Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор проблемы 13
1.1. Анализ особенностей существующих наплавных железобетонных конструкций 13
1.2. Анализ особенностей возведения и установки наплавных железобе тонных блоков 26
1.3. Анализ применяемых ранее методов расчёта напряжённо – деформированного состояния и армирования наплавных железобетонных блоков 32
Выводы по главе 1 41
ГЛАВА 2. Методика проведения расчётных исследований напряжённо –деформированного состояния, расчётов прочности и армирования конструкций наплавных железобетонных блоков 44
2.1. Методика проведения расчётных исследований напряжённо – деформированного состояния наплавных железобетонных блоков
2.1.1. Методика проведения расчётных исследований напряжённо – деформированного состояния наплавных железобетонных блоков инженерными методами .44
2.1.2. Методика проведения расчётных исследований напряжённо – деформированного состояния наплавных железобетонных блоков численными методами 48
2.1.2.1. Методика численного моделирования наплавных железобетонных блоков 48
2.1.2.2. Разработка расчётных схем и конечно-элементных моделей наплавных железобетонных блоков 52
2.1.2.3. Методика расчётных исследований напряжённо – деформированно го состояния наплавных железобетонных блоков с учётом сейсми ческой нагрузки 70
2.2. Методика расчётов прочности и армирования наплавных железобе тонных блоков 75
Выводы по главе 2 78
ГЛАВА 3. Разработка новой конструкции наплавных железобетонных бло-ков, новый способ их изготовления, транспортировки, посадки на подводное основание и балластировки . 80
3.1. Исходные предпосылки для разработки новой конструкции. 80
3.2. Разработка новой конструкции наплавных железобетонных блоков 88
3.3. Разработка нового способа изготовления наплавных железобетонных блоков .93
3.4. Способ транспортировки наплавных железобетонных блоков с помощью понтонов 97
3.5. Разработка нового способа посадки наплавных железобетонных блоков на естественное подводное основание. 99
3.6. Совершенствование способа балластировка наплавных железобетонных блоков 100
Выводы по главе 3 102
ГЛАВА 4. Научное обоснование новых технических решений конструкции наплавных железобетонных блоков с уточнением схем армирования, расчёты остойчивости при транспортировке и устойчивости на естественном подводном основании .104
4.1. Расчёты остойчивости наплавных железобетонных блоков при транспортировке своим ходом 104
4.2. Расчёты устойчивости наплавных железобетонных блоков на естественном подводном основании 106
4.3. Результаты расчётных исследований напряжённо – деформированно состояния наплавных железобетонных блоков 116
4.4. Результаты расчётов прочности с уточнением схем армирования
наплавных железобетонных блоков 129
Выводы по главе 4 .142
Заключение .145
Литература .
- Анализ применяемых ранее методов расчёта напряжённо – деформированного состояния и армирования наплавных железобетонных блоков
- Методика проведения расчётных исследований напряжённо – деформированного состояния наплавных железобетонных блоков численными методами
- Способ транспортировки наплавных железобетонных блоков с помощью понтонов
- Расчёты устойчивости наплавных железобетонных блоков на естественном подводном основании
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Энергетическая стратегия России до
2035 года, утвержденная Правительством Российской Федерации в 2015 году,
планирует увеличение мощности ГЭС России к 2035 году, в том числе и за счёт
возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в 1,2 – 1,3 раза. В мировой
практике использования ВИЭ серьёзное внимание обращается на
нетрадиционные, экологически чистые источники энергии, в частности приливную энергию. Так, в 1966 году во Франции была сооружена приливная гидроэлектростанция (ПЭС) «Ля Ранс» с установленной мощностью 240 МВт, в СССР в 1968 г. – Кислогубская ПЭС с установленной мощностью 800 кВт, в 2011 г. Южной Корее – ПЭС с установленной мощностью 254 МВт.
Строительство ПЭС «Ля Ранс» и «Сихва» осуществлялось путём выделения площадки строительства под здание гидроэлектростанции отсекающими плотинами в море. Данный способ ведёт к существенному удорожанию строительства по сравнению со строительством Кислогубской ПЭС, включающей железобетонный блок, изготовленный в сухом доке на берегу и доставленный к месту установки наплавным способом по воде. При этом опыт Кислогубской ПЭС показал, что подготовка подводного основания потребовала значительных материальных и временных затрат.
Одновременно наплавной способ строительства требует, чтобы корпус
железобетонных блоков обладал максимальной плавучестью, позволяющей
буксировать его по морю с наименьшей осадкой и устанавливать его в створе,
и в то же время достаточной прочностью и устойчивостью, чтобы
воспринять строительные и эксплуатационные нагрузки и воздействия.
Сложность, продолжительность и большая стоимость подготовки
подводного основания под наплавные блоки поставили вопрос о необходимости преодоления этих проблем.
В процессе проектирования Северной ПЭС в Баренцевом море на побережье Кольского полуострова в АО «НИИЭС» было принято решение
отказаться от подготовки подводного основания и осуществить посадку
наплавных железобетонных блоков на естественное подводное основание с
соблюдением требуемых строительных допусков. При этом прочностные и
деформационные характеристики грунтов основания должны
соответствовать расчётным значениям нагрузок, передаваемым сооружением на грунт.
