Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Воздействие волн на преграды больших поперечных размеров 14
1.1. Воздействие регулярных волн на вертикальные цилиндрические преграды 14
1.2. Воздействие нерегулярных волн на вертикальные цилиндрические преграды большого диаметра 28
1.3. Расчет волновой нагрузки на вертикальные цилиндрические преграды большого диаметра по рекомендациям действующих норм 30
1.4. Воздействие длинных волн на вертикальный затопленный цилиндр большого диаметра 32
1.5. Воздействие регулярных волн на сооружение типа "монопод" 41
1.6. Области применения волновых теорий 42
1.7. Параметры волн, используемые при расчетах морских гидротехнических сооружений 44
1.8. Выводы 48
ГЛАВА 2. Теоретические исследования воздействия регулярных волн на вертикальные преграды больших поперечных размеров 50
2.1. Воздействие волн на затопленный вертикальный цилиндр 50
2.2. Воздействие волн на составные вертикальные цилиндрические преграды типа "монопод" 56
2.3. Воздействие волн на вертикальные цилиндрические преграды 63
2.4. Выводы 65
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования волновых воздействий 67
3.1. Законы подобия и правила моделирования 67
3.2. Экспериментальная установка 70
3.3. Программа экспериментальных исследований 76
3.4. Методы проведения экспериментальных исследований 79
3.4.1. Методы проведения и обработки результатов опытов с затопленным цилиндром и "моноподом" 79
3.4.2. Методы проведения и обработки результатов опытов с вертикальными цилиндрическими преградами 84
3.5. Результаты экспериментальных исследований 85
3.5.1. Оценка точности измерений 85
3.5.2. Затопленный цилиндр 90
3.5.3. "Монопод" 94
3.5.4. Вертикальные цилиндрические преграды 96
3.6. Выводы 108
ГЛАВА 4. Анализ результатов экспериментальных и аналитических исследований 110
4.1. Затопленный цилиндр 110
4.2 "Монопод" 114
4.3. Вертикальные цилиндрические преграды 1 18
4.3.1. Деформация взволнованной поверхности 118
4.3.2. Волновая нагрузка 119
4.4. Выводы 129
5. Параметры торосистых образований, методы расчета ледовых нагрузок от торосов и локальных ледовых давлений 131
5.1. Метрические характеристики торосистых образований 134
5.2. Прочностные характеристики торосистых образований 140
5.3. Методы расчета ледовой нагрузки от воздействия торосов на вертикальные преграды 144
5.4. Локальное давление льда при взаимодействии ледовых образований
с опорными частями гидротехнических сооружений 161
5.4.1. Экспериментальные исследования 161
5.4.2. Методы расчета локального давления льда 171
5.5. Выводы 177
6 Экспериментальные исследования ледовых воздействий 179
6.1. Моделирование силового воздействия полей торошения на жесткие вертикальные цилиндрические преграды 179
6.2. Методы создания крупномасштабных моделей торосов 184
6.2.1. Метод создания модели поля торошения 184
6.2.2. Метод создания модели консолидированного слоя тороса в ледяном покрове 188
6.2.3. Метод создания пористых образцов льда в лабораторных условиях 190
6.3. Методы исследований метрических характеристик торосов в натурных условиях 191
6.4. Метод исследований прочностных характеристик торосов 194
6.4.1. Метод исследований прочностных характеристик надводной части торосов 194
6.4.2. Метод исследований прочностных характеристик средней части Ф торосов в лабораторных условиях 198
6.4.3. Метод исследований прочностных характеристик средней части моделей торосов в полевых условиях 198
6.5. Метод проведения опытов по взаимодействию ледовых образований с цилиндрическими преградами 199
6.5.1. Метод проведения крупномасштабных опытов по воздействию полей торошения и ровных ледяных полей на вертикальные цилиндрические преграды 199
6.5.2. Метод экспериментальных исследований локального давления льда
6.6. Выводы
ГЛАВА 7. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 206
7.1. Исследование метрических характеристик торосистых образований.. 206
7.2. Исследование прочностных характеристик торосистых образований 220
7.2.1. Исследование интегральной прочности надводной части моделей торосов 221
7.2.2. Исследование прочностных свойств образцов льда с различной пористостью в лабораторных условиях 225
7.2.3. Исследование прочностных свойств консолидированной части моделей торосов в натурных условиях 231
7.3. Взаимодействие моделей полей торошения с цилиндрическими преградами 238
7.3.1. Экспериментальные исследования коэффициента торосистосте... 238
7.3.2. Экспериментальные исследования составляющих равнодействующей ледовой нагрузки от поля торошения на цилиндрическую преграду 247
7.4. Экспериментальные исследования локального ледового давления... 249
7.4.1. Результаты экспериментальных исследований 249
7.4.2. Анализ результатов экспериментальных исследований 257
7.5. Рекомендации по определению ледовых нагрузок 264
7.5.1. Рекомендации по определению суммарной ледовой нагрузки от воздействия полей торошения на вертикальные цилиндрические преграды 264
7.5.2. Рекомендации по расчету локального давления льда 271
7.6. Выводы 274
Заключение 278
Список литературы
- Воздействие нерегулярных волн на вертикальные цилиндрические преграды большого диаметра
- Воздействие волн на составные вертикальные цилиндрические преграды типа "монопод"
- Методы проведения экспериментальных исследований
- Вертикальные цилиндрические преграды
Введение к работе
Актуальность диссертационной работы. Углеводородное сырье остается основным энергоносителем и в XXI веке. В настоящее время его доля превосходит 70% от общего числа энергоносителей, потребляемых в мире. Относительно невысокая стоимость нефти и природного газа, высокая теплотворность, простая транспортабельность, многообразие, получаемых в результате переработки, нефтепродуктов и универсальность их использования в различных областях промышленности стали причиной того, что эти природные ископаемые уже в течение многих десятилетий находятся вне конкуренции с другими источниками тепловой энергии.
