Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время в Российской Федерации ведутся масштабные работы по реконструкции и восстановлению объектов инфраструктуры морских и речных портов: замена ростверков причальных пирсов и набережных, реконструкция или восстановление перекрытий портовых складов, технологических зданий и галерей (морские порты: Петропавловск-Камчатский, Новороссийск, Сочи, Туапсе, Новороссийск, Мурманск, Санкт-Петербург, Владивосток, Ванино, речные порты: Сызрань, Казань, Санкт-Петербург, Архангельск, порты Сибири, Амур-порт).
В связи с этим требуются эффективные, как в техническом, так и в экономическом аспекте, новые решения, позволяющие в условиях действующих предприятий, выполнять масштабные работы по реконструкции и восстановлению объектов портовой инфраструктуры.
Особую актуальность проблема приобретает в условиях:
- стесненных территорий и акваторий, ограничивающих строительную базу и препятствующих размещению достаточного количества машин и механизмов;
- незащищенных акваторий морских портов, в связи с ограничениями сроков проведения восстановительных работ по штормовым условиям.
Транспортная стратегия Российской Федерации на период до 2030 года регламентирует применение инновационных технологий и новых конструкций в строительстве, в том числе и при реконструкции, восстановлении и эксплуатации объектов портовой инфраструктуры. Сталежелезобетонные конструкции, часто используемые в гражданском и промышленном строительстве, как в России, так и за рубежом, для объектов инфраструктуры морских и речных портов являются инновационными. Широкое применение объясняется тем, что профилированные настилы могут работать как самостоятельная несущая конструкция на стадии бетонирования верхнего строения причальных сооружений свайного типа, перекрытия здания или сооружения в качестве несъемной опалубки и строительных подмостей, так и в качестве рабочей внешней арматуры совместно с бетоном в монолитных железобетонных конструкциях (сталежелезобетонных перекрытиях) причальных эстакад, зданий и сооружений.
Достоинствами сталежелезобетонных конструкций являются небольшие строительные площадки, не требующие крупной механизации процесса возведения, работы выполняются в короткие сроки, имеют малую стоимость и трудоемкость, пожаробезопасных, так как не требуется деревянная опалубка при бетонировании. Конструкция позволяет без использования специальных устройств, прокладывать внутри гофров настила трубы для инженерных коммуникационных сетей, что удобно в случае их осмотра и ремонта. Поэтому при больших объемах работ, проводимых в портах России по реконструкции и восстановлению объектов инфраструктуры, применение сталежелезобетонных перекрытий, учитывая экономические и технические аспекты, является инновационным и актуальным.
Однако до настоящего времени при реконструкции и восстановлении объектов инфраструктуры морских и речных портов (портовые гидротехнические сооружения, инженерные коммуникации, склад, иные здания, строения, сооружения, расположенные на территории и (или) акватории), сталежелезобетонные перекрытия не нашли широкого применения.
Таким образом, возникло противоречие между наличием инновационной технологии и сложностями её применения при реконструкции и восстановлении инфраструктуры морских и речных портов по следующим основным причинам:
- отсутствием научно обоснованного и экспериментально отработанного научно-методического аппарата сопровождения работ по использованию сталежелезобетонных перекрытий при реконструкции и восстановлении объектов инфраструктуры морских и речных портов;
- отсутствием практического опыта применения сталежелезобетонных перекрытий на объектах водного транспорта;
- отсутствием данных по коррозионной стойкости сталежелезобетонных перекрытий при работе в водной среде (морской и речной).
В связи с этим, а также широкомасштабными объемами реконструкции и восстановления объектов инфраструктуры морских и речных портов, предусмотренными Транспортной стратегии Российской Федерации на период до 2030 года, разработка научно-методических основ применения сталежелезобетонных перекрытий при реконструкции и восстановлении объектов инфраструктуры морских и речных портов является актуальной научно-технической проблемой.
Соответствие специальности 05.22.19. В соответствии с паспортом специальности «Эксплуатация водного транспорта, судовождение», работа соответствует:
- формуле специальности, т.к. ее содержанием является разработка научных проблем эффективного функционирования и развития водного транспорта (морского и речного);
- пункту 7 Объектов специальности: «Эксплуатация, ремонт и реконструкция основных фондов на водном транспорте»;
- пункту 12 Области исследований: «Эксплуатационная надежность и реконструкция портовых гидротехнических сооружений и перегрузочных комплексов».
