Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ факторов, влияющих на работу анкерных тяг причальных сооружений в северной климатической зоне 9
Глава 2. Оценка влияния зависания грунта, вызванного особенностями процесса образования обратных засыпок причальных сооружений в северной климатической зоне, на напряженно-деформированное состояние анкерных тяг 29
2.1. Поперечная нагрузка на анкерные тяги от зависания грунта 29
2.1.1. Анализ существующих методов определения нагрузки 29
2.1.2. Определение действительной и предельной поперечных нагрузок на анкерные тяги от зависания грунта 44
2.2. Аналитическое исследование тяги как растянуто- изогнутого стержня, частично опирающегося на оседающее основание и подверженного одновременному воздействию продольной и поперечной нагрузок 52
2.2.1. Определение формы изогнутой оси и распора i 54
2.2.2. Определение изгибающих моментов и поперечных сил 61
Глава 3. Оценка и прогноз влияния суровых температурных условий северной климатической зоны на усилия в анкерных тягах причальных сооружений 68
3.1. Анализ метода сложения гармонических составляющих годового хода температур наружного воздуха по оценке температурного режима анкерных тяг 69
3.1.1. Оценка влияния теплопередачи по массиву грунта со стороны поверхности территории 69
3.1.2. Оценка влияния теплопередачи по массиву грунта со стороны лицевого элемента 73
3.1.3. Оценка влияния теплопереноса по материалу тяг со стороны открытых торцов 74
3.2. Определение температурного режима анкерных тяг 75
3.3. Определение температурных напряжений в анкерных тягах 83
3.4. Экспериментальное обоснование исследований по прогнозу и оценке температурных напряжений в анкерных тягах 85
Глава 4. Практические рекомендации по повышению надежности работы анкерных устройств причальных сооружений, возводимых в условиях северной климатической зоны 113
Заключение 121
Литература 123
Приложение. Справка о внедрении материалов диссертации 131
- Анализ факторов, влияющих на работу анкерных тяг причальных сооружений в северной климатической зоне
- Анализ существующих методов определения нагрузки
- Оценка влияния теплопередачи по массиву грунта со стороны поверхности территории
- Практические рекомендации по повышению надежности работы анкерных устройств причальных сооружений, возводимых в условиях северной климатической зоны
Введение к работе
Актуальность темы. В связи с широким освоением нефтяных и газовых месторождений в районах севера Европейской зоны, Сибири и Дальнего Востока, большое значение имеет обеспечение безопасности эксплуатации причальных сооружений в этих районах для осуществления бесперебойных перевозок грузов. По этой причине выдвигаются повышенные требования к достоверности методов расчета и методик оценки эксплуатационного состояния при проектировании, строительстве и эксплуатации портовых гидротехнических сооружений, возводимых в северных районах.
Наиболее важными задачами современного этапа эксплуатации и строительства причальных сооружений в условиях северной климатической зоны в соответствии с содержанием статьи 8 Закона РФ «О безопасности гидротехнических сооружений» являются: внедрение современных конструкций и методик оценки эксплуатационного состояния сооружений, повышение надежности и безопасности, а следовательно, и долговечности их эксплуатации, и достигаемое вследствие этого снижение риска аварийных ситуаций и эксплуатационных расходов.
В портовом гидротехническом строительстве самое широкое применение нашли причальные сооружения в виде тонких стенок с заанкерованными лицевыми элементами [8, 9, 13, 64], например, больверков из металлического или железобетонного шпунта, уголковых стен и пр., как наиболее экономичные и технологичные конструкции причальных набережных. Кроме того, в гражданском строительстве также уделяется особое внимание внедрению в строительную практику прогрессивных конструкций с применением заанкерованных тонких подпорных стенок (для крепления стен глубоких котлованов и карьеров, при строительстве подземных сооружений, атомных электростанций, при креплении потенциально неустойчивых массивов грунта и пр.) [3,10, 55, 74].
Внедрение в производство прогрессивных методов строительства причальных сооружений из блоков повышенной заводской готовности [22] привело к широкому применению заанкерованных конструкций с жесткими анкерными тягами [16, 17, 20, 21], обеспечивающими необходимую монтажную жесткость блока.
Таким образом, широкий опыт применения заанкерованных конструкций причальных сооружений в условиях средней климатической зоны убедительно доказал их надежность и рентабельность. Кроме того, среди причальных сооружений, возводимых в северных районах, также наиболее распространенными являются сооружения из
заанкерованных тонких лицевых элементов. Так, например, причальные набережные типа «больверк» уже построены в Тобольске, Дудинке, Сургуте, Ямбурге и других речных портах северной зоны РФ.