К настоящему времени на нашей планете осваивается большое количество месторождений углеводородов, расположенных на суше. Однако, запасов этих месторождений недостаточно для того, чтобы обеспечить дальнейшее развитие мировой экономики. В развитых, в экономическом и техническом отношении странах, была произведена разведка и обустройство морских месторождений углеводородов на континентальном шельфе. Большинство этих месторождений эксплуатируются и по настоящее время. Следует отметить, что доля добываемой на море нефти в мире составляет более трети от общего объема. Специалисты полагают, что к 2020 г почти половина добываемого объема углеводородного сырья будет осуществляться на континентальном шельфе, в том числе и замерзающих морей.
Основная площадь шельфа России занимает примерно 22% от общей площади на планете. К настоящему времени геофизической и геологической разведками установлено, что примерно 7% этой площади перспективна в отношении углеводородного сырья и основная его часть находится в замерзающих морях.
Предстоящий подъем экономики нашей страны требует существенного роста добычи нефти и газа, в первую очередь для увеличения производства электроэнергии и тепла. Решение этой важной народнохозяйственной задачи
7 невозможно без освоения месторождений на континентальном шельфе морей
нашей страны. Обустройство морских месторождений углеводородов в современных условиях связано с разработкой и строительством ледостойких морских нефтегазопромысловых гидротехнических сооружений в открытом море, а также специализированных причальных сооружений для отгрузки добываемого сырья. Эксплуатация самого молодого флота России -нефтегазопромыслового невозможна без строительства новых портов, в том числе портов-убежищ в различных районах Арктики, тяготеющих, в географическом отношении, к перспективным месторождениям.
Успешное проектирование ледостойких морских гидротехнических сооружений, как нефтегазопромысловых, так и портовых, предназначенных для эксплуатации в суровых климатических условиях, зависит от достоверных методов расчета волновых и ледовых нагрузок. Внешние нагрузки на морские гидротехнические сооружения являются основополагающими факторами при выборе их типов и конструктивных особенностей в процессе проектирования с учетом природно-климатических условий конкретного района строительства. Объективный расчет этих нагрузок позволит оптимизировать стоимость таких сооружений, которые должны успешно противостоять воздействию ветрового волнения и дрейфующим торосам в замерзающих морях, обеспечивая эффективную эксплуатацию промыслов и экологическую безопасность целых регионов. Действующие в нашей стране нормативные документы по определению этих нагрузок, не содержат целого ряда рекомендаций, которые бы учитывали различные формы проектируемых сооружений и то многообразие различных расчетных сценариев, которые могут реализоваться в процессе их срока службы. По этой причине, развитие существующих и создание новых методов расчета волновой и ледовой нагрузок на стационарные морские гидротехнические сооружения специфичных форм представляется весьма актуальной проблемой.
8 Цель работы. Целью диссертационной работы является развитие и
разработка новых методов расчета волновой и ледовой нагрузок, включая
локальное давление льда на опоры морских гидротехнических сооружений.
Поставленная цель достигнута путем решения следующих задач:
Разработки методов расчета силового воздействия регулярных волн на подводное морское гидротехническое сооружение типа затопленный цилиндр и ледостойкое морское нефтегазопромысловое гидротехническое сооружение (МНГС) типа "монопод".
