множество разнообразных гипотез и предположений по теоретической аппроксимации опытных закономерностей. В основе получения многих формул рассеяния энергии за счёт внутреннего трения лежат представления ' теории пластичности, в частности, принцип Мазинга. Рассматриваются несколько подходов в описании моделей, учитывающих нелинейные свойства материалов: Ишлинского АЛО., Сорокина Е.С., Пановко Я.Г., Фойгта.
В пятой главе исследуются колебания стержневых конструкций опорных блоков МСП при волнении. Предлагаемый метод исследования и сопровождающие его вычислительные программы пригодны для исследования динамики конструкций данного типа при изменении параметров в широком * диапазоне. В качестве примера рассчитывается опорный блок № 16. Опорный блок состоит из ряда систем горизонтальных стальных стержней трубчатого сечения (решеток) и систем вертикальных и наклонных стержней (ярусов).Полная высота блока 250 м.. Блок является прямоугольным в плане с размерами вверху 60x49 м. и внизу — 110x99 м. Вес блока 21560 т.
Сначала строится основная математическая модель конструкции. Верхнее строение и фундамент моделируется абсолютно твердыми телами, жестко скрепленными с опорным блоком. Взаимодействие фундамента с грунтом считается нелинейным вязко-упругим. Решетки блока считаются абсолютно твердыми телами. Решетчатую конструкцию опорного блока моделируем эквивалентной стойкой, несущей сосредоточенные и распределенные массы. Ярусы между решетками в блоке моделируем упругими балками, работающими на изгиб и на сдвиг в плоскостях упругой симметрии, а также на растяжение и на кручение. Учитываем только жесткости стержней (труб) яруса на растяжение-сжатие, пренебрегая их жесткостями на изгиб.
При колебаниях в воде к массе элементов конструкции добавляется присоединенная масса воды, а также масса воды внутри труб.
В случае симметричной платформы малые колебания разделяются на поперечные колебания в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях, на крутильные колебания (вокруг вертикальной оси,) и на продольные (вертикальные) колебания. Для вывода уравнений используется вариационный принцип Остроградского-Гамильтона. Уравнения поперечных колебаний в плоскости наименьшей жесткости являются основными. Эти уравнения учитывают влияние осевого сжатия, инерцию поступательного и вращательного движения и сдвиг поперечных сечений. Потери в материале блока учитываются по гипотезе Сорокина. В уравнения движения фундамента входит нелинейная сила взаимодействия с грунтом.
Необходимым первым этапом исследований динамики конструкции является анализ различных видов малых свободных колебаний (изгибных в двух плоскостях, крутильных и продольных). Проведен анализ влияния различных факторов на частоты изгибных колебаний. Установлено, что наибольшее влияние на изменение первой частоты оказывают масса верхнего строения и угловая жёсткость грунта. При формировании приближённых
моделей осевым сжатием и сдвигом можно пренебречь, инерцию же
вращения, как верхнего строения, так и поперечных сечений блока следует учитывать.
На базе одномерного приближения проведен анализ динамики конструкции под действием как гармонического, так и случайного стационарного плоского волнения. Моделирование случайного волнения основано на каноническом разложении случайного процесса. При расчетах использовались стандартные данные о спектральной плотности высоты волн.
Приводятся многочисленные результаты расчётов как резонансной частоты, так и амплитуды вынужденных колебаний верхнего строения при изменении основных параметров системы — массы и эксцентриситета приложения нагрузки от верхнего строения, параметров нелинейной податливости грунта и потерь в нём, коэффициента потерь в конструкции, параметров гармонического и случайного волнения. Проведен анализ влияния этих факторов на коэффициент динамичности.
С целью оценки погрешности одномерного приближения рассмотрена более точная модель с 11 степенями свободы. Установлено, что одномерная модель обладает достаточной точностью для оценки динамического поведения конструкции.
В шестой главе исследуется динамическое поведение МСП в виде консольной стойки (монопода) в виде трубы переменного по высоте сечения на вязкоупругом грунте под действием гармонического или случайного волнения. Трубобетонный моноподный блок представляет собой трехслойную трубу, у которой наружный и внутренний слои стальные, а средний — бетонный. Рассмотрены также более простые модели стойки и проведено сравнение с результатами Халфина. При анализе используются теоретические разработки пятой главы.
Рассмотренная конструкция может служить основой для расчета реально проектируемой конструкции, поэтому приводится подробный анализ ее динамики. Исследовалось поведение трубобетонной МСП при волнении. Как и в пятой главе, проведен анализ динамики конструкции в зависимости
от ее параметров и параметров воленеия. В частности, установлено, что при случайном волнении коэффициент динамичности также является случайной величиной, причем с большим разбросом.
Значительное внимание уделено вычислению эквивалентного модуля, который здесь по модели Прандтля учитывает упруго-пластические деформации стали и бетона, а также тот факт, что бетон плохо работает на растяжение.
Рассмотренные задачи исследования динамического поведения -моноподной трубобетонной конструкции были реализованы в системах дифференциальных уравнений, учитывающих все указанные типы нелинейностей. Для решения этой системы была составлена программа получения численных результатов. Приводится блок-схема алгоритма расчёта колебаний и коэффициента динамичности.
В седьмой главе с использованием результатов предыдущих глав проводится анализ статики и динамики технологической площадки, расположенной вблизи берега на глубине 17.5 м. Площадка представляет собой прямоугольную железобетонную плиту с размером в плане 46x18 м, опирающуюся на 44 вертикальные или наклонные трубчатые сваи. Глубина забивки свай в грунт 27.25 м.
Проводится статический и динамический расчет технологической площадки под действием собственного веса, нагрузки от работающего оборудования (тендеров), нагрузки от ветра, течения и льда, динамической нагрузки от волнения. Определяются продольные усилия в сваях, максимальные напряжения, смещения платформы. Найден коэффициент запаса конструкции по напряжениям. Особое внимание уделяется деформации свай и вопросу их взаимодействия с грунтом. Оказалось, что наибольший вклад в НДС вносит вес конструкции и ледовая нагрузка.
Итак, в диссертации разработана новая теория статического расчета опорных блоков МСП и расчёта их нелинейных, в том числе, случайных
колебаний. Новые результаты, выносимые на защиту, сводятся к следующему:
— разработана теория эквивалентного модуля деформации,
позволяющая эффективно использовать традиционные методы линейной
строительной механики для учёта нелинейных упругопластических
деформаций;
— предложена теория упругопластического статического расчёта
опорных блоков МСП, основанная на идее эквивалентного модуля,
предложен и экспериментально обоснован метод получения значений
интегральных модулей деформации на основе выведенных систем
дифференциальных уравнений, характеризующих НДС конструкций;
предложена новая теория исследования МСП при гармоническом и случайном-волнениях.--В этой теории интегрально учитывается ряд нелинейных факторов — упругопластические деформации материалов; нелинейность, обусловленная учетом вертикальных перемещений узлов; нелинейное взаимодействие конструкций опорного блока с морской средой и основанием с учётом случайных факторов;
выведены системы дифференциальных уравнений, учитывающих указанные выше типы нелинейностей, и составлены программы для получения численных результатов;
проведены численные эксперименты, позволившие определить амплитудно-частотные характеристики нелинейных случайных колебаний опорных блоков МСП, получены необходимые для практических расчётов значения коэффициентов динамичности;
предложена теория динамического поведения МСП - монопода, изготовленного из комплекса в поперечном сечении состоящего из нескольких стальных колец и бетонного заполнения межкольцевого пространства;
— проведен анализ статики и динамики технологической площадки, представляющей собой железобетонную плиту на сваях.