Таким образом, потребовалось совершенствование конструкции наплавных железобетонных блоков, а также способов изготовления, транспортировки, балластировки и посадки на основание.
Степень её разработанности. Сегодня в мировой гидротехнической практике наплавные конструкции изготавливаются с горизонтальной поверхностью фундаментной плиты и устанавливаются на подготовленное основание. Данные технические решения приняты в зарубежных проектах ПЭС Фанди, Северн, в отечественных проектах Мезенской, Тугурской ПЭС и др. Мероприятия, связанные с подготовкой основания, требуют больших капиталовложений и времени. В настоящей диссертационной работе представлена усовершенствованная конструкция и научное обоснование наплавных железобетонных блоков гидросооружений с посадкой на естественное подводное основание.
Цели и задачи. Разработка и научное обоснование усовершенствованной конструкции наплавных железобетонных блоков и способов их изготовления, балластировки, транспортировки и посадки на естественное подводное основание, в том числе для применения их в створах ГЭС и ПЭС. Для достижения намеченных целей исследований были поставлены следующие основные задачи:
– обобщить опыт проектирования и расчётного обоснования
существующих конструкций наплавных железобетонных блоков, опыт изготовления, транспортировки, балластировки и посадки их на подводное основание;
– усовершенствовать конструкцию наплавного железобетонного блока в составе гидроузла на глубинах до 30 метров, позволяющую устанавливать её на естественное подводное основание;
– разработать новый способ изготовления конструкции наплавных железобетонных блоков (в том числе предварительное изготовление формы (макета) подводного основания для бетонирования днищевой плиты) в заводских условиях;
– обосновать новый способ балластировки конструкции наплавных железобетонных блоков для случаев их транспортировки и посадки на естественное подводное основание;
– разработать способ посадки наплавных железобетонных блоков на естественное подводное основание, который исключает необходимость трудоёмких подводных работ;
– усовершенствовать методику численного моделирования наплавных железобетонных блоков совместно с основанием, включая особенности моделирования водной среды;
– разработать трёхмерные математические конечно – элементные модели наплавного железобетонного блока совместно с массивом подводного основания и с учётом окружающей водной среды;
– усовершенствовать методику расчёта прочности железобетонных конструкций при сложном напряжённом состоянии;
– провести комплексное расчётное научное обоснование
усовершенствованной конструкции наплавного железобетонного блока для всех стадий жизненного цикла данного сооружения на действие статических и сейсмических нагрузок, в том числе при транспортировке к месту установки блока на подводное основание с учётом особенностей моделирования водной среды;
– усовершенствовать схемы армирования железобетонных конструкций наплавных блоков.
Научная новизна работы заключается в следующем:
– усовершенствована конструкция наплавного железобетонного блока, в том числе форма днищевой плиты сложной конфигурации, соответствующая рельефу естественного подводного основания;
– разработан способ изготовления конструкции наплавных
железобетонных блоков, имеющих днищевую плиту сложной конфигурации, включая изготовление формы (макета) подводного основания в сухом доке;
– предложен новый способ балластировки наплавного железобетонного блока, как в сухом доке для его транспортировки, так и для его посадки на естественное подводное основание и последующей эксплуатации;
– разработан способ посадки наплавного железобетонного блока на естественное подводное основание без его предварительной подготовки, позволяющий существенно снизить трудозатраты и сократить сроки строительства;
– усовершенствована методика численного моделирования наплавных железобетонных блоков совместно с основанием, включая особенности моделирования водной среды;
– впервые разработаны трёхмерные конечно – элементные модели наплавного железобетонного блока («сооружение – основание», «сооружение – водная среда») для всех стадий жизненного цикла данного сооружения (в том числе изготовление, транспортировка, эксплуатация), включающие массив подводного основания, а также окружающую водную среду;
– усовершенствована методика расчёта прочности железобетонных конструкций при сложном напряжённом состоянии;
– выполнено комплексное расчётное научное обоснование
усовершенствованной конструкции наплавного железобетонного блока на действие статических и сейсмических нагрузок, в том числе при транспортировке к месту установки на естественное основание с учётом особенностей моделирования водной среды;
– получены новые результаты (в том числе на основе трёхмерных конечно – элементных моделей) расчётных исследований напряжённо –
деформированного состояния железобетонных наплавных блоков при различных сочетаниях нагрузок, в том числе при транспортировке наплавного железобетонного блока к месту его установки, при посадке на естественное основание и последующей эксплуатации;
– усовершенствована схема армирования наплавных железобетонных блоков.
Теоретическая и практическая значимость работы. Практическая
ценность работы заключается в следующем: принципиально обоснована
возможность в отечественной практике гидротехнического строительства возведения сооружений напорного фронта из наплавных железобетонных блоков с посадкой их на естественное подводное основание.
Разработанные и обоснованные новые технические решения позволяют
сократить сроки возведения и снизить стоимость строительства
гидротехнических сооружений (плотин ГЭС и ПЭС, шельфовых и берегоукрепительных сооружений, подводных туннелей, опор для мостов) с применением наплавных железобетонных конструкций.
