Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор современного состояния вопроса 13
1.1. Основные этапы развития теории надежности строительных конструкций 13
1.2. Обзор существующих методов оценки надежности 19
2. Физический и моральный износ портовых пере грузочных комплексов 24
2.1. Основные принципы и виды физического и морального износов причалов типа больверк 24
2.2. Экспериментальные исследования скорости коррозионного износа металлического шпунта 39
2.2.1. Методикаи аппаратура 39
2.2.2. Порты, причалы и зоны обследования 43
2.2.3. Статистика и параметры распределений скорости износа металлического шпунта .55
2.2.4. Оценка скорости коррозионного износа 81
2.2.5. Статистика и параметры распределения остаточного момента сопротивления металлического шпунта 88
3. Эксплуатационная надежность существующих причалов 92
3.1. Общие положения 92
3.2. Постановка задачи и результаты расчетов 99
Заключение 120
Список использованной литературы 122
Приложения 133
- Основные этапы развития теории надежности строительных конструкций
- Основные принципы и виды физического и морального износов причалов типа больверк
- Статистика и параметры распределений скорости износа металлического шпунта
- Статистика и параметры распределения остаточного момента сопротивления металлического шпунта
Введение к работе
Речные перевозки являются важным фактором в транспортной системе, а для многих районов Сибири это единственный способ обеспечения жизнедеятельности населения и бесперебойного функционирования промышленных предприятий. Общая ориентация железных дорог в основном в меридиональном направлении. При таком расположении транспортных сетей удельная доля речных перевозок в отдельных Сибирских регионах достигает 80 - 95 %.
Большинство из существующих причальных перегрузочных комплексов были построены в 60-х и 70-х годах и к настоящему времени некоторые из них уже выработали свой ресурс.
Одним из резервов увеличения долговечности причальных перегрузочных комплексов является правильный учет степени физического износа несущих элементов конструкций причалов, и правильного планирования перспектив развития флота. Алгоритм решения задач такого уровня на настоящий момент разработан недостаточно, поэтому, в данной работе, была поставлена задача оценки остаточного ресурса причальных сооружений количественными параметрами.
Актуальность работы. Так как речной транспорт играет важную роль в экономической жизни районов Сибири, на современном этапе важное значение отводится эффективному использованию уже существующих портов и причальных перегрузочных комплексов. Поэтому, инструментальные исследования физического износа и технико-экономический анализ морального износа причалов на сибирских реках с дальнейшей оценкой их эксплуатационной надежности являются проблемой актуальной и экономически значимой.
Цель и задачи исследований. Целью работы является исследование и оценка эксплуатационной надежности существующих причалов в условиях Сибири. На основе изучения действительного состояния причальных сооружений дать ответ на комплекс вопросов, возникающих при их проектировании и эксплуатации. Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
исследование технического состояния причальных перегрузочных комплексов с учетом степени их физического износа;
оценка эксплуатационной надежности существующих причалов с определением остаточного ресурса;
выявить степень морального износа причальных сооружений си
бирского региона.
Методы исследований. Поставленная задача решалась на основе натурных исследований причальных перегрузочных комплексов региона Сибири..
Теоретической базой работы являются результаты научного анализа исследований в области совершенствования эксплуатации портовых перегрузочных комплексов. В процессе исследований использовались современные методы теории вероятностей.
Натурные испытания включали полный комплекс обследования параметров напряженно - деформируемого состояния основных несущих элементов конструкции причальных набережных.
При проведении обработки результатов натурных испытаний, применялись элементы математического системного аппарата, моделирования и экспериментальные методы.
На защиту выносятся:
определение остаточного ресурса сооружений причальных перг-грузочньгх комплексов по методу лимитирующего фактора несущей способности;
определение надежности портовых сооружений ти сибирских реках при статистическом моделировании по методу Монте-Карло.