В соответствии с пунктом 1 статьи 4 Федерального закона «О морских портах в Российской Федерации» (от 8 ноября 2007 г. N 261-ФЗ), объектами инфраструктуры морского порта являются: портовые гидротехнические сооружения, инженерные коммуникации, склады, иные здания, строения, сооружения, расположенные на территории и (или) акватории морского порта.
Объект исследования. Сталежелезобетонные перекрытия объектов портовой инфраструктуры с внешней несъемной арматурой из стальных профилированных настилов.
Предмет исследования. Комплекс взаимосвязанных вопросов работы сталежелезобетонных перекрытий, учитывающих особенности их применения в условиях морских и речных портов.
Цель работы. Разработка научно-методических основ применения сталежелезобетонных перекрытий со стальными профилированными настилами с рифлением в виде выштамповок различных рисунков, выполняемых на наклонных гранях (стенках), или гладких при реконструкции и восстановлении объектов инфраструктуры морских и речных портов.
Задачи исследования. В работе решается комплекс взаимосвязанных вопросов работы сталежелезобетонных перекрытий, учитывающих специфику и особенности. Так, на стадии бетонирования сталежелезобетонных перекрытий несущим элементом является профилированный настил, который работает как холодногнутый тонкостенный элемент, а на стадии эксплуатации (после набора проектной прочности бетоном) несущим является монолитная железобетонная плита, в которой настил работает совместно с бетоном как внешняя несущая рабочая арматура. Для применения данной конструкции в объектах инфраструктуры морских и речных портов, для которых свойственно большое разнообразие величин нагрузок, в работе исследуются марки профилированных настилов расширенного типа ряда, для которых необходимо восполнить и разработать отсутствующие данные по каждому этапу их работы. В связи с этими особенностями задачи исследования являются характерными для каждого этапа работы сталежелезобетонных перекрытий.
Для стадии бетонирования:
- изучение изменения приведенной ширины сжатых горизонтальных полок стальных профилированных настилов марок Н114-600, Н80А-674, Н75-750, Н60-845, Н57-750, НС44-1000, НС35-1000 толщиной 0,6 – 1,0 мм при закритической работе в зависимости от значения действующего напряжения;
- сопоставление полученных значений приведенной ширины сжатых горизонтальных полок со значениями, принятыми в нормативных документах для стальных профилированных настилов, разработанных для покрытий и ограждающих конструкций, равными 60 толщинам настила при действии нормативного сопротивления стали и при действии расчетного сопротивления стали - 40 толщинам настила;
- составление зависимостей моментов сопротивления и моментов инерции в зависимости от значения действующих напряжений с учетом закритической работы сжатых горизонтальных полок стальных профилированных настилов изучаемых марок;
- разработка зависимостей значений пролетов стальных профилированных настилов от толщины слоя бетона над настилом, от положения настила в пространстве при бетонировании бетононасосами без установки временных промежуточных опор для трех расчетных схем: однопролетной, двухпролетной, трехпролетной;
- исследование влияния значений расчетного сопротивления стали и величины начальной погиби на несущую способность и деформативность сжатых шарнирно-закрепленных пластин, ширина которых соразмерна горизонтальным полкам изучаемых профилированных настилов, при работе в закритической области;
- разработка метода расчета и методики определения редукционных коэффициентов (отношение приведенной ширины к полной) при потере несущей способности и допустимой деформативности сжатыми пластинами, ширина которых соразмерна горизонтальным полкам стальных профилированных настилов, имеющими разные расчетные сопротивления стали и начальные погиби.
Для стадии эксплуатации:
- экспериментальное исследование работы на изгиб сталежелезобетонных перекрытий со стальными профилированными настилами, отличающимися толщиной, высотой, видом опорных креплений, рисунком выштамповок;
- расчет значений коэффициента условия работы стальных профилированных настилов на стадии эксплуатации сталежелезобетонных перекрытий с учетом несущей способности настила;
- проектирование плиты верхнего строения пассажирского пирса из сталежелезобетонных перекрытий;
- проведение технико-экономических исследований с целью определения эффективности применения сталежелезобетонных перекрытий при реконструкции и восстановлении объектов инфраструктуры морских и речных портов.