Усовершенствование метода расчета волновой нагрузки на цилиндрические преграды больших диаметров, пересекающих поверхность воды с учетом возвышения свободной поверхности по конту-РУ-
Разработки методов расчета ледовых нагрузок от воздействия дрейфующих торосистых образований, с учетом их метрических и прочностных характеристик, на опорные части ледостойких морских гидротехнических сооружений цилиндрической формы.
4. Разработки метода расчета локальных давлений на опорные части
ледостойких МНГС и портовые гидротехнические сооружения при
их взаимодействии с ровными ледяными полями и торосистыми
образованиями.
Методы исследований. Поставленная цель была достигнута использованием аналитического метода, включающего обобщение и анализ современного состояния вопроса по расчету волновых и ледовых нагрузок на морские нефтегазопромысловые и портовые гидротехнические сооружения и развитие методов расчета, апробированных результатами экспериментальных исследований. Эксперименты проводились, как в лабораторных, так и в натурных условиях на крупномасштабных моделях.
Научная новизна исследования состоит в более совершенном, с точки зрения инженерной практики, решении задач о взаимодействии регулярных волн с затопленной цилиндрической преградой большого диаметра и
9 морским нефтегазопромысловым гидротехническим сооружением типа "мо-
нопод". При определении волновых нагрузок на вертикальные цилиндрические преграды большого диаметра, пересекающих поверхность воды, учитывается влияние свободной поверхности по контуру преграды, которое приводит к соответствующему увеличению волновой нагрузки.
В процессе опытов была разработана, создана и внедрена экспериментальная установка, позволяющая синхронно регистрировать вертикальную и горизонтальную равнодействующие волновой нагрузки на модели морских гидротехнических сооружений сложных форм, что позволило повысить качество результатов экспериментальных исследований с моделями затопленного цилиндра и"монопода".
Используя комплексный подход в исследовании торосистых образований в Охотском, Карском и Баренцевом морях были выявлены соотношения в их метрических и прочностных характеристиках.
Результаты экспериментальных исследований в натурных и лабораторных условиях позволили установить эмпирическую зависимость снижения интегральной прочности торосов от их пористости. Она была положена в основу развития методов расчета ледовой нагрузки от полей торошения на опорные части ледостоиких МНГС.
Крупномасштабные эксперименты позволили получить опытные значения коэффициентов торосистости в зависимости от относительного диаметра опорной части ледостоиких сооружений и метрических характеристик расчетной модели тороса.
Предложен метод расчета суммарной ледовой нагрузки на основании принципа суперпозиции (от каждой из частей торосистого образования с учетом их метрических и прочностных характеристик).
Разработан метод расчета максимальных значений локального ледового давления на опорные части проектируемых ледостоиких морских гидротехнических сооружений с учетом площади контакта, прочностных свойств, а также скорости дрейфа и толщины ледовых образований.
10 Практическая значимость состоит в развитии и разработке методов
расчета волновых нагрузок на сооружения типа затопленный цилиндр, "мо-
нопод" и вертикальные опорные части в виде цилиндров большого диаметра
в зависимости от размеров сооружения, расчетных параметров волн и глубин
воды в месте установки сооружения.
Результаты исследований могут быть использованы при: назначении расчетных значений метрических и прочностных характеристик торосистых образований на основании материалов инженерных изысканий в конкретном районе строительства морских гидротехнических сооружений; определении ледовых нагрузок на ледостойкие МНГС от воздействия расчетного торосистого образования; расчетах локальных давлений льда на опорные части проектируемых гидротехнических сооружений при их взаимодействии с ровными ледяными полями и полями торошения.
Внедрение результатов работы. Рекомендации по определению волновых и ледовых нагрузок на ледостойкие морские нефтегазопромысловые гидротехнические сооружения предложены в первую редакцию ведомственного Свода Правил по проектированию ледостойких платформ. Кроме этого, рекомендации по расчету ледовой нагрузки от воздействия торосов на ледостойкие морские гидротехнические сооружения и по определению максимальных значений локальных ледовых давлений включены в ведомственный нормативный документ Р 31.3.07-01 "Указания по расчету нагрузок и воздействий от волн и льда на морские гидротехнические сооружения", которые дополняют и уточняют СНиП 2.06.04 - 82*. Данные нормы утверждены Департаментом регулирования производственной деятельности морских портов Министерства транспорта России и введены в действие с 1 января 2002 г.