Усовершенствованная методика численного моделирования позволяет
определять напряжённо-деформированное состояние наплавных
железобетонных блоков (в том числе на основе трёхмерных конечно –
элементных моделей системы «сооружение – основание», «сооружение – водная среда») на всех стадиях жизненного цикла сооружения.
Практическое применение результатов работы может обеспечить
существенный экономический эффект, полученный от реализации
предложенных конструктивных, технологических и строительных
мероприятий, связанных с посадкой наплавного железобетонного блока на естественное подводное основание.
Методология и методы исследования. На начальной стадии
исследований напряжённо – деформационного состояния применялись
инженерные методы теории упругости, сопротивления материалов,
строительной механики. Окончательные результаты получены численными
методами (МКЭ) на основе пространственных конечно-элементных моделей железобетонных конструкций наплавных блоков.
Личный вклад автора состоит в обобщении материалов, касающихся наплавных железобетонных конструкций в отечественной и мировой практике. При непосредственном участии автора проводились разработки конструкции наплавных железобетонных блоков, формы (макета) подводного основания и способа их изготовления в сухом доке. Автором выполнена разработка нового способа балластировки для случая транспортировки и посадки блока на естественное подводное основание. Автор принимал непосредственное участие в формулировании задач расчётных исследований, проведении расчётных исследований и анализе их результатов. Автором усовершенствована методика расчёта прочности при сложном напряжённом состоянии и схемы армирования наплавных железобетонных блоков с посадкой их на естественное подводное основание.
Положения, выносимые на защиту:
– новые технические решения конструкции наплавных железобетонных блоков (в том числе днищевой плиты сложной конфигурации, отображающей
естественную поверхность подводного основания);
– способ изготовления конструкции наплавных железобетонных блоков в сухом доке, включая предварительное изготовление формы для бетонирования днищевой плиты, отображающей поверхность основания;
– новый способ балластировки наплавных железобетонных блоков для случаев транспортировки и посадки на подводное естественное основание;
– новый способ посадки наплавных железобетонных блоков на естественное подводное основание без его предварительной подготовки;
– разработанные впервые трёхмерные конечно – элементные модели наплавных железобетонных блоков, включающие массив подводного основания, а также окружающую водную среду при транспортировке по воде;
– новые результаты комплексного расчётного научного обоснования
(в том числе новые результаты исследований НДС наплавных железобетонных блоков);
- усовершенствованная схема армирования наплавных железобетонных блоков.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов расчётных исследований обеспечивается применением сертифицированных, лицензированных программных вычислительных комплексов («ADINA», «КРЭК»), сопоставлением численных решений с аналитическими решениями. Достоверность новых технических и технологических решений подтверждена соблюдением действующих нормативно - методических документов, сопоставлением с действующими аналогами.
Основные положения диссертационной работы докладывались на Международных научно-практических конференциях:
V научно - техническая конференция ОАО «РусГидро»: «Гидроэнергетика. Новые разработки и технологии», Санкт-Петербург, ОАО «ВНИИГ» им. Б. Е. Веденеева, 1-5 декабря 2010г.;
«Проблемы развития мелиорации и водного хозяйства и пути их развития», Москва, ФБГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства», 11-12 апреля 2011 г.;
«Роль мелиорации и водного хозяйства в инновационном развитии АПК», Москва, ФБГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства», 6 - 18 апреля 2012 г.;
«Мелиорация в России - традиции и современность», Москва, ФБГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства». 24 - 25 октября 2012 г.;
VI научно-практическая конференция «Инженерные системы - 2013», Москва, ФГБОУ ВПО «Российский университет дружбы народов», 24 -26 апреля 2013 года;
- научно-технических советах ОАО «РусГидро», ОАО «НИИЭС».
Результаты данной работы внедрены в проектную документацию Северной опытно - промышленной приливной электростанции в губе Долгая Баренцева моря (справка о внедрении от 29. 12. 2009 № 9 - 01 - 460 ОАО «РусГидро»).
По результатам диссертационного исследования опубликовано 11 печатных работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых научных журналах из перечня, рекомендованного ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографии (94 наименований, 19 на иностранных языках), содержит 157 страницу и 26 страниц приложений, 84 рисунка и 11 таблиц.
Анализ применяемых ранее методов расчёта напряжённо – деформированного состояния и армирования наплавных железобетонных блоков
Наплавной способ возведения сооружений известен давно. Так строились и строятся маяки, причальные стенки, подводные туннели и доки. В последнее время этот способ широко используется при строительстве плавучих буровых платформ, устанавливаемых на больших глубинах. Но для постоянных гидросооружений, входящих в состав напорного фронта, впервые применены при возведении плотины "Дельта – план" в Нидерландах и для Кислогубской приливной электростанции (ПЭС) в СССР [23].
Позже были сооружены секции Канонерского туннеля и наплавные фундаменты опор линии электропередач перехода через Каховское водохранилище, на которых пять 100 – метровых опор были доставлены по воде вначале 1977 г., а затем, в 1984 г., три 126 – метровые опоры перехода [10].