Однако строительство и эксплуатация заанкерованных причальных сооружений имеют ряд особенностей и сопряжены с определенными трудностями. Опыт возведения таких сооружений [53, 59] в условиях Крайнего Севера РФ позволяет сделать вывод о том, что условия строительства и эксплуатации заанкерованных причальных сооружений, особенно с тонкостенными лицевыми элементами, здесь гораздо сложнее, чем в других районах с умеренным климатом. Тяжелые ледовые условия, большая амплитуда колебаний температур наружного воздуха, тяжелые инженерно-геологические условия, связанные с наличием в основаниях сооружений перемежающихся грунтов различной степени льдистости и вечномерзлых грунтов, сезонные изменения прочностных и деформационных характеристик грунтов основания, изменение в процессе эксплуатации сооружений (особенно в начальный период) температурного режима грунтов и пр., - все это может привести к появлению повышенных напряжений в элементах конструкции причального сооружения и к возможному снижению по этой причине надежности, долговечности и безопасности эксплуатации сооружения [27].
Известно, что повысить надежность и долговечность сооружения в целом можно, повысив аналогичные характеристики отдельных элементов, составляющих конструкцию этого сооружения. Опыт эксплуатации заанкерованных конструкций причальных сооружений и исследования несущей способности их лицевых вертикальных элементов и анкерных стен свидетельствуют о наличии значительных резервов их несущей способности и, следовательно, о «безусловной надежности и безопасности их эксплуатации» [14, 40, 41, 62].
В то же время анкерные устройства и в особенности, анкерные тяги, являются самым «ненадежным» элементом конструкции заанкерованных причальных сооружений, от состояния которого в наибольшей степени зависит безопасность эксплуатации всего сооружения в целом. Наиболее часто отказ (авария) таких причальных сооружений происходит по причине отказа (обрыва) анкерных тяг. Таким образом, возможна следующая цепочка отказов: перегрузка и обрыв отдельной тяги приводит к перераспределению, т.е. увеличению, усилий в соседних тягах, что, в свою очередь, приводит к перегрузке лицевых элементов, к разрушению всей конструкции сооружения или к развитию недопустимых деформаций, при которых дальнейшая эксплуатация сооружения невозможна. Известны
случаи обрыва анкерных тяг и выхода вследствие этого отдельных участков причальных сооружений из эксплуатации [18,48,52].
Положение усложняется тем, что до последнего времени учесть на стадии проектирования особенности работы анкерных тяг причальных сооружений, возводимых в условиях севера, не представлялось возможным вследствие отсутствия методики расчета анкерных тяг, наиболее полно отражающей эти особенности. Существовавшие ранее методики расчета анкерных тяг основывались на неточной расчетной схеме и не учитывали многих факторов, определяющих напряженно-деформированное состояние тяг. Поэтому применение таких методик для расчета анкерных тяг причальных сооружений, возводимых в условиях северной климатической зоны неоправданно - оно приведет к обрывам анкерных тяг, к снижению надежности, долговечности и безопасности эксплуатации причальных сооружений в целом.
Цель работы. Целью работы является выявление и анализ факторов, оказывающих существенное влияние на работу анкерных тяг в составе сооружения в условиях севера, уточнение расчетной схемы и уточнение методики расчета тяг, а также составление практических рекомендаций по проектированию и конструированию анкерных тяг с включением компенсаторных устройств различной конструкции для условий севера, позволяющих повысить надежность, долговечность и безопасность эксплуатации причальных сооружений.
Предмет и метод исследований. Объектом исследований являлись анкерные тяги причальных набережных, возводимых в условиях севера, подверженные воздействию поперечной нагрузки от зависания грунта и продольного растягивающего усилия от сезонных колебаний температуры наружного воздуха.
Для решения поставленных задач произведен анализ факторов, влияющих на работу анкерных устройств в составе причальных сооружений в северной климатической зоне, выполнен обзор существующих методов определения нагрузки от зависания грунта, проведено аналитическое исследование работы тяги как растянуто-изогнутого стержня, частично опирающегося на оседающее основание и подверженного одновременному воздействию продольной и поперечной нагрузок, проведены и обоснованы натурными экспериментами исследования по оценке температурных напряжений в анкерных тягах.
Научная новизна. В работе представлены результаты исследований автора, вошедшие в методику расчета анкерных тяг, впервые позволяющую наиболее полно учесть все факторы, оказывающие влияние на напряженно-деформированное состояние анкерных
тяг, работающих в составе причальных сооружений в условиях севера, результаты уточнения расчетной схемы определения усилий в тягах от зависания на них грунта при его осадке с учетом условий закрепления тяг к лицевой и анкерным стенкам, наклона тяг, смещения опор, начального обратного прогиба, наличия промежуточных опор, компенсаторных устройств, а также влияния температурных колебаний наружного воздуха.