Научная новизна состоит в следующем:
в результате натурных исследований эксплуатируемых перегрузочных комплексов на реках Сибири изучены основные особенности скорости коррозионного износа металлических больверков;
разработан аппарат статистического моделирования для оценки надежности и учета стохастических зависимостей элементов при вероятностном расчете конструкций стенок как сложных систем;
предложен метод определения остаточного ресурса портовых набережных из металлического шпунта на реках Сибири с учетом статистической изменчивости параметров скорости коррозии;
на основе натурных исследований шпунтовых свай причальных стенок, выявлена зависимость между степенью коррозии металлического шпунта и расположением перегрузочных комплексов;
в результате анализа действительного состояния перегрузочных комплексов произведена оценка их морального износа с учетом особенностей районирования и специализации сооружений.
Практическая значимость работы состоит в том, что:
произведена оценка остаточного ресурса металлических причалов в. портах Сибири, на основе полученной информации могут разрабатываться инвестиционные проекты в регионе;
предложен метод вероятностного расчета конструкций как сложных систем с учетом стохастической зависимости элементов. Он дает возможность перейти к практическому проектированию конструкций перегрузочных комплексов по заданному уровню надежности и оценки срока службы сооружений с учетом степени их физического износа.
Программы, реализующие разработанный метод, могут быть использованы при проектировании и эксплуатации портовых перегрузочных комплексов организациями данной отрасли.
Реализация результатов работы. Выполненные исследования использовались при решении следующих вопросов:
выдаче паспортов на причальные стенки перегрузочных комплексов;
оценке надежности причалов на реках Сибири
разработке необходимых мероприятий по ремонту и эксплуатации портовых набережных, что подтверждено актами внедрения с экономическим эффектом на общую сумму 51947,4 рубля в ценах 1984 года.
Апробация работы. Основные результаты исследований по теме докладывались на многочисленных конференциях, семинарах, проводимых в Новосибирском Государственном архитектурно- строительном университете в 1997, 1999 годах, на кафедре "Водные пути, порты и электрооборудование" Московской государственной академии водного транспорта (1999 г.), на ежегодных научно- технических конференциях Новосибирской Государственной академии водного транспорта (1984 - 1999 г.п), а также на координационных совещаниях по технической эксплуатации причальных перегрузочных комплексов в городах Красноярск, Нижневартовск, Сургут, Осетрово, Колпашево, Дудинка, Омск.
Публикации работы. Основное содержание диссертации опубликовано в 12 статьях и отражено в 13 научно- технических отчетах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Основное содержание изложено на 132 страницах. В тексте имеется 8 рисунков, 36 таблиц и 4 приложения общим объемом 81 страница. Список использованных источников содержит 89 наименования.
Основные этапы развития теории надежности строительных конструкций
В настоящее время является общепризнанным, что подход к расчету конструкций возможен только с учетом случайного характера и взаимодействия факторов, определяющих ее поведение в процессе строительства и эксплуатации.
Впервые в России идея о расчете конструкций с учетом неопределенности относится к началу XX века, когда был издан русский перевод справочника Хютте с системой коэффициентов по надежности. Первыми работами по надежности строительных конструкций были работы М. Майера (1926 г.) и НФ. Хоциалова (1929 г.). М. Майер [89] критикуя метод расчета по допускаемым напряжениям, предложил рассчитывать строительные конструкции с учетом случайных свойств нагрузок и сопротивлений материалов. В работе НФ. Хоциалова [79] было дано определение запаса прочности строительных конструкций и оценка его для экономически целесообразных чисел разрушения.
Труды НС. Стрелецкого стали основанием для создания теории надежности строительных конструкций [75,76]. НС. Стрелецкий впервые рассмотрел совместно кривые распределения нагрузки Pq(x) и прочности Рг(х), ввел для определения безопасности конструкции понятие "гарантия неразрушимости" - г, - она получается совмещением на одной оси х кривых распределения Рч(х) и Рг(х), и вычислением площадей со і и сог, отсекаемых от распределения ординатой их пересечения Хо.