Профессор Wilson E. [78 86, 93], известный, как ведущий английский специалист по приливной энергии, писал в 1983 году: «Когда французы в конце 60-х гг. заканчивали сооружение ПЭС Ранс, советские инженеры размышляли о том, как им последовать этому примеру у своих побережий, внеся при этом свой оригинальный вклад в разработку схем ПЭС». Л. Б. Бернштейн предложил, запроектировал и на Кислогубской ПЭС осуществил метод сооружения наплавного здания ПЭС, согласно которому его можно возвести в строительном доке, а затем буксировать по воде на исходную позицию и опускать на заранее подготовленное, выровненное насыпное основание [4,5]. Это был впечатляющий скачок вперед, означавший, что можно обойтись без сложностей, связанных с возведением в море временных перемычек [6]. При строительстве ПЭС Ранс сооружение перемычек вылилось в очень сложную проблему, и был период, когда оно поставило под угрозу осуществление всего проекта.
Идея применения наплавной конструкции занимала человечество давно. Из описаний Флавия известно, что еще в I веке до н.э. во времена Римской империи царь Ирод Великий на берегу Средиземного моря (на территории нынешнего Израиля) построил порт Цезарея. Молы, ограждающие гавань, римские инженеры возвели наплавным способом из гигантских по меркам того времени блоков (15 5 2,7 м). Блоки эти водоизмещением до 200 тонн выполнялись в виде деревянного короба из двойных стенок (опалубки) с переборками. Короб наплаву доставлялся к месту установки и при заполнении опалубки постепенно погружался на подводное основание, выровненное специально натренированными ныряльщиками
Известны были ряжевые конструкции для осадной артиллерии, которые при Иване Грозном были заготовлены в Свияжске, а затем наплаву доставлены по Волге для штурма Казани. И уже в наше время при строительстве Нижне – Туломской ГЭС наплавным способом были выполнены ряжевые перемычки. В России впервые в начале 40 – х годов было высказано предложение инженера В.Л. Мошковича о строительстве Ярославской ГЭС наплавным способом. Позднее член - корреспонденты АН СССР Б.К. Александров и Н. А. Малышев предложили строительство наплавным способом Камской ГЭС. Решение вопросов проектирования наплавных конструкций продолжили ведущие специалисты АО «Институт Гидропроект», АО «Ленгидропроект», АО «ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева», АО «НИИЭС», ФГБОУ ВПО «МГУП», ФГБОУ ВПО «МГСУ»: Л. Б. Бернштейн, В. Г. Гаврилов, И. М. Евдокимова, М. И. Зборовская, В. А. Зимнюков, С. Л. Гельфер, Н. М. Иванцов, Б. Л. Историк, Т. А. Каденкина, С. Н. Кураев, С. Е. Лисичкин, М. Л. Моносов, О. А. Муравьёв, Г. Ф. Онипченко, А. Д. Осипов, Л. Н. Рассказов, О. Д. Рубин, Ю. К. Севе-нард, В. Н. Силаков, В. Б. Судаков, И. Н. Усачёв, Б. Н. Фельдман, В. Я. Шайтанов, Ю. Б. Шполянский и др. Когда появился горизонтальный агрегат, наплавной способ для ПЭС приобрел реальное значение. Импульсом к этому явилась идея Gibrat R. о возможности возведения ПЭС в виде плавучего дока [24].
Сооружение здания Кислогубской ПЭС, на тот момент (пуск в эксплуатацию в 1968 г.) совершенно новой конструкции, выполняемой наплавным способом, выдвинуло много задач, решение которых требовало проведения целого комплекса исследовании, преодоления многочисленных трудностей и требований, имевших зачастую противоречивый характер. Действительно, наплавной способ строительства требовал, чтобы корпус здания ПЭС обладал максимальной плавучестью, т. е. легкостью, позволяющей буксировать его по морю с наименьшей осадкой, и в то же время повышенной прочностью, чтобы выдержать напор морской стихии. Сложность, продолжительность и большая стоимость подготовки основания под наплавные блоки поставило вопрос о возможности преодоления этих проблем. Посадке блока на дно предшествовала трудоёмкая и дорогостоящая работа по подготовке подводного котлована и основания, в следствии чего И. Н. Усачёвым была предложена возможность посадки блоков на естественное подводное основание. Стремление кардинально решить задачу индустриализации возведения гидротехнических сооружений привело к появлению ряда проектов плотин из наплавных элементов. Первая такая конструкция была предложена в 1950 г. для ПЭС Шозе. Она представляет собой железобетонную плотину с полостями, загружаемыми водой и грунтом. Высота плотины может изменяться в зависимости от рельефа дна от 30 до 100 м и должна противостоять океанской волне, идущей из Ла-Манша. Плотина состоит из сборных железобетонных элементов, образующих блоки размерами 52x26x38 м. Указанные элементы доставляются к месту сооружения на плаву. В собранном виде масса полого массива составляет 3000 5000 т, что обеспечивает его устойчивость при расчетной высоте волны.
В 1958 г. предложен проект плотины ПЭС из более крупных наплавных блоков. При водоизмещении 32 тыс. т они будут иметь осадку 23 м. Изготов 16 ление предлагается вести на стапелях, расположенных на одном из островов архипелага Шозе, с последующей буксировкой к створу плотины.