На основании аналитического исследования работы тяги как растянуто-изогнутого стержня, частично опирающегося на оседающее основание и подверженного воздействию продольных и поперечных нагрузок, получены зависимости по определению прогиба тяги, горизонтального распора, вертикальных опорных реакций и изгибающего момента в тяге. Получены и экспериментально подтверждены проведенными натурными исследованиями зависимости по оценке и прогнозу сезонных колебаний температурного режима массива грунта засыпки, изменению температур тяг и возникающих вследствие этого перенапряжений в тягах. Разработаны практические рекомендации по снижению усилий в анкерных тягах; по ним получены несколько авторских свидетельств.
Практическое значение. Представленные в работе результаты исследований по корректировке методики расчета анкерных тяг причальных сооружений позволили повысить надежность и безопасность эксплуатации построенных в условиях севера сооружений. Методика была использована при анализе причин обрыва и разработке рекомендаций по восстановлению несущей способности анкерных тяг в портах г. Тверь и г. Ямбург.
Рекомендуемые на основе этой методики практические конструктивные мероприятия позволяют снизить напряжения в тягах от зависания грунта при эксплуатационных нагрузках, перераспределять и поддерживать растягивающие усилия в тягах сооружения на определенном уровне вне зависимости от временного перегруза отдельных тяг.
Реализация результатов работы. Результаты исследований по корректировке методики расчета анкерных тяг причальных набережных для условий севера были использованы при проектировании ряда объектов, выполненном в системе Министерства речного флота, начиная с 1985г., поскольку были включены в качестве дополнения [79] к утвержденным в 1985г. нормам по проектированию причальных набережных СН.РФ 54.1-85 [80, 81, 82]. Отдельные положения исследований были ранее включены в руководящий технический материал РТМ 212.0099-80 «Временные рекомендации по проектированию причальных сооружений для особо суровых природно-климатических условий» [60]. Использование результатов исследований при проектировании причальной набережной в
Использование результатов исследований при проектировании причальной набережной в порту Ямбург для обустройства газового месторождения позволило избежать дополнительных эксплуатационных затрат за счет повышения надежности работы анкерных тяг, обеспечив при этом проектный уровень безопасности сооружения в целом.
Апробация работы и публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации были доложены на расширенном техническом совещании в Гипроречтрансе «Прогрессивные конструкции речных гидротехнических сооружений и методы их расчета». (1985г.), на VI-ой Всесоюзной конференции «Экспериментальные исследования инженерных сооружений» (1986г.), на Ш-ей научно-технической конференции ПКБ «Спецтяжавтотранс» (1987г.), на республиканском совещании Минречфлота «Современные методы проектирования, строительства и эксплуатации гидротехнических сооружений» (1990г.) и на кафедре ВХиМП МГСУ (МИСИ, 1987г. и 2004г.).
Содержание диссертации изложено в 12 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (94 наименований) и приложения; диссертация изложена на 131 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков, 11 таблиц.
На защиту выносятся:
методика определения усилий в анкерных тягах от зависания на них грунта при его осадке;
рекомендации по определению усилий в анкерных тягах от сезонных колебаний температуры наружного воздуха;
практические рекомендации по снижению усилий в анкерных тягах.
Анализ факторов, влияющих на работу анкерных тяг причальных сооружений в северной климатической зоне
Условия работы анкерных тяг в причальных сооружениях, возводимых в северной климатической зоне (в дальнейшем в настоящей работе для краткости «северная климатическая зона» будет именоваться «севером»), гораздо сложнее, чем в районах с умеренным климатом. Влияние целого ряда специфических факторов, определяющих особенности условий эксплуатации в районах севера заанкерованных причальных сооружений, в первую очередь проявляется на работе анкерных тяг, усложняя фактическую схему работы тяг и приводя к возникновению в них дополнительных напряжений.
К основным факторам, которые определяют напряженно-деформированное состояние анкерных тяг причальных сооружений, возводимых в условиях севера, и которые непременно должны быть учтены при оценке безопасности эксплуатации сооружений, относятся (кроме обязательного для любых методик фактора - анкерной реакции, определенной из статического расчета лицевого элемента): наличие в основаниях сооружений как отдельных ледяных включений, так и протяженных полей вечной мерзлоты; невозможность уплотнения массива грунта засыпки и основания до необходимой конечной плотности; развитие при уплотнении засыпки в процессе строительства и в начальный период эксплуатации причального сооружения осадок грунта под тягами; - зависание на тягах вышележащего грунта засыпки; - сезонные колебания температуры наружного воздуха; неустановившийся характер температурного режима массива грунта засыпки и большая амплитуда его изменения в процессе эксплуатации причального сооружения; - перепад температур по длине анкерных тяг.