Методы исследования. Решение научно-технической проблемы проведено с использованием различных теоретических и экспериментальных методов исследования. Так, работа сталежелезобетонных перекрытий на этапе возведения исследовалась теоретическим методом путем численных исследований изменения значений приведенной ширины сжатых горизонтальных полок настилов в зависимости от действующих напряжений, значений расчетного сопротивления стали, присутствия начальной погиби при потере несущей способности и достижения допустимой деформативности. Использовались методы расчета тонкостенных холодногнутых элементов, расчеты сопротивления материалов, расчеты по предельным состояниям, для вывода формул метод регрессионного анализа. Работа сталежелезобетонных перекрытий на этапе эксплуатации исследовалась экспериментальным методом, путем анализа результатов испытаний моделей и натурных образцов на изгиб. Применялись расчеты прочности железобетонных конструкций по нормальным сечениям с учетом несущей способности настила.
Научная новизна исследований характеризуется следующими впервые полученными результатами применительно к особенностям использования сталежелезобетонных перекрытий при реконструкции и восстановлении объектов инфраструктуры морских и речных портов:
- получены с использованием теории расчета, разработанной Карманом - Винтером, зависимости изменения приведенной ширины сжатых горизонтальных полок стальных профилированных настилов марок Н114-600, Н80А-674, Н75-750, Н60-845, Н57-750, НС44-1000, НС35-1000 толщиной 0,6 – 1,0 мм в зависимости от значения действующего напряжения при закритической работе;
- проведена сравнительная оценка полученных в работе величин приведенной ширины сжатых горизонтальных полок стальных профилированных настилов и принятых в нормах, которая показала необходимость их использования при расчетах моментов инерции и сопротивления исследуемых настилов;
- разработаны таблицы и номограммы моментов сопротивления и моментов инерции в зависимости от значения действующих напряжений с учетом закритической работы сжатых горизонтальных полок стальных профилированных настилов изучаемых марок, которые рекомендованы для расчетов прочности и прогиба сталежелезобетонных перекрытий на стадии возведения, выполняемых с точностью 1 %;
- обоснованы для проектирования сталежелезобетонных перекрытий на стадии возведения «зависимости пролета стальных профилированных настилов - толщина слоя бетона над верхней полкой настила» при условии бетонирования с помощью бетононасосов без установки промежуточных временных опор для трех расчетных схем: однопролетной, двухпролетной, трехпролетной; при двух расположений настила в пространстве, которые упрощают процесс проектирования;
-получены результаты численного эксперимента по влиянию класса стали профилированного настила и присутствия начальной погиби на несущую способность и деформативность сжатых пластин, ширина которых соразмерна ширине сжатых горизонтальных полок исследуемых стальных профилированных настилов, проведенные с применением программного комплекса ANSYS;
- разработаны методы и методика расчета значений редукционного коэффициента приведенной ширины сжатых полок настилов для расчетов несущей способности, которые позволяют учитывать класс стали и начальную погибь с точностью 1,35 - 1,6 % и для расчетов деформативности наличие начальной погиби с точностью 2,3 %;
- получены результаты экспериментальных исследований работы на изгиб образцов сталежелезобетонных перекрытий с арматурой из стальных профилированных настилов, имеющих на наклонных гранях разные виды рисунков выштамповок, опорного крепления;
- обоснованы значения коэффициентов условия работы стальных профилированных настилов для расчета сталежелезобетонных перекрытий на стадии эксплуатации с учетом их несущей способности.
Теоретическая значимость. Выявлены закономерности изменения приведенной ширины сжатых горизонтальных полок настилов различных марок, рекомендуемых к применению при реконструкции и восстановлении объектов инфраструктуры морских и речных портов, от значений действующих напряжений при закритической работе. Получены результаты сопоставительного анализа значений приведенной ширины сжатых полок настилов с полученными при численном исследовании, используемых при определении моментов сопротивления и инерции, которые подтвердили правильность направления исследований. Разработаны для применения в расчетах сталежелезобетонных перекрытий на стадии бетонирования по 1 и 2 группам предельных состояний таблицы и номограммы моментов сопротивления и моментов инерции исследуемых стальных профилированных листов.
