Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор и современное состояние вопроса 7
1.1. Причины разрушения причалов свайной конструкции из железобетона 7
1.1.1. Химическое воздействие морской воды на бетон и железобетон 7
1.1.2. Механическое воздействие морской воды на бетон и железобетон 9
1.1.3. Биологическое воздействие в морской воде на бетон и железобетон 9
1.1.4. Влияние зон на коррозию бетона и железобетона 10
1.2. Современное состояние вопроса оценки эксплуатационной надежности портовых гидротехнических сооружений 15
Глава 2. Результаты натурных исследований пассажирского пирса свайной конструкции 26
2.1. Общие положения 26
2.2. Описание пассажирского пирса 27
2.3. Геологическое строение грунта основания 31
2.4. Результаты технического диагностирования конструкции 33
2.5. Систематизация дефектов причального сооружения 43
2.6. Техническое состояние сооружения 44
2.6.1. Заключение о техническом состоянии пирса 44
2.6.2. Результаты статистического анализа прочности бетона основных несущих элементов пирса 46
2.6.3. Результаты статистического анализа геометрических размеров поперечного сечения свай 47
Глава 3. Эксплуатационная надежность причальных сооружений свайного типа 49
3.1. Общие положения 49
3.2. Основные расчетные положения 50
3.3. Структурный анализ взаимодействия и систематизация возможных отказов несущих элементов конструкции 52
3.4. Детерминистические уравнения связи для основных несущих элементов 57
3.5. База данных для расчета эксплуатационной надежности причалов свайного типа 61
3.5.1. Общие требования 61
3.5.2. Нагрузки и воздействия 63
3.5.3. Строительные материалы 76
3.5.4. Грунты оснований 78
3.5.5. Геометрические размеры несущих конструктивных элементов 79
3.6. Исследования напряжений в сваях при изменении геометрических размеров их поперечного сечения 80
3.7. Надежность сооружений и их несущих элементов 85
Глава 4. Состав и порядок выполнения поверочных расчетов свайных конструкций с целью их усиления или реконструкции 89
4.1. Общие положения 89
4.2. Состав и порядок поверочных расчетов 90
4.3. Пример проведения поверочных расчетов 91
4.3.1. Проектный вариант 91
4.3.2. Расчет конструкции с учетом фактического состояния несущих элементов 95
4.3.3. Сравнение и анализ результатов поверочных расчетов 103
Заключение 110
Список литературы 111
Приложение 1 117
- Современное состояние вопроса оценки эксплуатационной надежности портовых гидротехнических сооружений
- Геологическое строение грунта основания
- Структурный анализ взаимодействия и систематизация возможных отказов несущих элементов конструкции
- Расчет конструкции с учетом фактического состояния несущих элементов
Введение к работе
Проблема физического и морального износа портовых гидротехнических сооружений, в том числе и причалов свайной конструкции, стала весьма актуальной уже в конце 60-х - начале 70-х годов XX столетия, когда появились суда большого водоизмещения. Было установлено, что 30-40% причального фронта не соответствует эксплуатационным требованиям.
За последние годы положение дел в портах Российской Федерации не улучшилось. Кроме того, проводящаяся в настоящее время Государственная регистрация портовых гидротехнических сооружений потребовала решения новой задачи - оценки эксплуатационной надежности и остаточного ресурса существующих сооружений.
Эта задача оказалась сложной по двум основным причинам. Первая причина связана с отсутствием метода расчета эксплуатационной надежности и остаточного ресурса эксплуатируемых сооружений; вторая причина - отсутствие информационной базы разрушений и повреждений несущих элементов конструкций.
По существующим правилам технический контроль и паспортизация гидротехнических сооружений в портах должны осуществляться не реже одного раза в 5 лет, в случае необходимости эти сроки могут быть сокращены. По результатам технической диагностики несущих элементов конструкций должна производиться оценка эксплуатационных показателей сооружений, приниматься решение о ремонтах, усилении или их реконструкции.
Указанным выше вопросам посвящены исследования морских причалов свайной конструкции из железобетона в портах Черноморско-Азовского бассейна, представленные в настоящей работе.
Целью работы является исследование эксплуатационной надежности причальных сооружений свайного типа и их отдельных элементов, в частности, железобетонных свай. Надежность сооружений зависит в основном от их физического состояния на текущий момент времени и от нагрузок, которые оказывают воздействие на сооружения. В связи с этим в работе необходимо было решить следующие задачи: провести натурные исследования для выяснения состояния сооружений в настоящее время; выполнить обработку данных исследований и систематизацию дефектов и разрушений конструктивных элементов; произвести расчеты проектной и обследованной конструкций методом предельных состояний с оценкой разницы их напряженного состояния; разработать методику расчета и оценки эксплуатационной надежности и остаточного ресурса основных несущих элементов причала.