В результате суммарного влияния указанных факторов имеют место непредвиденные деформации анкерных тяг, приводящие к возникновению в них дополнительного растягивающего усилия (распора) и изгибающего момента, а в результате к перенапряжению и обрыву тяг.
Кроме того, при оценке напряженно-деформированного состояния тяг должны приниматься во внимание условия закрепления тяг к лицевому элементу и к анкерной опоре, податливость самой тяги и перемещения опор, наличие компенсаторных устройств, промежуточных опор-стоек и пр.
В действовавших до 1985г. нормативных документах [77, 78] при расчете напряженно-деформированного состояния анкерных тяг их расчетная схема принималась в чрезвычайно простом виде. Многообразие факторов, оказывающих влияние на работу тяг, в расчет не принималось, анкерные тяги, в основном, рассчитывали лишь на растягивающее усилие — анкерную реакцию, определенную из статического расчета анкеруемого вертикального лицевого элемента.
В нормах [77] принятием повышающего коэффициента к значению анкерной реакции учитывалось только зависание грунта засьшки на тяге. Очевидно, что такой подход к расчету напряженно-деформированного состояния анкерных тяг для условий севера не только недостаточен, но и не отражает природу его формирования.
В [78] в разделе проектирования железобетонных анкерных тяг было рекомендовано расчет их прочности производить на совместное действие растяжения (анкерная реакция) и изгиба (от зависания грунта). Расчеты же металлических анкерных тяг причальных, сооружений (не смотря на то, что диаметр анкерных тяг с учетом гидроизоляции превышает 10 см, что сравнимо с шириной железобетонных тяг и также свидетельствует о зависании грунта) по-прежнему выполнялись только на растяжение от действия анкерной реакции.
Неоднократные случаи обрыва анкерных тяг причальных сооружений (наиболее характерными из них, с точки зрения вызвавших их причин, являются обрывы тяг причальных сооружений в Красном Ключе, Твери (Калинине), Казани и Ямбурге) показывают, что пренебрежение хотя бы одним из отмеченных выше факторов, оказывающих влияние на напряженно-деформированное состояние тяг, может при определенных условиях привести к обрыву тяг и выходу части причального сооружения из эксплуатации.
Обрыв тяг в Красном Ключе показывает влияние на напряженно-деформированное состояние анкерных тяг наличия в основании причального сооружения отдельных ледяных включений, изменения в процессе эксплуатации температурного режима массива грунта и развития осадок нижележащего грунта засьшки.
Отсыпка грунта засыпки в пределах призмы обрушения производилась при помощи бульдозера с уплотнением путем пролива массива грунта водой. По данным проведенного Гипроречтрансом контроля плотности сложения насыпного грунта засыпки было определено его рыхлое сложение.
По прохождении первого же после образования обратной засыпки паводка, натурными наблюдениями, выполненными Гипроречтрансом [48], было зафиксировано резкое увеличение усилий в анкерных тягах: усилия достигали 700 — 800 кН (для сравнения, расчетная величина анкерного усилия, определенная из статического расчета лицевого элемента, составляет лишь 460 кН). Более того, три динамометра, установленные на тягах в узлах соединения последних со шпунтом, вообще перестали давать информацию (т.е., произошел обрыв тяг, что было впоследствии подтверждено при удалении грунта над тягами).
Кроме того, произведенное вскрытие анкерных тяг показало, что все тяги имеют значительный прогиб в пределах призмы обрушения. Так, на расстоянии 3,0 м от шпунта прогиб оси тяги достигал 1,2 м (рис. 1.2). На пяти шпунтинах произошел обрыв анкерных проушин в месте выхода их из бетона. Обрыв произошел из-за появления изгибающего момента у основания проушин вследствие значительных непредвиденных деформаций тяг под поперечной нагрузкой при осадке нижележащего грунта.
Проведенный анализ показывает, что резкое увеличение прогибов анкерных тяг, а вследствие этого, и усилий в тягах, произошло в результате непредвиденной осадки грунта засыпки при его доушютнений водой прошедшего паводка. Просадки были вызваны недостаточно тщательно проведенной очисткой дна пазухи причала перед ее засыпкой от включений льда, а также некачественным производством работ по образованию обратной засыпки в зимнее время.