Настоящая работа решает крупную народнохозяйственную проблему по проектированию, строительству и эксплуатации ледостойких морских нефтегазопромысловых и портовых гидротехнических сооружений, требующих развития методов расчета волновых и ледовых нагрузок. Диссертация является итогом комплексных исследований по целому ряду государствен-
ных научных программ, а также международных проектов "Выбор сооружений континентального шельфа для арктических регионов" и "Устойчивость ледостойких нефтегазопромысловых гидротехнических сооружений в арктических морях", которые были поддержаны Европейским Союзом в рамках Международной ассоциации по содействию сотрудничества с исследователями новых независимых государств бывшего СССР (INTAS - NIS).
Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся:
Усовершенствованный метод расчета волновых нагрузок на вертикальные цилиндрические преграды большого диаметра, учитывающий влияние возвышения свободной поверхности по контуру преграды.
Метод расчета волновых нагрузок на затопленные вертикальные цилиндрические преграды большого диаметра, основанный на теории дифракции с использованием концепции волн малой амплитуды.
Метод расчета волновых нагрузок на морские нефтегазопромысло-вые гидротехнические сооружения типа "монопод", основанный на теории дифракции с использованием концепции волн малой амплитуды.
Методика определения расчетных значений метрических и прочностных характеристик торосистых образований.
Эмпирическая зависимость снижения интегральной прочности торосов от их пористости.
Методы расчета ледовой нагрузки от воздействия дрейфующих торосистых образований на ледостойкие МНГС.
Рекомендации по учету локального давления льда на гидротехнические сооружения в зависимости от площади контакта, прочностных характеристик, типов и толщины ледовых образований, а также скорости их дрейфа.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на: Всесоюзной конференции и совещания по гидротехнике (Одесса, 1981 г); Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы проектирования, строительства, реконструкции и технической эксплуатации водно-транспортных гидротехнических сооружений" (Одесса, 1989 г); международной конференции 13th "Offshore Mechanics and Arctic Engineering" (Houston, USA 1994); международных конференциях "Освоение шельфа арктических морей России", состоявшихся в г. Санкт-Петербурге в 1997 и 1999 гг.; международных конференциях 16th "Offshore Mechanics and Arctic Engineering" and 14th "Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions" (Yokohama, Japan 1997); международной конференции 15th "Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions" (Finland, Helsinki 1999); международной конференции 16th "Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions" (Canada, Ottawa, Ontario 2001).
Публикации. Результаты настоящей работы опубликованы в 24 научных статьях, изданных в трудах российских и международных конференций как единолично, так и в соавторстве, в учебном пособии МГСУ, а также в научных отчетах общим объемом около 21 усл. п. л.
Личный вклад автора состоит в: общей постановке задач исследований; анализе состояния проблем; постановке задач аналитических и экспериментальных исследований; организации и проведении экспериментальных исследований; обработке, анализе и обобщении результатов; разработке рекомендаций по расчету волновых и ледовых нагрузок на морские гидротехнические сооружения.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Она содержит 312 страниц текста, 115 рисунков, 50 таблиц, 221 использованного источника, одного приложения.
Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту, профессору, доктору технических наук Г.Н. Смирнову, профессору Б.Д. Нос-
13
^ кову, заведующему кафедрой ВХ и МП, профессору, доктору технических
наук Ю.П. Правдивцу, а также сотрудникам Отраслевой научно-исследовательской лаборатории морских нефтегазопромысловых гидротехнических сооружений Московского Государственного Строительного Университета кандидатам технических наук Н.Д. Зуеву, А.Д. Истомину, Г.Н. Евдокимову, С.С. Варданяну, с.н.с. М.В. Мельникову и инженерам А.Б. Белову и Н.В. Шунько за помощь при выполнении настоящей работы.
Особую благодарность автор выражает координатору двух междуна
родных проектов, доктору технических наук Туомо Карна, сотруднику науч
но-технического центра Финляндии VTT. Благодаря участию автора в этих
6) проектах стало возможным проведение дорогостоящих экспериментальных
исследований по завершению ледовой части диссертационной работы.
%
Воздействие нерегулярных волн на вертикальные цилиндрические преграды большого диаметра
В процессе проектирования морских сооружений необходимо учитывать природу ветровых волн при расчетах волновых нагрузок, которые для случайного процесса могут определяться через безразмерные функции обеспеченности и стандартное отклонение по следующей формуле /34/: Ь Fx. расч - Піо/0СТ(.х . (1-28) где Ст[-Х- стандартное отклонение равнодействующей нагрузки от нерегулярных волн; - FV,% АЛ. CZ - - , ПІ% - —— - коэффициент обеспеченности значении случайной функции.