Научная новизна работы заключается в следующем. Исследований, посвященных комплексному изучению надежности строительных конструкций, проведено еще недостаточно. Одной из причин этого является чрезвычайно большая емкость понятия надежности, включающая в себя вопросы прочности (строительных материалов и изделий, грунтовых оснований и засыпок), устойчивости, долговечности, деформативности и т. д.
В работе выполнены основные элементы цикла исследований: техническая диагностика причалов, обработка данных и систематизация дефектов и разрушений конструктивных элементов, расчеты проектной и обследованной конструкций методом предельных состояний с оценкой разницы их напряженного состояния. Впервые предпринята попытка разработать основные положения расчета эксплуатационной надежности и остаточного ресурса основных несущих элементов причала.
Исследования, проведенные в работе, использованы при разработке нормативного документа по расчету причальных сооружений на надежность - «Основные положения расчета причальных сооружений на надежность и оценки остаточного ресурса (запасов прочности и устойчивости)». Основные положения диссертации опубликованы в шести печатных работах.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и пяти приложений.
Первая глава посвящена аналитическому обзору современного состояния вопроса и постановке задачи исследования. Здесь проводится обзор литературы, посвященной причинам разрушений причалов свайной конструкции из железобе- 6 тона и современному состоянию вопроса оценки эксплуатационной надежности портовых гидротехнических сооружений.
Во второй главе изложены результаты натурных исследований пассажирского пирса свайной конструкции, на основании которых получены параметры распределения основных расчетных показателей несущих элементов сооружения. Определена скорость коррозионного износа бетона для условий Черного моря.
Третья глава посвящена методике расчета эксплуатационной надежности причальных сооружений свайного типа. Расчет оперативной эксплуатационной надежности выполняется вероятностными методами с учетом статистических данных результатов диагностирования несущих элементов сооружения. Рассмотрены детерминистические уравнения связи для основных несущих элементов причалов свайной конструкции. Приведена база данных для расчета эксплуатационной надежности сооружения.
В четвертой главе приведены состав и последовательность выполнения поверочных расчетов причальных сооружений методом предельных состояний на примере пассажирского пирса в порту Туапсе. Для того, чтобы с помощью этого метода определить запасы прочности конструкции и ее остаточный ресурс, расчет необходимо произвести для двух вариантов: вариант проектный; вариант, учитывающий физический износ конструкции.
В проектном варианте расчет проводится согласно проектному состоянию конструкции, т. е. не учитываются дефекты и изменения в конструкции, произошедшие в процессе ее эксплуатации.
Современное состояние вопроса оценки эксплуатационной надежности портовых гидротехнических сооружений
Развитие методов расчета всегда происходило под влиянием двух критериев, первый из которых - экономичность инженерных решений, а второй - безопасность людей, находящихся на площади поражения при отказе строительных элементов и систем. В истории развития методов расчета строительных элементов А. С. Лыче- вым [28] выделено три периода: первый период (до 1943 г.) характеризуется формированием единого метода расчета строительных конструкций - метода расчета по допускаемым напряжениям; второй период (до 1955 г.) известен тем, что на смену методу расчета по допускаемым напряжениям пришел метод расчета по разрушающим усилиям; третий период (по настоящее время) характерен использованием метода расчета по предельным состояниям.