Оценено с использованием численного эксперимента по программному комплексу ANSYS влияние значений сопротивлений стали, начальных погибей на несущую способность и деформативность сжатых пластин, ширина которых соразмерна сжатым горизонтальным полкам исследуемых настилов. Анализ полученных данных подтвердил необходимость их учета, что в настоящее время не учитывают существующие методы расчета.
Получены результаты экспериментальных исследований работы на изгиб сталежелезобетонных плит с арматурой из различных по толщинам, высотам, опорным прикреплениям, видам выштамповок профилированных настилов, что позволило определить отсутствующие значения коэффициента условия работы настилов, которые используются для расчетов сталежелезобетонных перекрытий на стадии эксплуатации.
Практическая значимость полученных результатов. Для упрощения и удобства проектирования сталежелезобетонных перекрытий на стадии бетонирования при реконструкции и восстановлении объектов инфраструктуры морских и речных портов, для которых характерен значительный диапазон действующих нагрузок, для использования обоснована целесообразность применения семи марок стальных профилированных настилов толщиной от 0,7 мм до 1,0 мм.
Выявлены зависимости «величина пролета исследуемых настилов - слой бетона над верхними полками» для трех расчетных схем при двух положениях настила в пространстве при процессе бетонирования с помощью бетононасосов без установки временных промежуточных опор, принятом как наиболее индустриальный метод. Выведенные зависимости представлены в виде графиков, позволяющих на стадии вариантного проектирования, исходя из функциональных требований, осуществлять выбор наиболее эффективного конструктивного решения.
Разработаны методы и методики определения редукционных коэффициентов сжатых пластин, ширина которых соразмерна ширине сжатых горизонтальных полок исследуемых настилов, учитывающие значение сопротивления стали и присутствия начальной погиби, при потере несущей способности и допустимой деформативности.
Определены значения коэффициентов условий работы настилов, которые необходимы для расчетов сталежелезобетонных перекрытий на стадии эксплуатации с учетом несущей способности настилов.
Достоверность полученных результатов диссертации подтверждается комплексным характером работы, включающим как теоретические расчеты, в основе которых лежат закономерности теории упругости и пластичности, учет реальных условий деформирования, так и экспериментальные исследования на моделях и натурных образцах сталежелезобетонных перекрытий; представлена оценка результатов численных исследований.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Научно-методические основы применения сталежелезобетонных перекрытий на стадии бетонирования, включающие:
- результаты численных исследований изменения приведенной ширины сжатых горизонтальных полок стальных профилированных настилов семи марок в зависимости от действующего напряжения при закритической работе;
- сравнение полученных зависимостей изменения приведенной ширины сжатых горизонтальных полок с принятыми в нормах, разработанных для покрытий и ограждающих конструкций;
- номограммы и таблицы моментов сопротивления и моментов инерции профилированных стальных листов;
- зависимости величин пролетов от толщины слоя бетона над настилом для трех расчетных схем и двух положений настила;
- результаты численного эксперимента изучения влияния значения сопротивления стали и величины начальной погиби на несущую способность и деформативность сжатых шарнирно-закрепленных пластин, ширина которых соразмерна горизонтальным полкам изучаемых профилированных настилов, при работе в закритической области;
- методы и методики определения редукционных коэффициентов при потере несущей способности и допустимой деформативности сжатыми пластинами, ширина которых соразмерна горизонтальным полкам стальных профилированных настилов, имеющими разные сопротивления стали и начальные погиби.
2. Научно-методические основы применения сталежелезобетонных перекрытий на стадии эксплуатации, включающие:
- экспериментальные исследования несущей способности и деформативности сталежелезобетонных перекрытий, армированных стальными профилированными настилами, отличающимися опорным креплением, рисунком выштамповок;
- значения коэффициентов условия работы стальных профилированных настилов для расчетов сталежелезобетонных перекрытий на стадии эксплуатации с учетом несущей способности настила;
- реконструкция плиты верхнего строения пассажирского пирса из сталежелезобетонных перекрытий;
3. Результаты оценки технико-экономической эффективности применения сталежелезобетонных перекрытий при реконструкции и восстановлении объектов инфраструктуры морских и речных портов.
Личный вклад автора в получении научных результатов исследований. Диссертационная работа является результатом многолетних исследований, выполненных автором вначале в институте ЦНИИпроектстальконструкция им. Н.П. Мельникова и в Московской государственной академии водного транспорта (на кафедре «Водные пути и порты». Экспериментальные исследования проводились в институте ЦНИИПСК им. Мельникова в лаборатории «Холодногнутые профили» (зав. лабораторией к.т.н. Э.Л. Айрумян) отдела «Типизации и стандартизации» (зав. отдела к.т.н. В.Ф. Беляев).