Задача о силовом воздействии нерегулярных двухмерных волн на вертикальную цилиндрическую преграду относительно большого диаметра решалась /62, 63, 36, 80/ с использованием теории дифракции двухмерных, регулярных волн малой амплитуды и линейной спектральной теории. Так как равнодействующая волновой нагрузки и опрокидывающий момент в данном случае линейно зависят от амплитуды гармонических волн, то для нерегулярных волн был использован принцип суперпозиции соответствующих гармонических составляющих. Тогда, согласно линейной спектральной теории и теории случайных процессов, стандарты равнодействующей волновой нагрузки и опрокидывающих моментов были получены в следующем виде: со о. ю / і со \Sx{co)dco = \Sn(a))0x(ia)fda) (1.29) где Sn((o) - частотный спектр взволнованной поверхности; \Фх.(іа)\ - модуль передаточной функции, который определяется для случайного процесса X отношением: \Фх(ш)= М, (1.30) х0(со) где X - случайная функция суммарной составляющей волновой нагрузки Q(t) или суммарного опрокидывающего момента M(t); хо(со) = h/2 - амплитуда гармоники волны с частотой со; Х0(со) - амплитуда гармонических функций равнодействующей волновой нагрузки Q(t) и суммарного опрокидывающего момента M(t) от волн с частотой со.
После подстановки выражений равнодействующей волновой нагрузки и суммарного опрокидывающего момента, на основе линейной теории волн в вы зо ражения (1.29) и (1.30) были получены зависимости, по которым определялись соответственно стандарты: QQ - равнодействующей горизонтальной волновой нагрузки Q(t); ам - суммарного опрокидывающего момента M(t): о() =pgna2\ JC,W — ка S„(a )d(a )\ ; (1.31) ом =pgna \ JC; о (ь)2 kd thkd + chkd Sn{co)dco\ , (1.32) Если подинтегральные функции в формуле (1.31) и (1.32) представить через средние параметры нерегулярных волн, то конечное выражение для равнодействующей горизонтальной волновой нагрузки будет иметь следующий вид: o()=pgm2h(thkd)Kav, (1.33) где Ка - безразмерный спектральный коэффициент стандарта равнодействующей волновой нагрузки.
Проведя аналогичные преобразования и используя (1.32), было получено выражение для суммарного опрокидывающего момента: oKI=pgna1h 2njK0 (1.34) где Ках - безразмерный спектральный коэффициент стандарта опрокидывающего момента. Таким образом, применение данного метода расчета позволяет учитывать нерегулярность ветрового волнения, воздействующего на морские гидротехнические сооружения. Расчет волновой нагрузки на вертикальные цилиндрические преграды большого диаметра по рекомендациям действующих норм
В настоящее время в нашей стране расчетную горизонтальную волновую нагрузку на вертикальные цилиндрические преграды можно определять в соот 31 ветствии с рекомендациями нормативных документов общероссийского /75/ и ведомственного /15/. Во всероссийском нормативном документе волновые нагрузки на цилиндрические преграды большого диаметра рассчитываются в соответствии с формулой, учитывающей только инерционный компонент: й. = pgnb2hkva,fi,, (1.35) где Ъ или D - диаметр цилиндрической преграды; к\ - коэффициент учитывающий относительный диаметр цилиндрической преграды D/X; ctj- инерционный коэффициент глубины; Д - инерционный коэффициент формы вертикальной преграды (для цилиндра Д = 1).
Нормы /75/ рекомендуют использование данной расчетной зависимости при диаметре цилиндрической преграды D 0,4А, и глубине воды d dcr. Концепция данной расчетной зависимости такова, что гидродинамическая структура волн не нарушается при взаимодействии с цилиндрической обтекаемой преградой. Тем не менее, следует отметить, что применение данного подхода выходит за пределы теории обтекания, так как при D/A, 0,2 будет проявляться дифракция волн.