В первом периоде развития методов расчета были приняты очень осторожные и огрубленные предпосылки. При расчетах железобетонных конструкций были приняты следующие предпосылки [28]: считалось, что бетон работает в упругой стадии; допускаемые напряжения для бетона на осевое сжатие принимались равными 0.4/?гв (где /?2в - прочность бетона в возрасте 28 суток при нормальном твердении), для смятия при изгибе - 0.45Р128, для арматуры из ст.З - 1250 кг/см2 и из ст.5 - 1600 кг/см2; модуль упругости бетона принимался постоянным и равным Е = 140000 кг/см2; при армировании колонн более 2% площадь сжатой арматуры принималась равной 1/3 от полной площади. При расчете стальных конструкций допускаемые напряжения для ст.З принимались: до 1930 г. - 1200 кг/см2, до 1942 г. - 1400 кг/см2, до 1955 г. - 1600 кг/см2. Предположение об упругой работе материалов в сечении элемента приводило к занижению его теоретической несущей способности, что обнаруживалось в соответствующих испытаниях. В данный период применялись следующие строительные нормативы: 1908 г. - Технические условия для железобетонных сооружений, разработанные в Министерстве путей сообщения; 1911 г. - Нормы для расчета железобетонных сооружений, разработанные комиссией профессоров Инженерной академии; 1912 г. - Технические условия для осуществления конструкций из «трамбованного литого» бетона, выпущенных Московской городской управой; 1921 г. - Правила и нормы для проектирования железобетонных сооружений НКПС; 1925 г. - ТУиН Управления Московского губернского инженера, а также Временные технические условия и нормы проектирования и возведения железобетонных сооружений; 1926 г. - Всесоюзные временные ТУиН Госплана СССР; 1929 г. - ТУиН проектирования деревянных конструкций; 1930 г. - Единые нормы строительного проектирования; 1931 и 1934 г.г. - Технические условия и Нормы проектирования и возведения сооружений; 1931-1940 г.г. - ТУиН проектирования и возведения металлических конструкций и сооружений; 1938 г. - ОСТ 90003-38. Технические условия и нормы проектирования железобетонных конструкций. Второй период развития методов расчета строительных конструкций характеризуется более обоснованными предпосылками и учетом неупругой работы материала конструкции. Вместо допускаемых напряжений в материалах стали использоваться средние значения. Неразрушимость конструкции обеспечивалась общим коэффициентом запаса прочности сечения элемента. Это позволило переименовать существующий метод расчета по допускаемым напряжениям на метод расчета строительных конструкций по разрушающим усилиям. Введенные новшества существенно сблизили результаты расчетов и испытаний конструкций. В частности, появилось объяснение высокой прочности мало армированного железобетонного элемента при незначительной прочности бетона. Кроме того, появилась возможность с помощью общего коэффициента запаса прочности регулировать расход материалов в сечении и учитывать особенности эксплуатации конструкций. Так, при значительной доле временных нагрузок, которые являются менее стабильными в сравнении с постоянными, коэффициент запаса принимался большим по сравнению с постоянными нагрузками. В этот период применялись некоторые следующие строительные нормативы: 1941-1943 г.г. - Инструкция по проектированию предварительно напряженных железобетонных конструкций и указания по их изготовлению; 1941-1945 г.г. - Указания по проектированию и применению железобетонных конструкций в условиях военного времени; 1947-1949 г.г. - НиТУ 3-46 н- 3-49. Нормы и технические условия проектирования железобетонных конструкций; 1950-1952 г.г. - И 148-50 и И 148-52. Инструкции по проектированию предварительно напряженных конструкций. Однако, несмотря на значительный прогресс в развитии методов расчета строительных конструкций, выяснились новые возможности их совершенствования. Так по мере накопления опытных данных стало ясно, что нагрузки и сопротивления материалов обладают изменчивостью, а это уменьшало гарантии неразрушимости конструкции. Выяснилось также, что одинаковые конструкции должны иметь разные коэффициенты запаса при эксплуатации в различных условиях. Кроме того, логика ответственности за проектируемые и строящиеся сооружения привела к тому, что различные по назначению здания и сооружения, имеющие различную социально экономическую значимость, также должны иметь неодинаковые коэффициенты запаса.
Геологическое строение грунта основания
В геологическом строении района принимают участие коренные породы верхнего мела, представленные мергелистой глиной с прослойками мергеля, на размытой поверхности которых залегают четвертичные аллювиально-морские либо элювиально-делювиальные отложения. Коренные породы представлены зеленовато-серой твердой мергелистой глиной, кровля которой имеет отметки от -31.3 до -15.0 м.
План расположения геологических скважин представлен на рис. 2.4, геологический разрез по оси пассажирского пирса показан на рис. 2.5.
Характеристики инженерно-геологических элементов грунта основания пассажирского пирса представлены в таблице 2.1.
Технический контроль с диагностированием несущих элементов конструкции был выполнен в привязке к разбивке пикетажа сооружения, представленной в приложении 1.
Железобетонные призматические сваи шестигранного сечения (1914 г.) и квадратного сечения (1963 г.) повсеместно имеют разрушения в головной части в виде трещин и отколов бетона с обнажением, коррозией и разрушением арматуры. Отдельные сваи полностью разрушены в головных частях (приложение 2).
Общее количество свай с дефектами различных категорий составляет 315 (57% от общего их количества) (рис. П.2,1 приложения 2).
В подводной части критических и значительных дефектов свай не обнаружено.
Основными дефектами свай в надводной зоне являются: разрушения поверхностного слоя бетона - 61% от всех свай с дефектами (рис. 2.6, 2.7, 2.8); трещины вдоль рабочей арматуры - 30% от всех свай с дефектами (рис. 2.9); сколы бетона в головной части свай - 4% от всех свай с дефектами (рис. 2.9, 2.11,2.12); разрушение головной части свай с их отделением от ростверка - 5% от всех свай с дефектами (рис. 2.13, 2.14).