Весной, при повышении температуры массива грунта засыпки, произошло оттаивание включений льда и образование в засыпке пустот, вызвавших столь интенсивные и значительные деформации оси тяг (см. рис. 1.2), которые в конечном результате и привели к обрыву тяг и необходимости выполнения значительного объема непредусмотренных ремонтно-восстановительных работ.
Анализ существующих методов определения нагрузки
В Гипроречтрансе с середины 70-х годов были начаты исследования по учету и определению величины нагрузки от зависающего грунта при расчетах анкерных тяг [63], а в 1980г. при непосредственном участии автора была разработана 1-ая редакция методики расчета анкерных тяг причальных набережных с учетом зависания на тягах грунта [81, 82] и составлена программа для автоматизированного расчета тяг [54].
Согласно этой методики, в общем случае расчет анкерных тяг на зависание грунта включает три этапа. На первом этапе вычисляется осадка от уплотнения лежащего под тягами грунта засыпки пазух набережной (причем необходимо учитывать, что уплотнение грунта в пазухах происходит не только под влиянием статических нагрузок, но и в значительной степени связано с колебаниями уровня воды и динамическими эксплуатационными воздействиями на поверхности территории набережной). На втором этапе в зависимости от величины вычисленной осадки определяется нагрузка на тягу, а уже затем, на третьем этапе, - определяются усилия в тяге: изгибающий момент, распор и поперечная сила. Второй и третий этапы расчета представляют наибольшую сложность и потому более подробно рассмотрены в настоящей работе.
Известны экспериментальные и теоретические исследования, относящиеся непосредственно к определению максимальной нагрузки на анкерные тяги от зависающего на них грунта [1, 29, 31, 32, 45, 92, 93, 94]. Кроме того, благодаря определенной К.Терцаги [72] независимости несущей способности фундаментов (что соответствует схеме работы анкерных тяг при зависании на них грунта) от направления действующих на них сил, для определения нагрузки на анкерные тяги от зависания грунта можно использовать и исследования работы глубоко заложенных фундаментов (в частности, анкерных плит, козловых и экранирующих свай и пр.) [5,7,8,23,25,33,34,35,39,69, 86, 88, 89,90,91].
В основном, эти исследования базируются на предположении об образовании в грунте в предельном состоянии призмы выпора, начинающейся у анкера (фундамента). Различие предложенных решений лишь в том, что приняты разные по форме поверхности скольжения, параметры призмы выпора и величины бокового трения.
Метод, предложенный Ф.Иоппеном [92], предусматривает учет веса грунта и полезной нагрузки, расположенных непосредственно над тягой, а также сил трения, возникающих по вертикальным плоскостям, проходящим через боковые грани тяги (рис. 2.1). При этом в качестве допущения принимается, что призма выпора распространяется до поверхности засыпки с наклоном поверхности скольжения к вертикали, равным (45 - р/2), ( р - угол внутреннего трения грунта засыпки) [63].
Анализ формулы (2.3) показывает, что формула Ф.Иоппена по определению максимальной нагрузки от зависания грунта предполагает учет зависания грунта в пределах всей призмы выпора, распространяющейся до поверхности засыпки, с наклоном прямолинейных плоскостей скольжения к вертикали под углом в (45 - (р/2), что приводит к весьма большим значениям максимальной нагрузки qnp (наибольшим по сравнению с рекомендациями других авторов).
К тому же рекомендуемая Ф.Иоппеном зависимость для определения qnp не была апробирована автором экспериментальным путем.
Лабораторными исследованиями М.Вегжина [93, 94] было установлено, что при осадке грунта засьшки, над опорной, (верхней) гранью тяги (исследования проводились над тягами квадратного поперечного сечения) образуется уплотненная зона грунта.
Боковыми гранями зоны являются плоскости, наклоненные к вертикали на угол, равный углу внутреннего трения грунта засьшки ср (рис. 2.2) [63]. Высота зоны уплотнения увеличивается с ростом вертикальных деформаций и достигает своего предельного значения, когда грунт по боковым граням тяги переходит в состояние предельного равновесия. Дальнейшее увеличение относительных перемещений приводит к образованию зоны внутреннего выпора, сопровождаемого осыпанием грунта зоны выпора в образовавшийся в результате осадки грунта зазор под нижней гранью тяги.
Опыты, проведенные М.Вегжиным, показали, что предельная нагрузка на тягу от зависания грунта имеет место при весьма небольших величинах перемещения грунта засьшки, порядка 3,0 см. Согласно расчетной схеме, предложенной М.Вегжиным, предельная нагрузка от зависания грунта зависит от величины относительной осадки грунта засьшки и включает в себя вес зоны уплотняемого грунта Gi , давление вышележащего грунта засьшки на верхнюю границу зоны уплотнения (, а также силы трения по боковым граням тяги (2Ттр) [63].