Хотя такой подход неоднозначно определял вероятность не разрушения конструкции, он послужил предпосылкой к разработке вероятностного метода расчета. В 1945 г. по предложению комиссии Наркомтяжстроя в составе А.А. Гвоздева [14], И. И. Гольденблата [7], В.М. Келдыша, НС. Стрелецкого [75,76] и др. Была принята новая условная схема расчета конструкций. Согласно этой схеме общий коэффициент запаса расчленялся на три группы коэффициентов: коэффициент однородности, учитывающий изменчивость прочности; коэффициент перегрузки, учитывающий случайное превышение нагрузки; коэффициент условий работы. Было сформулировано понятие предельных состояний конструкции, определены их три вида: по прочности, по деформативно-сти, по раскрытию трещин. В настоящее время метод предельных состояний принят для расчета конструкций, как в России, так и за рубежом. Основная формула расчета по предельным состояниям выглядит так: где S - усилие в конструкции или элементе, возникающее от внешних нагрузок и воздействий, рассчитываемое по их нормативным значениям $ и расчетной схеме конструкции С; R- несущая способность элемента, определяемая по нормативным механическим характеристикам материалов Д" и геометрическим размером А. Статистическая изменчивость исходных величин учитывается при назначении нормативных значений и введением в основную формулу ряда частных коэффициентов: Yiq- коэффициент надежности по нагрузке; Yi - коэффициент надежности по материалу; yg - коэффициент надежности по назначению; пс - коэффициент сочетания нагрузок. Общая постановка условия расчета является детерминированной, но применение статистических методов при назначении исходных параметров позволяет рассматривать метод расчета по предельным состояниям как "полувероятностный". Теория надежности конструкций как наука получила наибольшее развитие за последние 40 лет, и ее главные исследования были направлены на совершенствования методов расчета конструкций и сооружений на основе вероятностного подхода. Значительный вклад в развитие теории надежности внес А. Р. Ржаницын [64,65,66]. А. Р. Ржаницын рассматривал исходные параметры в виде группы случайных чисел с заданными законами распределения: Q и R- параметров нагрузки и параметров прочности. По установленным детерминированным зависимостям для определения приведенной нагрузки и приведенной прочности была выражена их разность Z=R-Q, названная резервом прочности, и, соответствующая ей функция распределения pz. Задача расчета конструкции на безопасность была сформулирована в виде требования о выполнении неравенства с определенной вероятностью.
Основные принципы и виды физического и морального износов причалов типа больверк
Проблемы долговечности портовых перегрузочных комплексов в настоящее время стоят особенно остро в силу практически полного отсутствия нового строительства за последние годы, и, как следствие, необходимости продления эксплуатации существующих причалов, в ряде случаев имеющих значительный физический износ. Большинство портов Сибири были построены в 50-70 годах и, как правило, либо уже выработали свой нормативный срок, либо начинают подходить к нему. Так, например, последнее массовое строительство причалов велось в период освоения нефте - газодобывающих месторождений Обского севера в 1970-75 годах, после чего, ввод новых причальных сооружений ограничивался небольшими причалами.
Вопросами технической эксплуатации причальных набережных и определением физического износа занимались Ю.И. Бик, А.Я. Будин, В.Д. Костюков, В.Б. Кузнецов, P.M. Нарбут, СМ. Певзнер, Ф.М. Шихиев, А.В. Школа, В.К. Шгенцель, ПИ Яковлев., внесших значительный вклад в решение проблем безотказной работы перегрузочных комплексов.
Долговечность работы портовых перегрузочных комплексов зависит от множества факторов прямо или опосредственно влияющих на их эксплуатационные показатели.
Одним из важнейших показателей безотказной работы является учет степени коррозионного износа. Существующие нормы проектирования морских и речных причалов не в полной мере отвечают этим требованиям. Это касается как физического, так и морального износа, которые практически не учитываются при проектировании.
Так, например, во всех существующих нормах отсутствует или латентно существует учет коррозии основных несущих элементов, что зачастую приводит к недоучету степени физического износа конструкции и недоработки до нормативного срока службы.