Воздействие волн на составные вертикальные цилиндрические преграды типа "монопод"
Таким образом, горизонтальная равнодействующая волновой нагрузки Fx, действующая на "монопод", представляется суммой сил на боковые поверхности основания и опорной колонны: 2л il-i 2л d F = \\ r-b i + W P\\r-adS\= \ ]Pibcos6d6dz+ j \P,acos6d6dz. (2.33) .S j .V, Od, 0 0 Вертикальная равнодействующая волновой нагрузки Fz определяется из выражения: 2л h F_ = Jj/ dS= j \rP,drd6. (2.34) .V 0 и Общий опрокидывающий момент относительно точки Oi (см. рис. 2.5) находится как сумма моментов от действующих горизонтальных и вертикаль ной сил: М. \\P2(d2 -z)dS2 + \\P№i -z)dS\ + \\rP, cos6dS . (2.35) Подставив в (2.33), (2.34) и (2.35) потенциалы скоростей рп с определенными коэффициентами а„,,/зп1 и дт, были получены выражения для равнодействующих волновой нагрузки и опрокидывающего момента на "монопод": + V Ю (2.36) kchkd2 { \ со .fl iRe{lv-(a1JIM + (5l//;2,(A1a))}]. л, F_=-2n- )rRQ{ie-(a0JSk]r) S0H ik]r)))dr. (2.37) M,. = ,. ., № - z)cA (d2 - z)cfe + f— 1(d7 - z)c/i , (d, - z)rfz shk{d2-dx)l к /, shk d.lk.o - n ТГ7 R ie " (a Jfar)+ Н\г)(к,фг. (2.38) После промежуточных преобразований, приведенные выше выражения, представляются в следующем виде для нахождения максимальных нагрузок: РГ = FZ, + FZ = PghMd2 - dx )F m + pghna2th{k,dx )F;k, (2.39) где F n , F - силы, действующие на основание и колонну; FT =2pgh,(b2 -а2К , (2.40) , hshk(d1 - d.) h ,, , где h2 =—, "— - !—, //, = , а зависимости коэффициентов Fu , F xk, Fl k\d2 — d )chkd2 cM,d, представлены на рис. 2.6, 2.7. Максимальный общий опрокидывающий момент на "монопод" представляется как сумма моментов сил, приложенных к основанию, его поверхности и опорной колонне "монопода". В общем виде максимальный момент Л4х можно записать как: М max = F max (of, - d. W + F d2c - F,nax M —. (2.41) v x fcii \ 2 1 / z x кол 2 г г v j- і V / /\ Зависимости коэффициентов h _, с ., M\, - представлены на рис. 2.8 - 2.10. Параметры с: и с , связаны следующим соотношением: c=c,iL+dlZd1 (242) d2 d2 Физический смысл параметров h\, с. состоит в том, что они определяют точки приложения максимальных нагрузок к основанию и колонне "монопода". Так, например, при малых градиентах силы вдоль образующей основания точка приложения максимального значения силы стремится к половине длины образующей основания, при увеличении градиента силы точка приложения максимальной силы перемещается к вершине основания "монопода". То же самое относится и к коэффициенту с на опорной колонне.
Таким образом, с помощью предложенных расчетных зависимостей /65/ можно производить оценку волновых воздействий на сооружения континентального шельфа типа "монопод" для следующей области применения: 0,4 nD/X 2,5; 0,4 d/D 1,25; 0,125 (d2 - d,)/d2 0,3; 0,15 a/b 0,35. Определение поля давлений от волн на кровлю "монопода" может быть использована также приближенная зависимость: h / , =0,5pg-—Tcos{k]x-wt), (2.43) chk]dl которая основана на предположении, что гидродинамические точечные давления Р/, нормальные к кровле преграды, принимаются равными гидродинамическим давлениям на дно бассейна в свободной волне с волновым числом к і и при глубине жидкости равной d\.
Воздействие волн на вертикальные цилиндрические преграды
В классическом решении М.Д. Хаскинда /82/ о дифракции волн на вертикальной цилиндрической преграде суммарная горизонтальная составляющая волновой нагрузки определяется путем интегрирования поля волнового давления по поверхности цилиндра от статического горизонта до дна. Тем не менее, явление дифракции приводит к существенному искажению профиля волны у цилиндрических преград большого диаметра. По этой причине влияние возвышения взволнованной поверхности воды над статическим уровнем приводит к увеличению волновой нагрузки за счет дополнительного давления от уровня взволнованной поверхности.
В качестве первого приближения, при решении поставленной задачи, полагаем, что эпюра давления от линии пересечения взволнованной поверхности с контуром цилиндра до статического горизонта распределяется по гидростатическому закону (рис. 1.5). В этом случае, если проинтегрировать по контуру надводной части цилиндра горизонтальную, по лучу волны, проекцию силы по эпюре, то таким образом, можно получить дополнительную силу A F к горизонтальной равнодействующей волновой нагрузки на вертикальный круговой цилиндр относительно большого диаметра (D/A. 0,2). 1 л №=-pgh2D\\x\xcos6d6, (2.44) 2 о где х возвышение взволнованной поверхности воды у цилиндрической преграды /9/; в - угол в полярной системе координат.