Таким образом, для зоны уплотнения площадью dh имеет место следующая зависимость для величины предельной нагрузки qnp от зависания грунта: qnp=Gj+G2+2Tmp. (2.6)
Практическое использование рекомендаций М.Вегжина по определению максимальной нагрузки на тяги от зависания грунта засьшки вызывает затруднения из-за того, что зависимость q„p = / ( S, d, h ), где S - это относительная осадка грунта, - имеет неявный характер и для каждого конкретного случая расчета тяг требует дополнительного уточнения высоты зоны уплотнения.
Л.С. Агамирзян [1] было показано, что для круглых, глубоко заложенных анкеров (для которых относительное заглубление h/d 20) в непосредственной близости от анкера образуются криволинейные поверхности скольжения, замыкающиеся вблизи анкера - т.е., над анкером происходит внутренний выпор грунта (рис. 2.3) [63].
При выводе расчетных зависимостей было принято предположение, что суммарное давление уплотненного ядра, примыкающего к анкеру, равно отпору р окружающей среды. Величину отпора Л.С. Агамирзян определяет, исходя из следующих предположений [63]. Так как минимальная величина отпора не может быть меньше нуля, а максимальная — больше величины пассивного давления грунта на гладкую вертикальную стенку (высота которой равна глубине заложения анкера), то искомая величина отпора окружающей среды определяется аппроксимацией по двум указанным экстремальным значениям. При этом трение между ядром и грунтом, находящимся в состоянии предельного равновесия, не учитывается [63].
Оценка влияния теплопередачи по массиву грунта со стороны поверхности территории
Наибольший интерес представляют методики определения температурного режима анкерных тяг, согласно которым температура анкерной тяги определяется влиянием теплопотоков по массиву грунта засьшки со стороны поверхности территории и со стороны лицевого элемента, а также теплопотоком по материалу анкерной тяги со стороны ее торца.
Одной из таких методик является метод сложения гармонических составляющих годового хода температур наружного воздуха, разработанный в Гипроречтрансе А.М.Романовым [46]. Согласно этому методу, температурный режим анкерных тяг зависит от годового хода температур наружного воздуха, который, в свою очередь, рассматривается в виде периодического колебания температуры около ее среднего значения — среднегодовой температуры наружного воздуха. Кроме того, предполагается, что в массиве грунта засьшки на достаточном заглублении от поверхности территории устанавливается температура, равная среднегодовой температуре наружного воздуха для данного региона; процессы распространения тепла (как в массиве грунта, так и по материалу тяги) представляют собой гармонические волны.
Согласно методу [46], гармоническая тепловая волна, как любой периодический колебательный процесс, представляется как сумма ряда гармонических колебаний. Амплитуды температурных колебаний для каждого из указанных теплопотоков определяются путем гармонического анализа годового хода температур наружного воздуха при разложении его в ряд Фурье.
Максимально возможная амплитуда Ah колебаний температуры анкерных тяг, расположенных на глубине h в массиве грунта засьшки, для тепловой волны, распространяющейся по массиву грунта засьшки со стороны поверхности территории, согласно методу [46] определяется следующим образом. Производят гармонический анализ годового хода температур наружного воздуха и из разложения [6] в ряд Фурье определяют амплитуды составляющих годовой ход температур гармоник. Затем по формуле (3.1) для глубины h для каждой из гармоник определяют коэффициент затухания т .
Анализ значений коэффициентов затухания тц, первых шести гармонических составляющих годового хода температур наружного воздуха при теплопередаче через массив грунта засыпки показывает, что наиболее интенсивно затухают гармоники, имеющие малый период. Так, например, даже для второй составляющей годового хода температур наружного воздуха с периодом гармонического колебания %2 = 6 мес, ослабление амплитуды колебаний в массиве грунта засыпки на глубине 3 м от поверхности происходит более, чем в 10 раз. Для шестой гармонической составляющей с периодом Хб = 2 мес, ослабление амплитуды колебаний температур наружного воздуха на той же глубине происходит уже более, чем в 50 раз.
