Введение к работе
Актуальность темы исследований. В последние годы, как в Российской Федерации, так и в Республике Вьетнам достаточно интенсивно проектируются, строятся новые морские порты, а также реконструируются существующие порты и их элементы. В обеих странах морские перевозки являются существенным фактором экономического развития.
В Республике Вьетнам действует государственная программа развития морских портов до 2020г., и на перспективу до 2030г. Эта программа определяет направления развития морского транспорта Вьетнама с совокупной стоимостью инвестиционного плана до 2020 году около 360 - 440 тысяч миллиардов донгов (ориентировочно, 18-22 миллиарда американских долларов). Выполнение плана должно обеспечить транспортировку импортных и экспортных товаров, обмен грузами между регионами страны по морю, конкуренцию с другими странами в регионе и мире в области морского транспорта. Ожидаемый объем грузооборота через всю систему портов в 2015г. составит около 500 - 600 млн. тонн в год, и должен увеличиться до 2020г. примерно до 900-1100 млн. тонн в год и до 2100 млн. тонн в год после 2020г.
В России и во Вьетнаме, как и в других морских странах, развитие портов связано со строительством портовых гидротехнических сооружений. При этом важной тенденцией последних лет является использование для оградительных портовых сооружений облегченных конструкций, чаще всего свайных. Такие конструкции включают стенки-рефлекторы. При этом за последние годы существенно уменьшилось продолжительность строительства портовых оградительных сооружений и портов в целом. Если в прошлом веке время строительства порта составляло десятки лет, то сейчас оно уменьшилось до нескольких лет. В том числе время строительства даже протяженных оградительных сооружений составляет 1-2 года.
Портовые молы, строятся, как правило, пионерным способом, с берега. Однако встречаются ситуации, когда протяженные молы строятся с моря. При этом возникает задача обоснованного определения волновых нагрузок на части строящегося мола, в том числе достаточно короткого.
Такая ситуация с практикой и потребностями строительства современных портовых сооружений требует развития методов расчета их устойчивости под волновой нагрузкой на стадии строительства, на различных этапах строительства сооружения. Существующие же нормативные методы расчета относятся к полностью построенным сооружениям.
Цель работы - развитие метода расчета волновых нагрузок на портовые оградительные сооружения на стадии строительства для обеспечения устойчивости сооружений, снижения потерь и обеспечения плановых сроков строительства.
В соответствии с поставленной целью и на основе анализа результатов предыдущих исследований в задачи диссертационной работы входило:
Исследовать аналитические методы определения волновой нагрузки на вертикальную жесткую стенку конечной длины и сравнить условия их применения.
Разработать и сравнить компьютерные программы, позволяющие выполнить расчеты максимальной волновой силы на стенку конечной длины в рамках различных существующих аналитических подходов.
Проанализировать возможные подходы к разработке численной модели взаимодействия волн с вертикальными стенками конечной длины. Проанализировать существующие численные модели и выбрать наиболее подходящие для целей исследования.
Провести специальную серию физических экспериментов по воздействию волн на стенки конечной длины, разработать для этого методику проведения экспериментов, измерений необходимых параметров и анализа результатов.
Выполнить для условий экспериментов аналитические и численные расчеты взаимодействия волн со стенками. Проанализировать результаты экспериментов, аналитических и численных исследований и сделать выводы по возможности применения различных расчетных подходов для стенок конечной длины.
Предложить практические рекомендации по расчету волновых воздействий на портовые оградительные сооружения на стадии строительства в виде стенок конечной длины.
Для решения поставленных задач использовались следующие методы:
Аналитические исследования взаимодействия регулярных волн с вертикальными стенками конечной длины. Для определения волновой нагрузки используются линейная теория волн, а также нелинейная теория волн Стокса в третьем приближении. Применяется метод расчета обтекания знакопеременным волновым потоком преград относительно малых размеров, а также обтекания преград с дифракцией.
Численные исследования взаимодействия волн со стенкой на основе программы SAP2000, рефракционно-дифракционной модели и модели Буссинеска.
Физическое моделирование стенки конечной длины под волновым воздействием с измерением параметров волн и сил от волн на стенку.
Научная новизна исследований состоит в следующем:
Установлено, что для волн, падающих на вертикальную стенку относительно небольшой длины, наблюдается картина обтекания без образования дифракционной картины волн. Дифракция волн наблюдается при относительно длинной стенке. Критерием изменения физической картины взаимодействия волн со стенкой конечной длины является отношение длины волн к длине проекции стенки на направление поперечное лучу волн Lb; при (относительно короткая стенка) волны обтекают стенку без дифракции, при (относительно длинная стенка) – с дифракцией.
Для относительно коротких стенок расчет волновых сил на стенку может быть выполнен с удовлетворительной точностью по формуле Лаппо-Морисона с использованием для определения волновых скоростей и ускорений нелинейной теории волн Стокса в третьем приближении. Для коэффициента скоростного сопротивления рекомендуется принимать , а для коэффициента инерционного сопротивления , как для призматических обтекаемых преград. Вычисление максимальных сил удобно делать, используя численный расчет распределения сил по волновой фазе.
Численные методы моделирования взаимодействия волн со стенкой универсальны, в том смысле, что дают примерно одинаковую погрешность для различных относительных длин стенки. Использование различных существующих моделей и программ подтвердило основные выводы исследования в смысле физической картины воздействия волн со стенкой.
Практическая значимость работы состоит в возможности использования разработанной методики для расчета нагрузок от волн, установленных в качестве расчетных на строительный период, на недостроенные участки оградительного мола различной длины. С учетом фактического волнового режима района строительства можно прогнозировать потенциальные разрушения от штормов на этапе строительства, а также разрабатывать план организации строительства.
Достоверность полученных результатов проведенных исследований подтверждается выполненными гидравлическими экспериментами по взаимодействию волн со стенками конечной длины, анализом их результатов и сопоставлением с результатами численных исследований.
Конкретное личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертации. Выполнен анализ существующих методов расчета взаимодействия волн с обтекаемыми, относительно малыми и относительно большими преградами. Разработаны программы в среде MathCAD для расчета сил на обтекаемую, относительно малую преграду для линейных и нелинейных волн. Предложен метод численного расчета максимальной волновой силы. Разработана программа в среде MathCAD для расчета волновой силы на стенку с учетом дифракционных волн с тыльной стороны стенки. Разработана программа экспериментальных исследований силового воздействия волн на стенку конечной длины, проведены эксперименты, сделан анализ результатов и сопоставление результатов измерений волновой силы с расчетом по разным методам. Выполнены численные опыты с использованием различных существующих численных моделей и выполнен анализ результатов в сопоставлении с данными экспериментов и аналитических исследований.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы были доложены: на VII Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные задачи математического моделирования и информационных технологий», Сочи (2011); на Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство – формирование среды жизнедеятельности», Москва (2012); на III Всероссийской конференции «Устойчивость, безопасность и энергоресурсосбережение в современных архитектурных, конструктивных, технологических решениях и инженерных системах зданий и сооружений», Москва (2012), на заседании кафедры «Гидротехнические сооружения» МГСУ (2012).
По результатам работы опубликованы 8 работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
На защиту выносятся: метод определения волновых сил на вертикальную, жесткую стенку конечной длины с использованием формулы Лаппо-Морисона для обтекаемых преград, теории волн Стокса в третьем приближении, скоростного коэффициента , коэффициента инерционного сопротивления , а также численной рефракционно-дифракционной модели взаимодействия волн со стенкой.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы, включающего 136 наименований, и содержит 165 страниц машинописного текста, 102 рисунка, 14 таблиц.