Дефекты, отнесенные к категории 2 отмечены на 86 сваях. Предельное состояние (категория 3) по дефектам в надводной зоне имеют 135 свай. Средняя прочность бетона свай 1914 г. составляет 415 кг/см2 (таблица П.3.1 приложения 3).
Средняя прочность бетона свай 1963 г. составляет 470 кг/см2 (таблица П.3.1 приложения 3). Горизонтальные железобетонные связи (1914 г.) разрушены, и их остатки по проекту реконструкции 1962-1963 гг. утратили свое назначение (рис. 2.15).
Нижняя плоскость плиты перекрытия. В ряде мест отмечены разрушения поверхностного слоя бетона глубиной до 30 мм с обнажением и коррозией арматуры. В корневой части пирса (пролеты 67-71) разрушения бетона глубиной до 100 мм с обнажением, коррозией и разрывами арматуры наблюдаются на 80% площади нижней грани ростверка (рис. 2.16).
Средняя прочность бетона нижней плоскости плиты перекрытия составляет 412 кгс/см2 (таблица П.3.2 приложения 3).
Ригели имеют разрушения поверхностного слоя бетона глубиной до 40 мм с обнажением и коррозией арматуры на общей площади 10.5 м2 (приложение 2). Средняя прочность бетона ригелей составляет 422 кгс/см2 (таблица П.3.3 приложения 3).
Боковые поверхности ростверка имеют ряд характерных дефектов в виде трещин, сколов бетона на ребрах (в большей степени в головной части пирса, включая торец), разрушений поверхностного слоя бетона с обнажением и коррозией арматуры (приложение 2). В головной части пирса бортовая балка разрушена: причал №7 - ПК0 -4 (рис. 2.17); причал №8-ПК0- 3 (рис. 2.18).
Основная причина возникновения и развития во времени данного вида дефектов - воздействия судов во время их причаливания и стоянки при неблагоприятных гидрометеорологических условиях.
На лицевой грани ростверка причала №7 зарегистрированы разрушения поверхностного слоя бетона с обнажением и коррозией арматуры на общей площади 10 м2. На причале №8 подобные дефекты зарегистрированы на общей площади 20 м2.
Средняя прочность бетона лицевой грани надстройки пирса составляет: причал №7 - 447 кгс/см2; причал №8 - 437 кгс/см2 (таблица П.3.4 приложения 3).
Покрытие территории пирса (асфальтобетонное) имеет дефекты в виде трещин раскрытием до 20 мм (преимущественно над деформационными швами), выкрашивания и выбоин глубиной до 60 мм. Отмечено отсутствие покрытия на площади 10 м2.
Швартовные устройства критических и значительных дефектов не имеют. На прямолинейных участках причалов №7 (ПК 0 - 136) и №8 (ПК 0-139) отклонения линии кордона сооружения от прямой в плане не превышают допустимое значение [40].
Средняя отметка кордона в корне пирса (ПК 185) составляет + 3.00 м, в головной части (ПК 0) - + 3.08 м.
Структурный анализ взаимодействия и систематизация возможных отказов несущих элементов конструкции
За основной показатель надежности причального сооружения принимаем вероятность его безотказной работы, т. е. вероятность того, что в период эксплуатации сооружения не наступит отказ - предельное состояние первой и/или второй групп. Расчет надежности выполняем как для основных несущих элементов, определяющих прочность и устойчивость конструкции, так и для всего сооружения в целом. Последовательность выполнения расчета эксплуатационной надежности причальных сооружений заключается в следующем: структурный анализ взаимодействия и систематизация возможных отказов несущих элементов конструкции; составление детерминистических уравнений связи для основных несущих элементов конструкции; подготовка базы данных для расчета эксплуатационной надежности портовых гидротехнических сооружений; расчет несущих элементов конструкции на надежность. Для любого момента времени условие безотказной работы у -го несущего элемента сооружения или основания должно соблюдаться с вероятностью р, не ниже нормативного значения Р„. при (3.2) где Уу - резерв контролируемого параметра напряженного или деформированного состояния у -го элемента конструкции сооружения, случайная величина (сложная функция случайных аргументов); - показатель прочности у -го несущего элемента сооружения, случайная величина (сложная функция случайных аргументов); 5; - нагрузка на у -й несущий элемент конструкции сооружения, случайная величина (сложная функция случайных аргументов); [Рп] - нормативная вероятность безотказной работы, нормативная надежность.