Результаты испытаний образцов и деталей конструкций показали, что прочность строительных материалов, изготовленных из стали и железобетона, - величина случайная и изменяется в широком диапазоне. Причиной изменчивости можно считать несовершенство технологических процессов изготовления этих материалов. В результате заданные, например, марка бетона или предел текучести шпунтовой стали, не могут характеризовать прочность всех элементов и сечений, так как при среднем значении марки кубиковая прочность бетона может изменяться в больших пределах, как впрочем, и предел прочности стали. Следовательно, изменчивость прочностных свойств строительных изделий и элементов носит статистический характер.
Значительной изменчивостью отличаются инженерно-геологические данные грунтов засыпки и основания. Расчетные показатели физико- механических характеристик исследуемого массива грунта могут быть получены только на основании статистических исследований, соответствующих параметров; единичные испытания, как правило, приводят к значительным погрешностям.
Статистические свойства характеризуют также нагрузки и воздействия на причальные гидротехнические сооружения. Изменчивость нагрузок от навалочных и генеральных грузов обусловлена как природными, так и технологическими причинами.
На степень физического износа сооружений оказывает воздействие уровни воды и продолжительность их стояния, а также, ориентация причалов относительно оси север-юг. От уровней и температуры воды в значительной степени зависит степень коррозионного износа лицевых частей конструкции, особенно это касается металлического шпунта. На эту взаимосвязь особого внимания не обращалось. Тем не менее, результаты исследований показывают однозначную зависимость между ними, и, как оказалось, зависимость является обратно пропорциональной. В зоне шпунта, близкой к проектным уровням воды, коррозия наблюдается минимальной, в зоне переменных уровней коррозионный износ значительно возрастает, а к железобетонному оголовку, обладающему высокой теплопроводностью и большой энергоемкостью, скорость коррозии опять снижается.
Вероятностные методы расчетов на основе статистических данных дают более объективную характеристику объекта и позволяют оптимизировать конструкцию по стоимости как капитальных, так и эксплуатационных затрат.
Хотя «надежностный» подход не является абсолютно новым для объектов строительства, вследствие того, что безопасность конструкций всегда была в центре внимания инженерной мысли. Однако долгое время проблема надежности сводилась преимущественно к вопросам безаварийности и соответственно решалась путем использования высоких запасов прочности, что приводило к увеличению массы объекта и его стоимости.
Давно сложившиеся разделы строительной механики, строительной теплофизики и другие инженерные дисциплины не решают такие актуальные вопросы, как определение надежности системы по известным надежностям ее элементов, принципы заданной надежности, методы испытаний на надежность, сбора и обработки соответствующей статистической информации и др.
Для комплексного решения проблемы надежности гидротехнических сооружений необходимо знание физических основ, конкретных причин и скорости старения и износа несущих и ограждающих конструкций и систем технических устройств, разработки технических и экспериментальных методов определения сроков службы сооружений. Необходимо учитывать реальные условия проектирования, изготовления, хранения и транспортирования изделий, строительства, технического обслуживания и ремонта конструкции и ее элементов. Нужно считаться с влиянием на изучаемые свойства (качества) многочисленных факторов окружающей среды, износа и старения строительных материалов и конструкций, правильной организации службы эксплуатации.
Статистика и параметры распределений скорости износа металлического шпунта
Как уже отмечалось выше, итоги статических расчетов приведены для конструкции без учета степени ее физического износа. Но в процессе технической эксплуатации причалов на сооружение действует ряд неблагоприятных факторов - значительные перепады температур, влага, превышение допускаемых эксплуатационных нагрузок и др., что вызывает частичное или полное разрушение и коррозию как конструкции в целом, так и отдельных ее элементов.
Эти факторы постепенно приводят к тому, что отдельные несущие элементы начинают приходить в аварийное состояние. К сожалению, классическая методика расчетов не учитывает данные явления.