Туннель метрополитена в Сан – Франциско состоит из 57 блоков длиной 100 м и массой 14 тыс.т каждый, установленных на глубине 40 м, туннель в Гамбурге из 8 блоков длиной 123 м и массой 50 тыс.т, установленных на глубине 20 м. Затем последовала серия сооружений, возводимых по Дельта – плану в Нидерландах: 117 сквозных блоков, допускающих временный пропуск воды плотины Вишергат, установленных на глубине 10 м. Эти блоки имели размер 63x19x18 м; толщина стенок 30 см, водоизмещение по 2500 т. В последние годы по этому же проекту установлены 62 наплавных устоя высотой 48 м и массой 18 тыс. т плотины Восточной Шельды длиной 2,8 км, установленных на глубинах 15 м. К ним относится также и 520 - метровая плотина для защиты от наводнений Лондона, где наплавными выполнены плиты порогов (размером 61x10 м и высотой 9 м, водоизмещением 10 тыс. т), а бычки возводились в перемычках.
В проекте Котантен – Центр 1982 г. возведение ограждающих кольцевых плотин на глубинах до 12 м принято из железобетонных ячеистых наплавных блоков высотой около 30 м (рис. 1.1.1).
В полносборном исполнении в 1977 г. было установлено пять 100-метровых опор перехода через Днепр линии электропередачи на железобетонных фундаментах-поплавках диаметром 45 и высотой 10 м (рис. 1.1.2). В 1985 г. это решение было повторено для перехода с тремя опорами высотой 136 м.
Выполнение глухой плотины из наплавных блоков на участках с достаточными глубинами принято в проектах ПЭС Фанди и Северн, где предусмотрено изготовление 47 наплавных блоков (рис. 1.1.3) переменных высоты и площади в зависимости от глубины места установки.
Методика проведения расчётных исследований напряжённо – деформированного состояния наплавных железобетонных блоков численными методами
Для расчётов была принята конструкция водопропускного сооружения Ленинградской плотины, с размерами блока в плане (132,0 51,0 м) и высотой 27.90 м, с учётом верхнего строения ("шатровая часть"), включающего в себя по пять отверстий пролётом в свету и высота отверстий составляют 24,0 6,5м. Расчет водопропускного блока производился по стержневой схеме с использованием ЭВМ в рамках специальной программы РАСК – М. Эта программа применяется при решении задач, в которых конструкция может быть представлена системой перекрёстных балок и пластин [7,8].
Для получения усилий в элементах конструкции составлена расчетная схема (рис. 1.3.4) на половину блока, т. е. 2,5 пролета с учетом граничных условий по плоскости разреза, а также с учетом взаимодействия с упругим основанием и с учетом бокового давления грунта примыкающей с одной стороны дамбы.
Бычки представлены пластинами и окаймляющими их стержнями. Плита днища и все остальные элементы конструкции представлены стержнями, жесткости которых определялись по сечениям тех элементов, которые представляет каждый данный стержень (рис.1.3.5).
Основание моделируется упругими стержнями. Под плитой днища заданы опорные стержни, имеющие жесткости, полученные в зависимости от площади, относящейся к каждому опорному стержню и коэффициента постели. Исходя из того, что модуль деформации для морены, как основного слоя под водопропускными блоками равен 4000 т/м2, коэффициент постели принят с учетом толщины сжимаемого слоя равным 0,217 кг/см3 под всем блоком одинаково.
Боковое давление грунта рассчитано как кососимметричная нагрузка на крайний бычок от примыкающей дамбы. Давление задано в узлы расчетной схемы в виде сосредоточенных сил и моментов. Для упрощения расчетной схемы верхнее строение – "шатровая часть" – учтена в виде равномерно распределенных и сосредоточенных сил от собственного веса, приложенных в узлах забральной балки и опорной галереи.
Расчет прочности приведен на I эксплуатационный случай с уровнями воды: со стороны Финского залива на отм. 4,55 м, со стороны Невской губы на отм. 1,00 м. Сооружение полностью забалластировано. Расчет прочности производился на следующее сочетание нагрузок:
1. Проведён анализ конструктивных особенностей существующих видов наплавных железобетонных конструкций. Рассмотрены конструкции наплавных железобетонных блоков действующих объектов: плотины «Дельта – план» для защиты от больших нагонных (с моря) наводнений в Нидерландах; Кисло-губской ПЭС; наплавных глухих и водопропускных железобетонных блоков для защиты Ленинграда от наводнений; фундаментов опор линии электропередач перехода через Каховское водохранилище; ограждающей плотины из наплавных блоков ПЭС Котантен – Центр; наплавных блоков глухой плотины ПЭС Северн. Отмечено, что все выше перечисленные объекты имеют горизонтальную днищевую плиту. 2. Проанализированы особенности изготовления тонкостенных конструкций и строительных работ с применением наплавных железобетонных блоков. Один из вариантов возведения приливных электростанций («Ля Ранс» – Франции, «Сихва» – Южная Корея) – это выделение строительной площадки в море отсекающими дамбами с осушением котлована. При строительстве ПЭС «Ля Ранс» сооружение перемычек вылилось в очень сложную проблему, и был период, когда оно поставило под угрозу осуществление всего проекта. Другой вариант возведения (Кислогубская ПЭС, наплавные глухие и водопропускные железобетонные блоки для защиты Ленинграда от наводнений – СССР) – это подготовка подводного основания. Детальный анализ мероприятий по подготовке подводного основания, связанный с разработкой подводного котлована, с отсыпкой и планировкой ПГС под горизонтальную днищевую плиту, при наплавном способе показал, что эти мероприятия трудоёмкие, дорогостоящие и предполагают существенное увеличение сроков производства работ. Возникла необходимость в разработке новых технических решений посадки наплавных блоков на основание.