Таким образом, в определении температурного режима анкерных тяг причальных набережных, заглубленных в массив грунта засыпки более, чем на 3 м, определяющей является первая гармоническая составляющая (г/ = 12 мес), т. е. годовой цикл колебаний температуры наружного воздуха; Согласно рекомендациям метода [46], при выполнении практических расчетов по определению температурного режима анкерных тяг, рекомендуется ограничиваться тремя первыми гармоническими составляющими годового хода температур наружного воздуха, имеющими периоды колебаний т/ = 12 мес, Т2 = 6 мес, хз 4 мес
Влияние на температурный режим анкерной тяги теплопотока по массиву грунта со стороны лицевого элемента в соответствии с рекомендациями метода [46] учитывается только на примыкающем к лицевому элементу участке (протяженностью 6 - 8 м) анкерной тяги.
При этом предполагается, что с физической стороны процесс теплопередачи через массив грунта со стороны лицевого элемента аналогичен процессу теплопередачи с поверхности засыпки. Тепловое влияние материала лицевого элемента согласно рекомендациям метода [46] не учитывается.
Обосновывается это тем, что, например, лицевой элемент в виде металлического шпунта имеет небольшую толщину и достаточно высокий (по сравнению с массивом грунта) коэффициент теплопроводности. Поэтому предполагается, что тепловое сопротивление такого лицевого элемента невелико и потому в расчетах по определению температурного режима участков тяг, примыкающих к лицевому элементу, может не учитываться.
Для железобетонных лицевых элементов в методе [46] допускается также не учитывать изменение сопротивления элемента по сравнению с сопротивлением массива грунта, а в направлении переноса тепла рекомендуется объем лицевого элемента замещать равным ему объемом грунта засыпки.
Оценку влияния колебаний годового хода температур наружного воздуха на температурный режим анкерной тяги при теплопереносе по массиву грунта со стороны лицевого элемента в соответствии с рекомендациями метода [46] производят также путем гармонического анализа годового хода температур.
Тепловая волна первой (годовой, т/ = 12 мес.) гармонической составляющей имеет коэффициент затухания mi = 20 (соответствующий 5%-ой точности выполнения расчетов) на расстоянии 5,5 м от боковой поверхности массива грунта засыпки. Тепловая волна второй гармонической составляющей ( = б мес.) на том же расстоянии 5,5 м от боковой поверхности массива грунта засыпки имеет коэффициент затухания тг = 400, тепловой волне третьей гармонической составляющей (rj = 4 мес.) на расстоянии 5,5 м от боковой поверхности засыпки соответствует коэффициент затухания тз = 8000.
С учетом же того, что вторая и третья гармонические составляющие годового хода температур наружного воздуха имеют меньшие по сравнению с первой (годовой) составляющей амплитуды колебаний, в работе [46] с погрешностью, достаточной для выполнения практических расчетов было принято, что зона влияния теплового потока от боковой поверхности массива грунта засьшки не превышает в глубину 5-6 м.
Для участков тяг, удаленных от лицевого элемента на расстояние более 6 м, тепловой поток по массиву грунта засьшки от поверхности лицевого элемента влияния не оказывает и изменение температурного режима этих участков тяг при колебаниях температуры наружного воздуха определяется только теплопотоком через массив грунта засьшки со стороны ее поверхности.
Практические рекомендации по повышению надежности работы анкерных устройств причальных сооружений, возводимых в условиях северной климатической зоны
Основы надежной работы анкерных устройств причальных сооружений, возводимых в условиях севера, закладываются как на стадии проектирования анкерных тяг, так и на стадии конструирования их отдельных узлов.
Повысить надежность анкерных устройств можно, учтя при расчете все те факторы, которые оказьшают влияние на напряженно-деформированное состояние анкерных тяг в условиях севера. Сделать это позволяет приведенная в настоящей диссертационной работе методика расчета анкерных тяг.
Кроме того, в результате выполненного факторного анализа разработанной методики был намечен ряд конструктивных мероприятий, позволяющих снизить напряжения в анкерных тягах, уменьшить влияние на формирование напряженно-деформированного состояния тяг суровых природных условий севера и повысить тем самым надежность работы тяг. В первой редакции нормативного документа СН-РФ [78] по расчету причальных набережных было отмечено, что для снижения влияния зависания на тягах грунта засыпки рекомендуется устраивать при монтаже тяг в составе причального сооружения обратный прогиб тяг (начальный строительный подъем) с максимальным значением стрелы прогиба не более одной десятой части расстояния между лицевым элементом и анкерной опорой. При осадке грунта засыпки прогиб тяг, возникающий от действия поперечной нагрузки от зависания грунта, уменьшается на величину начального обратного прогиба, тем самым снижаются напряжения в анкерных тягах. При этом горизонтальное смещение лицевого элемента невелико и находится в допустимых пределах, регламентируемых нормативными документами [80].