В августе 1995 года в ходе работ по натурному обследованию, выполненных при непосредственном участии автора, были произведены измерения толщины шпунта «Ларсен -V» . Толщина шпунта замерялась от железобетонного оголовка до рабочих уровней воды. Время обследования выбиралось с учетом того, что в это время года по многолетним данным наблюдаются минимальные уровни воды. Измерения производились с помощью ультразвукового толщиномера УТ-70 П с подвесной люльки. Разрешающая способность прибора составляет ± 0.1мм. Точки, в которых выполнялись замеры, располагались равномерно по всей высоте створа. Количество точек составляло от 7 до 8. Точка представляла собой зачищенный с помощью абразивного инструмента участок шпунтовой сваи диаметром приблизительно 5+8 см. В каждой из точек определялось максимально возможное количество толщин шпунта. Всего количество створов для определения степени коррозии составило десять. Общее число измерений толщины шпунта по всем створам равнялось 668. При большом числе наблюдений простая статистическая совокупность перестает быть удобной формой записи, она становится слишком громоздкой и мало наглядной. Для придания статистическому материалу большей наглядности и компактности он подвергается дополнительной обработке, т.е. строится статистический ряд. Для этого случайные величины разбиваются на разряды, в порядке либо возрастания или убывания, и указывается число наблюдений в данном интервале. Делаем это для каждого створа в отдельности и для всех створов вместе. После составления статистического ряда, строятся графики статистической функции распределения толщины по каждому из створов. Это делается для того, чтобы определить вероятность появления данной толщины на участке. Статистический ряд оформляется графически, в виде гистограмм. Гистограмма строится следующим образом [13]. По оси абсцисс откладываются разряды, на которых строятся соответствующие им прямоугольники. При построении следует учесть, что в каждом разряде должно быть не менее 5-10 значений, если условие не выполняется, то имеет смысл объединить некоторые разряды - для улучшения наглядности. Пользуясь полученными данными, можно построить кривую статистического распределения величин практического профиля. В качестве текущих координат принимаем точки, соответствующие средним значениям разрядов. Соединяя эти точки плавной кривой, получаем необходимый график; причем площадь гистограмм и площадь, ограниченная кривой, равны, т.е. частота4 собы-тий остается постоянной Так как значение толщины не может быть отрицательной, следовательно пределы данной функции изменяются ОТ tmjn до tmax. Значение tmin определяется допускаемыми напряжениями в шпунте, которые зависят от сортамента проката и марки стали, а значение tmax - проектной толщиной шпунта с учетом допусков. Тогда параметры статистической выборки можно определить по формуле усеченного нормального распределения Из результатов обработки массива случайных чисел, полученных в процессе измерений толщины шпунта видно, что из десяти створов и одиннадцатого обобщенного в семи случаях распределение подчиняется нормальному закону, а, в оставшихся четырех створах, оно достаточно близко к условию (2.15). Таким образом, можно сделать вывод о том, что данное распределение толщины шпунта причального сооружения Дудинского морского порта является нормальным. Так как при большом числе наблюдений (больше ста) простая статистическая совокупность перестает быть удобной формой записи статистического материала - она становится слишком громоздкой и мало наглядной. Для придания ему большей компактности и наглядности статистический материал должен быть подвергнут дополнительной обработке - строится так называемый "статистический ряд".
Для этого весь диапазон наблюдений делится на интервалы или разряды и по дочитывается количество значений щ приходящийся на каждый і -ый разряд. Это число делится на общее количество наблюдений п и находится частота рІ5 соответствующая данному разряду:
Статистика и параметры распределения остаточного момента сопротивления металлического шпунта
В настоящее время для расчетов причальных сооружений используют полувероятностный метод предельных состояний с нормированным коэффициентом безопасности. Однако этот метод не позволяет учесть в полной мере уровень надежности будущего сооружения, учесть влияние изменчивости действующих на сооружение сил, изменчивости свойств строительных материалов и грунтов. Последнее очень важно для оценки и использования фактической несущей способности сооружения и его основания для создания надежной и экономичной конструкции. Для этого необходимо иметь достаточную статистическую базу, с помощью которой можно моделировать характер изменчивости и разброса входных параметров при проектировании и эксплуатации причальных перегрузочных комплексов.