3. Анализ показал что, балластировка блоков для обеспечения остойчивости при транспортировке выполнялась простым равномерным распределением балластного материала (песок, песчано – гравийная смесь или тощий бетон) в балластных отсеках, так как днищевая плита во всех случаях представляет собой горизонтальную поверхность.
4. Проведён анализ применявшихся ранее методов расчётов прочности наплавных железобетонных блоков (в том числе на примере здания агрегатного блока Кислогубской ПЭС, как тонкостенной железобетонной коробчатой конструкции; наплавных глухих и водопропускных железобетонных блоков для зашиты Ленинграда от наводнений). Ранее расчёты проводились аналитическими (сопротивления материалов, строительной механики и т. д.) методами на основе упрощённых расчётных схем. Позднее расчёты проводились также численными методами (МКЭ) на основе упрощённых стержневых конечно – элементных моделей или плоских конечно – элементных моделей, при этом не представлялось возможным в полной мере учитывать конструктивные особенности, не учитывалась пространственная работа конструкции и др., также в конечно – элементные модели не включалось непосредственно основание (заменялось упругими связями, реакциями и пр.).
5. С учётом выявленных определённых недостатков существующих методик расчёта обоснована необходимость совершенствования моделирования конструкции, в том числе на основе трёхмерных конечно – элементных моделей. Потребовалось выполнение расчётов с непосредственным учётом основания (включение основания в конечно – элементные модели), взаимодействия с водной средой, использования современных расчётных комплексов для определения напряжённо – деформированного состояния, учёта температурных и динамических нагрузок и современных методик оценки прочности и назначения армирования.
Способ транспортировки наплавных железобетонных блоков с помощью понтонов
Если нагрузки на систему меняются во времени, т.е. f = f(t), то следует полагать функциями времени также усилия и перемещения, что может потребовать введения в рассмотрение скоростей dZ/dt и ускорений d2Z/dt2 . Когда возникающие при этом силы инерции (2.1.2.4): J(t) = M(d2Z/dt2) (2.1.2.4) не могут считаться пренебрежимо малыми по сравнению с нагрузками на систему и с силами упругости, то их следует учесть при формировании условий равновесия, которые примут вид дифференциальных уравнений: M(d2Z/dt2) + KZ(t) = f(t). (2.1.2.5) Если все массы сосредоточены в узлах системы, то матрица масс М будет диагональной, в остальных же случаях приведение ее к диагональному виду представляет собой приближенный подход (он применен при разработке комплекса).
Задача определения характеристик собственных колебаний системы (модальный анализ) заключается в нахождении условий, при которых ненагружен-ная система совершает гармонические колебания по закону: Z(t) = sinCcot + ф). (2.1.2.6) В выражении (2.1.2.6) вектор W характеризует форму собственных колебаний (соотношения между смещениями узлов), ю - их частоту, ф - начальную фазу. Подстановка (2.1.2.6) в (2.1.2.5) с учетом того, что f(t) = 0 дает уравнение для собственных колебаний (2.1.2.7): (К - ю2М) Ч = О, (2.1.2.7) нетривиальное решение которого существует лишь тогда, когда величины І (І = 1,...,n), называемые собственными частотами, обращают в нуль детерминант матрицы (K - ю2M). Соответствующие им формы собственных колебаний Ч вычисляются лишь с точностью до произвольного множителя.
При динамическом расчете число компонент вектора Z, с которыми связаны инерционные силы (количество динамических степеней свободы), зачастую бывает намного меньшим, чем при статическом расчете. Решение систем уравнений После того, как заданная конструкция представлена в виде конечноэлемент-ной структуры, задача об определении перемещений узлов сводится к решению системы линейных алгебраических уравнений вида (2.1.2.8): KZ=F, (2.1.2.8) где: K - симметричная положительно определенная матрица размером NxN; F -матрица правых частей (загружений) размером Nxk (к - количество загруже-ний); Z - искомая матрица перемещений размером kxN.
Для решения системы (8) предварительно производится треугольное разложение матрицы К модифицированным методом Гаусса с выбором разрешающего элемента на главной диагонали в порядке следования перенумерованных неизвестных.