Математическое ожидание (среднее) и дисперсию для резерва контролируемого параметра (3.2) определяем через соответствующие характеристики статистически независимых распределений нагрузки и прочности: где у _ математическое ожидание резерва контролируемого параметра напряженного или деформированного состояния у -го элемента конструкции сооружения; /З] ] - математические ожидания соответственно показателя прочности и нагрузки на у -й несущий элемент конструкции сооружения; - дисперсия резерва контролируемого параметра напряженного или деформированного состояния у-го элемента конструкции сооружения; Оэ - дисперсии соответственно показателя прочности и нагрузки на у -й несущий элемент конструкции сооружения. Гарантия неразрушимости несущих элементов р/ где Ф - функция нормального распределения. Для нормального или близкого к нормальному закону распределения и 5У аргумент г определяется из выражения Математическое ожидание функции случайных аргументов равно величине, определенной по детерминистической зависимости при подстановке математических ожиданий случайных аргументов где О/. у, - математические ожидания случайных аргументов функций прочности и нагрузки. Дисперсия функции (прочности или нагрузки) случайных аргументов Конструкцию причального сооружения рассмотрим как систему взаимодействующих (соединенных) элементов трех типов; последовательное соединение несущих элементов; параллельное соединение несущих элементов, последовательное и параллельное соединение несущих элементов. Последовательное соединение несущих элементов в системе - такое соединение, в котором отказ одного элемента вызывает отказ системы в целом (рис. 3.1).
Расчет конструкции с учетом фактического состояния несущих элементов
Важнейшим показателем при проведении поверочных расчетов является жесткость конструкции в целом, зависящая от изменения за время эксплуатации геометрических размеров поперечного сечения элементов сооружения (их физического износа). Жесткость конструкции оказывает влияние на распределение усилий в элементах сооружения. Исходными данными для расчета проектного варианта являются рабочий проект, исполнительная документация и материалы предыдущего технического контроля, если таковые имеются. Порядок расчета целесообразно выдерживать следующий: в соответствии с проектной документацией устанавливаем значения эксплуатационных нагрузок на причал; определяем нагрузки на сооружение от воздействия судов; определяем нагрузки, приходящиеся на продольные и поперечные ряды свай, путем расчета упругого центра секции; методами строительной механики производим расчет рамных систем и определяем усилия в элементах конструкции; используя методики расчета железобетонных конструкций проверяем прочность несущих элементов причального сооружения. Исходными данными для расчета варианта, учитывающего физический износ сооружения, являются данные технического диагностирования конструкции, в которых учтены и систематизированы все дефекты и изменения в конструкции причала, произошедшие за время эксплуатации, т. е. расчет ведется с учетом фактических сечения несущих элементов таких как сваи и ригели. Для сравнения несущей способности сооружения проектного варианта и варианта, в котором учтена фактическая несущая способность основных конструктивных элементов, полученная после обследования сооружения, необходимо все показатели эксплуатационной нагрузки, размерений судов и геологических условий принять идентичными.
Порядок поверочного расчета причального сооружения по второму варианту аналогичен расчету конструкции по проектному варианту за исключением изменения геометрических размеров несущих элементов причала, произошедших за время эксплуатации. На основе сравнения результатов поверочных расчетов и технико- экономического обоснования принимается решение о реконструкции или ремонте причального сооружения. В целях иллюстрации работы вышеописанной методики проведем поверочные расчеты на примере пассажирского пирса, результаты технического диагностирования которого приведены в главе 2. Расчеты выполним для головной секции пирса, выбрав в ней две рамы: продольную (рама Б) и поперечную (рама 4), в состав которых входят элементы (сваи), имеющие характерные дефекты, существенно влияющие на несущую способность сооружения. Расчет сооружения по проектному варианту приведен в приложении 5. По результатам расчета на рис. 4.1 ... 4.3 представлены эпюры продольных, поперечных сил и изгибающих моментов для продольной рамы Б, на рис. 4.4 ... 4.6 - для поперечной рамы 4. Во втором варианте расчета учитываются фактические сечения несущих элементов таких как сваи и ригели. Расчет секции при фактическом состоянии сооружения производится с учетом дефектов элементов конструкции. В результате технического диагностирования пирса установлено, что повреждениям в основном подвержены только железобетонные призматические сваи. Дефектами свай являются трещины, а также разрушение бетона и арматуры, которые влекут за собой уменьшение площади поперечного сечения свай и, как следствие, уменьшается несущая способность элементов. План свайного основания с обозначением свай с дефектами приведен на рис. 4.7. Схемы поврежденных свай и значения параметров их поперечных сечений представлены в таблице 4.1.