Основные положения метода расчета портовых сооружений на надежность можно сформулировать в виде следующих принципов: связь с действующими нормативными документами; экономическая ответственность причальных сооружений; соответствие установленной надежности определенному моменту времени; нормирование надежности; иерархия уровней расчетов на надежность; выбор вероятностной модели с учетом детерминистического алгоритма; обеспеченность расчетов статистической информацией; обусловленность общей надежности сооружения надежностью составляющих его элементов. За основную характеристику надежности причального сооружения принята вероятность его безотказной работы в течение определенного времени эксплуатации с учетом изменчивости свойств материалов конструкции, грунтов основания и засыпки, нагрузок и воздействий на сооружение. Расчетные показатели характеризуются вероятностными законами распределения или их параметрами, определяемыми для части или всего срока службы причального перегрузочного комплекса.
Расчеты на надежность причальных сооружений, их оснований и элементов базируются на положениях действующих норм в части предпосылок, условий работы и расчетных схем.
Причальные перегрузочные комплексы рассматриваются и как сооружения с экономической ответственностью, т.е. достижение предельных состояний не представляет опасности для жизни. Кроме того, последствия в таких сооружениях полностью могут быть выражены в стоимостном показателе в виде затрат на ремонт, на восстановление, на устранение повреждений оборудования или материалов, находящихся на территории причала.
Известно, что надежность является функцией времени. Тогда, наиболее важными параметрами распределения надежности во времени являются - начальный этап (надежность при вводе сооружения в эксплуатацию) и этап наступления возможного наступления отказа либо всего сооружения в целом, либо одного из его несущих элементов. Но определение характера разброса распределения случайных величин представляется невозможной без одного или нескольких промежуточных значений состояния конструкции и ее элементов.
Большой вклад в решение проблем надежности и анализа технического состояния причальных перегрузочных комплексов внесли Ю.И. Бик, А.Я. Будин, В.Б. Кузнецов, В.Д. Костюков, P.M. Нарбут, Ф.М. Шнхиев, А. В. Школа, В. К. Шгенцель.
Как уже отмечалось выше, одним из основных принципов расчета на надежность является принцип нормирования на надежность. Суть его заключается в том, что нормативная вероятность по каждому виду отказов устанавливается дифференцировано в зависимости от степени экономической ответственности, определяемым по затратам, связанных с ликвидацией его последствий, а также с восстановлением у сооружений способности удовлетворять нормативным требованиям, предъявляемым к портовым перегрузочным комплексам. Тогда, чем выше нормативная вероятность безотказной работы, тем выше и затраты на возведение и эксплуатацию сооружения.
В зависимости от характера решаемых задач вероятность безотказной работы и соответственно надежность могут определяться: - для отдельного элемента j, конструкции или основания причального перегрузочного комплекса по определенному виду отказа і - Р ; - для отдельного элемента, конструкции или основания при чального сооружения PJ; - всего сооружения - общая надежность Ps. Совокупность Pij устанавливают на основе анализа элементов и структуры причального перегрузочного комплекса, выяснения перечня возможных отказов и сводят в матрицу вероятностей безотказной работы. Рассмотрим порядок реализации сформулированного принципа на примере одноанкерного больверка. Выделим следующие элементы: 1- лицевая стенка; 2- анкерная тяга; 3- анкерная плита; 4- массив грунта, взаимодействующий с сооружением. На основе рекомендаций норм, практики проектирования и эксплуатации сооружений такого типа можно выделить характерные типы отказов для элементов: элемент 1- потеря устойчивости призмы выпора перед лицевой стенкой (1) и разрушение лицевой стенки (2); 2-разрыв анкерной тяги или ее соединения (3); 3- разрушение анкерной плиты (4) и потеря ее устойчивости (5); 4- потеря общей устойчивости массива грунта (6).