Расчеты на статические нагрузки и сейсмическое воздействие выполнялись с использованием лицензионной версии вычислительного комплекса “ADINA”, разработанного в Массачусетсом технологическом институте (г. Бостон, США). Программа «ADINA» была специально разработана для решения КЭ – задач с большим числом степеней свободы. Варианты расчета, выполняемые в Основной Системе, включают:
Для обоснования новой конструкции наплавных железобетонных блоков были выполнены расчётные исследования НДС и прочности на основе разработанных расчётных схем, как для стадии транспортировки, так и эксплуатации сооружения на различные сочетания нагрузок, в том числе с учётом сейсмического воздействия. Расчётами НДС и прочности железобетонных конструкций ГТС сложной формы занимались специалисты: А. М. Белостоцкий, С. М. Гинзбург, И. М. Евдокимова, А. С. Залесов, Г. М. Каганов, Т. А. Каденкина, Н. И. Карпенко, А. Д. Кауфман, Г. Л. Козинец, В. К. Ксенофонтов, М. С. Ламкин, С. Е. Лисичкин, Ю. Б. Мгалобелов, А. В. Нефёдов, В. Б. Николаев, Д. Н. Олимпиев, А. П. Пак, О. Д. Рубин, Д. Д. Сапегин, В. В. Толстиков, М. И. Фролов, А. А. Храпков и др. Конструкция, принятая в расчётных исследованиях, приведена в разделе 3 рис 3.2.1. Наплавные блоки ячеистой конструкции изготавливаются из бетона высоких марок и по режиму эксплуатации разделены на 3 зоны: Зона переменного уровня моря и морской атмосферы (состав бетона № 1, марка В40 (М550) W16 F1000). Зона подводная и внутренняя (состав бетона № 2, марка B40 (М550) W10 F300). Зона переменного уровня моря и морской атмосферы в отсеках (состав бетона № 3, тощий бетон марки B15 (M200)). На рисунке 2.1.2.1 приведено описание конструктивных элементов блока, которое использовалось при разработке расчетной модели и представления результатов расчетов.
Арматура в элементах конструкции принята классом А-Ш, с расчётным сопротивлением для предельных состояний первой группы диаметром 6 - 8 мм Rs = 355 МПа и диаметром 10 - 40 мм Rs = 365 МПа.
Напряженно-деформированное состояние (НДС) конструкции блоков определялось методом конечных элементов с использованием линейно-деформируемой модели конструкции и грунтового основания.
При решении контактных задач по МКЭ возникает вопрос о выборе геометрических параметров расчетной области основания, в том числе и расчетной глубины сжимающей толщи основания под сооружением, в пределах которой происходит реализация основной доли деформаций грунтов.
В данной работе использовалась методика определения активной сжимаемой толщи грунтов, регламентированная нормативными документами [62,63]. В соответствии с этой методикой, под центром фундамента сооружения определяются природные напряжения (ag(z) = y-z, где z — текущие значения глубины), а также и дополнительные напряжения (ap(z)), обусловленные собственным весом сооружения и вектором заданных нагрузок (рисунок 2.1.2,2а). Глубина активной сжимаемой толщи грунтов (ha) находится графически: пересечением двух функций напряжений k-CTg(z) и ap(z), где к— коэффициент, равный к = 0,2 по СНиП [31] и к = 0,5 по СНиП [32]. Значение ha (рисунок 2.1.2,2б) будет соответственно равно ha = 26 м [72] и ha = 44 м [28].
В расчетной схеме МКЭ грунтовое основание моделировалось невесомым материалом, а глубина активной сжимаемой толщи грунтов была принята ha = 40 м.
Расчеты наплавного блока глухой части плотины выполнялись с помощью двух расчетных моделей МКЭ с соответствующими кинематическими гранич 54 ными условиями. Первая модель предназначена для оценки НДС конструкции в стадии эксплуатации, когда все блоки плотно устанавливаются в створе напорного фронта, а, вторая отражает работу конструкции наплавного блока при транспортировке по морю и балластировки водой на месте установки его на грунт в створе плотины.
Физико-механические характеристики инженерно-геологических разностей основания отличаются незначительно, поэтому при построении геомеханической модели, в этом случае, возможны два подхода: первый, применение, без большой погрешности, квазиоднородной модели с приведенными физико-механическими характеристиками, и, второй, — учет морфологического строения массива грунтов основания с максимальной подробностью.
При разработке модели МКЭ для расчетного случая балластировки водой блока при его посадке на основание использовался первый подход построения геомеханической модели основания с приведенными значениями модуля деформации Е = 42 МПа и коэффициента Пуассона = 0,24.
Расчёты устойчивости наплавных железобетонных блоков на естественном подводном основании
В целях обоснования новой конструкции наплавных железобетонных блоков были выполнены расчётные исследования НДС и прочности, как для стадии транспортировки, так и для эксплуатации сооружения на различные сочетания нагрузок, в том числе с учётом сейсмического воздействия с усовершенствованием схем армирования [9,34,50,43,45,46,45,60,61]. Для целей исследований НДС наплавных железобетонных блоков впервые были разработаны пространственные конечно - элементные модели совместно с подводным основанием (модели системы "сооружение - основание").
Разработка расчётных схем и конечно-элементных моделей Для решения поставленной задачи первоначально были разработаны расчётные схемы для эксплуатационных случаев и вариантов транспортировки по воде.
При проведении статических расчетов рассматривались: четыре варианта нагрузок для стадии эксплуатации блоков глухой плотины (варианты расчета №1 №4); один расчетный случай балластировки блока водой на месте его установки в створе плотины (вариант расчета №5) и три варианта нагрузок для случая транспортировки блока по морю (варианты расчета № 6а, № 6б и № 6в). Расчеты наплавного железобетонного блока выполнялись на основе разработанных впервые двух пространственных конечно - элементных моделей. Одна модель предназначена для оценки НДС конструкции в стадии эксплуатации, другая - при транспортировке по морю и балластировки водой на месте установки его на подводное основание [62,63,64,65].