Однако опыт наблюдений за построенными сооружениями показывает, что задание обратного прогиба в малой степени уменьшает влияние зависания грунта на тягу. К тому же, величина обратного прогиба имеет максимальное значение в средней части анкерной тяги, опирающейся на осевшее основание и не испытывающей изгибных напряжений при действии поперечной нагрузки от зависания грунта. Между тем в большинстве случаев влияние зависания наиболее сильно проявляется на концевых участках тяг, примыкающих к лицевому элементу и анкерной опоре.
Известны также рекомендации [71], согласно которым анкерные тяги с целью снижения зависания на них грунта предполагается укладывать на промежуточный опоры. Как показали расчеты [18] по приведенной методике, подтвержденные натурными исследованиями [4], такое мероприятие либо не приводит к снижению напряжений в анкерных тягах, либо, наоборот, ухудшает условия работы анкерных тяг и приводит к возникновению повышенных напряжений от действия поперечной нагрузки при зависании грунта на тягах. Действительно, при установке под тягу промежуточных несмещаемых по высоте опор-стоек в месте опирання тяги на опору происходит защемление тяги. Кроме того, увеличивается жесткость участка тяги между опорами и длина зависшего над осевшим основанием участка тяги. Все это приводит к возникновению повышенных значений изгибающих моментов в тяге и ее перенапряжению при том же значении поперечной нагрузки от зависания грунта. Так, проведенные расчеты показали, что для анкерной тяги диаметром d = 0, 075 м длиной L =16 м от действия поперечной нагрузки q 28 кПа длина зависшего над основанием участка тяги / составляет 0,7 м, а изгибающий момент в тяге М = 0,15 кНм. При установке на расстоянии Lj = 2 м от лицевого элемента промежуточной не смещаемой по высоте опоры-стойки при действии той же поперечной нагрузки q = 28 кПа над основанием зависает весь участок тяги между лицевым элементом и промежуточной опорой, а изгибающий момент Мувеличивается до 8,0 кНм.
На основе анализа факторов, оказывающих воздействие на формирование напряженно-деформированного состояния анкерных тяг в северной климатической зоне, выполненного с помощью приведенной в настоящей диссертационной работе методики расчета анкерных тяг, автором разработаны практические рекомендации по снижению напряжений в анкерных тягах и повышению надежности их работы.
Вместо рассмотренных выше мероприятий (устройство начального обратного прогиба, установка промежуточных опор) рекомендуется [16, 21] в анкерных тягах устраивать по длине так называемые «скрытые шарниры», т. е., устройства с пониженной несущей способностью на изгиб, выдерживающие действие монтажных нагрузок (например, нагрузок от собственного веса), но при высоких значениях эксплуатационных поперечных нагрузок приводящие к превращению единой жесткой при монтаже тяги в систему шарнирно связанных между собой отдельных звеньев меньшей длины с меньшими усилиями от изгиба при гарантированном обеспечении значения растягивающего усилия, определенного из статического расчета анкеруемого элемента.
Место расположения по длине анкерной тяги и необходимая численность устраиваемых «скрытых шарниров» определяются расчетом анкерной тяги по приведенной в настоящей работе методике на действие максимальной эксплуатационной поперечной нагрузки. Для металлических анкерных тяг «скрытые шарниры» могут быть вьшолнены, например, в виде шарнирных узлов типа «щека-палец» с приваренными в узле накладками (рис. 4.1,а), не допускающими поворот в узле при действии монтажных нагрузок и не препятствующими повороту в узле при более высоких значениях эксплуатационных нагрузок (прочность шва сварного соединения накладки с проушиной и щеками рассчитана только на действие монтажных нагрузок).
Для железобетонных анкерных тяг (рис. 4.1,6) «скрытый шарнир» может быть устроен путем локального изменения схемы армирования (например, путем установки рабочей арматуры, воспринимающей растягивающее усилие при анкеровке лицевого элемента, в области нейтральной оси сечения тяги), либо путем омоноличивания материалом меньшей прочности (например, «тощим» бетоном или асфальтобетоном) встроенного шарнирного узла (рис. 4.1,в), либо по аналогии со «скрытым шарниром» для металлических анкерных тяг (см. рис. 4.1,а).
При монтажных нагрузках такая железобетонная тяга работает как единый жесткий элемент, а при эксплуатационных поперечных нагрузках, превышающих монтажные, по местам расположения «скрытых шарниров» происходит излом тяги, выкол материала омоноличивания «скрытого шарнира» и поворот в этих шарнирах, приводящий к такому расположению изогнутой оси тяги (рис. 4.2), которое характеризуется меньшими значениями возникающих в образовавшихся звеньях тяги усилий, в первую очередь, изгибающего момента от зависания на тяге грунта.