Апробация работы. Основные положения диссертации были представлены: на научно-техническом семинаре «Освоение производства прогрессивных видов прокатной продукции в условиях хозрасчета» (М., ВДНХ СССР, ноябрь 1989 г.); научно-технической конференции «Итоги НИОКР за XII пятилетку. Цели и задачи на XIII пятилетку» (Норильск, 9 - 11 апреля 1990 г.); ХХШ международной конференции в области бетона и железобетона (Волго-Балт, 16 - 23 мая 1991 г.); первой всероссийской конференции по проблемам бетона и железобетона (М., 9- 14сентября 2001 г.); научно-технической конференции «Строительство и эксплуатация транспортных сооружений в районах развития опасных геологических процессов» (М., МИИТ, 7 - 9 октября 2003 г.); второй научно-практической конференции Министерства транспорта России «Морские и речные порты России» (М., МГАВТ, 2004 г.); международной научно-практической конференция, посвященная 200-летию подготовки кадров для водного транспорта России, «Водные пути России: строительство, эксплуатация, управление» (1 - 2 октября 2009 г., С-П); международной научно-практической конференции «Инженерные системы - 2009» (М., РУДН, 6 - 9 апреля 2009 г.); международной научно-практической конференции «Инженерные системы - 2010» (М., РУДН, 6 - 9 апреля 2010 г.); международной научно-практической конференции «Инженерные системы – 2013» (М., РУДН, 6 - 9 апреля 2013 г.); научно-практические конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов Московской государственной академии водного транспорта с 1996 г. до н.в.
Материалы работы были представлены на конференциях международной организации IABSE: Colloquium. Stockholm, 1986; Symposium. Brussels, 1990; Symposium. Istanbul, 1991; Annual technical Session Structural Stability Research council. Chicago (USA), 1991.
Публикация основных положений работы. По материалам диссертационной работы имеется 47 публикаций: в том числе, журналы, входящие в перечень ВАК - 12; авторские свидетельства - 3; журнал Stahlbau - 1; сборники материалов международных научно-практических конференций - 14; сборники трудов научно-практических конференций Московской государственной академии водного транспорта - 9; депонированы во ВНИИИС Госстроя СССР - 3; различные издательства - 5.
Реализация результатов работы. Полученные результаты исследований использованы:
- в нормативном документе «Рекомендации по проектированию монолитных железобетонных перекрытий со стальным профилированным настилом» в разделе расчета стального профилированного листа на стадии бетонирования - в части расчета стального профилированного настила на стадии бетонирования (1987 г.);
- в Стандарте предприятия СТО 0047-2005 «Перекрытия монолитные железобетонные с монолитной плитой по стальному профилированному настилу. Расчет и проектирование» (02494680, 17523759), разработанным организациями ЦНИИПСК им. Н.П. Мельникова и ЗАО «Хилти Дистрибьюши Лтд» - таблицы моментов сопротивления и моментов инерции, графики зависимости значений пролетов настилов и толщины слоя бетона, коэффициенты условия работы настилов (2005 г.);
- при прокатке фирмой ГП «Стальные конструкции» опытной партии стальных профилированных листов марки Н60-845Z с выштамповками на наклонных гранях в виде «змейка» для последующего применения в сталежелезобетонных перекрытиях - рифление является совместным авторским изобретением, автор провел экспериментальное исследование работы рифления на сдвиг и изгиб (2006 г.);
- в проекте реконструкции железобетонных причалов местных линий на побережье Большого Сочи: Адлер, Кургородок, Хоста, Лоо, Лазаревское (2010 г.).
Кроме того, материалы исследований с 1996 г. используются на кафедре «Водные пути и порты» ФБОУ «Московская государственная академия водного транспорта» при выполнении дипломного проектирования по специальности 270104 «Гидротехническое строительство».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и пяти приложений, изложена на 344 страницах. Основной текст диссертации изложен на 218 страницах и включает 38 рисунка, 27 таблицы, список использованных источников в количестве 192 наименований, в том числе 22 зарубежных авторов.