Исходя из того, что с позиций теории дифракции, горизонтальную равнодействующую волновой нагрузки FD на вертикальный круговой цилиндр, пересекающий свободную поверхность воды, можно представить в следующем виде: Fn=\pghnC,D2thkd, (2.45) о то суммарная волновая нагрузка F = Fn + AF. (2.46)
Разделив каждый член уравнения (2.46) на FD, получим выражение коэффициента кп, учитывающего добавку к горизонтальной нагрузке FD, если принимать во внимание возвышение свободной поверхности воды у цилиндрической преграды:
Методы проведения экспериментальных исследований
Результаты экспериментальных исследований силового воздействия регулярных волн на затопленный цилиндр /24, 51, 57/ сравнивались с расчетными значениями вертикальной и горизонтальной составляющих волновой нагрузки, вычисленными по рекомендациям действующего ведомственного нормативного документа /15/. Кроме этого, опытные значения волновой нагрузки сравнивались с расчетными, определенными по зависимостям, полученными автором /23/. В расчетах использовались параметры волн, зарегистрированные в экспериментах. Опытные и расчетные значения волновой нагрузки представлены в таблицах 4.1 и 4.2, а на рис. 4.1 и 4.2 приведено их сравнение в графическом виде. При этом по оси ординат откладывались приведенные безразмерные значения волновой нагрузки в зависимости от параметра дифракции nD/X.
Сравнение опытных и расчетных значений волновых нагрузок позволило оценить расхождения методов расчета горизонтальной и вертикальной составляющих волновой нагрузки на затопленные цилиндрические преграды в диапазоне безразмерных параметров, представляющих практический интерес. Как видно из графиков на рис. 4.1, при одних и тех же параметрах волн, опытные значения горизонтальной составляющей волновой нагрузки на затопленный цилиндр удовлетворительно совпадают с расчетными значениями, вычисленными в соответствии с аналитическим решением автора, приведенном во второй главе. При этом максимальные расхождения не превышают ± 10 %. Расхождения опытных и расчетных значений вертикальной составляющей волновой нагрузки (рис. 4.2) являются также удовлетворительными и находятся в диапазоне от 9% до - 3,6%.
Расхождение опытных данных с рассчитанными по рекомендациям ведомственных норм /15/, объясняется тем, что концепция аналитического решения /73/, положенная в основу рекомендаций норм, не вполне соответствует процессу воздействия регулярных волн на вертикальные затопленные цилиндры. Это в первую очередь относится к выбору дополнительных граничных условий по расходу. Таким образом, применение рекомендаций действующих норм /15/ в инженерной практике приведет к однозначному завышению горизонтальной составляющей волновой нагрузки и занижению ее вертикальной составляющей при проектировании подводных гидротехнических сооружений в виде затопленного цилиндра. В свою очередь выявленное несоответствие будет причиной существенной погрешности при оценке суммарного опрокидывающего момента на проектируемые сооружения.
Исходя из изложенного выше, в Свод Правил по проектированию ледо-стойких платформ /72/, на основании аналитических и экспериментальных исследований, выполненных под руководством и при участии автора, были разработаны рекомендации по расчету горизонтальной и вертикальной составляющих волновой нагрузки на подводные морские гидротехнические сооружения типа затопленный цилиндр /59/.
Поскольку в нормативных документах нашей страны /75, 15/ отсутствуют рекомендации по расчету волновой нагрузки на морские нефтегазопромысло вые гидротехнические сооружения типа "монопод", то результаты экспериментальных исследований /24, 51, 57/ сравнивались с расчетными в соответствии с аналитическим решением, разработанным автором в настоящей работе /58/. В таблицу 4.3 сведены опытные и расчетные значения волновой нагрузки, а также расхождения между ними в процентах. Как показало сравнение, выявленные расхождения, как для горизонтальной, так и для вертикальной составляющих волновой нагрузки на "монопод" находятся в интервале ±10%, что в принципе соответствует погрешностям измерений при проведении такого рода экспериментальных исследований. На рис. 4.3 представлено сравнение расчетных и опытных значений горизонтальной составляющей волновой нагрузки, а на рис. 4.4 вертикальной составляющей волновой нагрузки в графическом виде. Кроме этого, на рис. 4.3 и 4.4 нанесены соответствующие расчетные значения волновой нагрузки, вычисленные с помощью зависимостей, основанных на аналитическом решении задачи о воздействии регулярных волн на сооружения данного типа /73/. Анализ результатов сравнения показал, что опытные и расчетные значения горизонтальной составляющей волновой нагрузки удовлетворительно совпадают. В отношении вертикальной составляющей волновой нагрузки выявлены расхождения, которые могут достигать почти 40 %. Как и в случае с затопленным цилиндром, это несоответствие приведет к существенной ошибке при определении суммарного опрокидывающего момента на проектируемые сооружения данного типа. Причины таких расхождений идентичны тем, которые выявлены для случая с затопленным цилиндром, поскольку соответствующие аналитические решения в работе /73/ основаны на одних и тех же предпосылках.