При разработке конечно - элементной модели для расчетного случая балластировки водой блока при его посадке на подводное основание использовался первый подход построения геомеханической модели [12,31,40]. Пространственная конечно - элементная модель "сооружение - основание" представлена в разделе 2, характеристики материала принимались: бетон класса В40 с начальным модулем деформации Е = 36000 МПа и коэффициентом Пуассона = 0,20 и основание с приведенными значениями модуля деформации Е = 42 МПа и коэффициента Пуассона = 0,24.
Для расчетов в стадии эксплуатации был реализован второй подход, который наиболее полно учитывает структуру грунтового массива. Ниже приводится описание структурной модели основания, принятой для расчета конструкции блока в стадии эксплуатации. В пределах мощности активной сжимающей толщи, равной 40 м, задавались следующие значения физико-механических характеристик расчетных геологических элементов (РГЭ):
Впервые в пространственной конечно - элементной модели воспроизводилась водная среда. Моделирование "водной" среды заключалось в подборе структуры, окружающей наплавной железобетонный блок при транспортировке к месту установки [26]. Изотропный материал характеризуется двумя механическими константами: где и - постоянные Ламе. Между постоянными Ламе, модулем продольной деформации Е, коэффициента Пуассона v, модулем сдвига G и модулем всестороннего сжатия (объёмного модуля) К имеют место следующие соотношения:
Для материала моделирующего окружающую среду принималось значение объемного модуля упругости K = 2000 МПа. Коэффициент Пуассона равный 0,49999.
Эпюры значений гидростатической нагрузки для расчета в стадии эксплуатации приведены на рис. П1.2 П1.4, а для расчета в случаях транспортировки по морю и балластировки водой на месте установки представлены в разделе 2. В расчётах учитывался собственный вес материалов конструкции и балласта. НДС конструкции в варианте расчета №7 получено суммированием значений внутренних усилий от статического (вариант расчета №1) и сейсмического расчетов. Рассмотрены семь вариантов сочетания нагрузок, принятых для расчётов НДС блока, в том числе с учётом сейсмического воздействия (Таблица 4.2). Как отмечалось выше, конструкция наплавного блока представляет собой жесткую ячеистую систему. При проведении дискретизации расчетных областей использовались два типа конечных элементов (КЭ): для моделирования железобетонной конструкции — оболочечные 4-х узловые Shell элементы, а для аппроксимации грунтов засыпки, основания и водной толщи — объемные 8-ми узловые Solid-3D элементы.
Иллюстрации разработанных впервые пространственных конечно – элементных моделей приведены на рис. 2.3.5 и 2.3.9. На рис. 2.3.5 и 2.3.6 представлена пространственная структурная модель расчетной области и ее конечно – элементная аппроксимация для проведения расчетов блока в стадии эксплуатации (111345 узлов и 131958 КЭ), а на рис. 2.3.7 и 2.3.8 — для случаев транспортировки по морю и балластировки водой (69151 узлов и 80437 КЭ).
Кинематические граничные условия, моделирующие как условие симметрии, так и контактные условия по торцу блоков, установленных без зазора в створе напорного фронта, приведены на рис. 2.3.6 и 2.3.8.
На рис. 2.3.9 представлены фрагменты пространственной конечно – элементной модели: аппроксимация конечными элементами железобетонной кон Исходные данные для проведения расчётных исследований НДС блока эксплуатационный основной (море) эксплуатационный особый (море) Эксплуа-тцион-ный особый (бассейн) эксплуатационный особый (бассейн) строительный, основ -ной Транспортировка по морю Особый случай (сейсмическая нагрузка)
Расчеты НДС на основе впервые разработанной пространственной конечно - элементной модели наплавного блока глухой плотины Северной ПЭС проводились как на основное, так и особое сочетание нагрузок (см. таблицу 4.2).
Приведём результаты расчетов НДС на действие статических нагрузок и сейсмических воздействий.
Вертикальные перемещения (Uz) и нормальные напряжения ( JZ) в основании сооружения (вариант расчета № 1) приведены в приложении 2 на рис. П4.3.1, максимальные значения которых составляют соответственно Uz = 15,16 см и JZ = 0,256 МПа.
В результате расчётов было получено распределение внутренних усилий в конструкции днища блока при действии статических нагрузок, представленное изгибающими моментами — Мт Mss и крутящим моментом Mrs (рис. П4.3.2); продольными — Nrr, Nss и поперечной силой Nrs (рис. П4.3.3); поперечными силами — Qr, ft (рис. П4.3.4).
На этих рисунках (рис. П4.3.2 П4.3.4) приведено распределение значений изгибающих моментов, продольных и поперечных сил в днищевой плите блока.
Для определения динамической характеристики рассматриваемого сооружения предварительно были найдены 10 первых модальных значений. Иллюстрация динамической характеристики рассматриваемого сооружения представлена на рис. П 4.3.5 П 4.3.7, на которых приведены значения с т ственных ча-стот и форм колебаний блока на первых 6-ти собственных частотах.