Следует отметить, что представленные на рис. 4.3 и 4.4 обобщенные безразмерные зависимости могут применяться лишь для оценочных расчетов максимальных волновых нагрузок на предварительных стадиях проектирования. Более точные расчеты волновой нагрузки и суммарных опрокидывающих моментов должны производится по программе разработанной на основании решения уравнений, представленных во второй главе.
Вертикальные цилиндрические преграды
Следующая серия опытов была проведена в аналогичных условиях. Для прорезания килевой части тороса также применялась металлическая платформа площадью 2 х 2 м , но ее нагружение осуществлялось гидравлическим домкратом. Усилие прорезания льда при этом составило 400 кН. Эксперименты /26, 30/ показали, что предел прочности на срез килевой части торосов для данных условий находился в диапазоне 1,7 -ь 2,4 кПа. Основной целью этих экспериментов было исследование частично консолидированной нижней части торосистых образований, где сцепление между ледяными обломками является основной связующей силой.
На основании анализа экспериментальных данных, было установлено, что килевая часть торосов составлена из частично консолидированных ледяных обломков. Поэтому, прочность на срез представляется как функция сцепления и трения между обломками льда и площади среза. В работе /156/ для оценки прочности на срез подводной части тороса был использован критерий разрушения Кулона-Мора.
Кроме вышеперечисленных исследований прочности на срез килевой части натурных торосистых образований, были проведены опыты по определению прочности на срез торосов и в лабораторных условиях /216, 156, 112, 157, 183, 114/. В работах /156, 157/ представлены опытные данные различных авторов, полученных на моделях торосов. Пределы прочности на срез модельных торосов находились в диапазоне от 0,7 до 5,2 кПа.
Исследование прочности средней и нижней частей торосов было проведено также и финскими специалистами на дрейфующих ледяных полях Охотского моря в 1990 ч- 1991 гг /160/. При этом применялся известный, при исследованиях грунтов, прессиометрический метод. Прочностные свойства торосистых образований определялись в скважинах, пробуренных в непосредственной близости от паруса тороса. Зонд прессиометра опускался в скважину на глуби ны: 0,6; 1,2; 2,0; 3,0; 4,0 и 4,7 м от поверхности воды, где определялись усилия разрушения льда.
В результате экспериментальных исследований было установлено, что на расстоянии 0,6м от уровня воды прочность на сжатие Rc равнялась 3,2 МПа, а на глубине 4,7 м - 0,4 МПа. Эти данные соответствуют ранее полученным результатам по прочности на сжатие образцов из торосистых образований для условий Охотского моря /27, 55/.
Прочности отдельных частей торосистого образования позволили оценить результаты измерения ледовых нагрузок на опору маяка Кеми /178/. Максимальное давление от консолидированной части тороса составило величину 7,5 МПа. На глубине 5 м ниже уровня воды давление обломков неконсолидированной части киля тороса находилось в интервале 0,2 -=- 0,6 МПа.
Такого же порядка данные были получены авторами работы /112/ при изучении воздействия торосистого образования на шпунтовую стенку в полевых условиях. На уровне 0,95 м выше поверхности воды было зарегистрировано усилие 1,61 МН на опору при площади контакта 0,44 м2.
Авторы работы /207/ проводили обследования торосистых образований в северной части Балтийского моря в зимние периоды 1990 ч- 1991 гг. Прочностные свойства торосистых образований исследовались путем определения прочности на одноосное сжатие образцов льда, изготовленных из обломков надводной и консолидированной частей двух торосов. При температурах льда от -20С до -8С получены высокие значения пределов прочности образцов на одноосное сжатие от 3,7 МПа до 7,7 МПа. Следует отметить, что образцы отбирались и испытывались в двух направлениях: параллельном и перпендикулярном поверхности намерзания льда.
В зимние периоды 1997 -г- 1998 гг под руководством K.R. Croasdale /196/ в Охотском море были проведены комплексные исследования прочностных характеристик килевой части торосов. При этом исследовалась пористость, а также прочность льда с помощью скважинного домкрата. В опытах определялась плотность, температура и соленость льда.
Выполненный обзор исследований прочностных свойств торосистых образований в натурных условиях показывает, что полученные данные носят разрозненный характер и не дают даже приближенного представления об интегральной прочности торосистых образований, которую необходимо учитывать при расчетах ледовой нагрузки на морские стационарные сооружения.
