Стальные платформы на свайном основании являются самой многочисленной группой гидротехнических сооружений, устанавливаемых на морском шельфе для добычи углеводородов [1].
С увеличением глубины установки МСП и при наличии значительной ледовой нагрузки несущая способность свай, забитых через стойки опорного блока, оказывается недостаточной для обеспечения устойчивости морского основания. В таких случаях забивают дополнительные, так называемые «юбочные» сваи, которые размещают либо по периметру опорного блока либо концентрируют их около опорных стоек – эти МСП именуются основаниями второго поколения (Рис. 1).
Аналогичная схема закрепления посредством основных и «юбочных» свай часто встречается при закреплении глубоководных платформ: например в Мексиканском заливе: «Cognac» – 10 основных свай, 24 юбочных [2]; «Cerveza» – 8 основных, 16 юбочных [3]; «Chevron» – 8 основных, 12 юбочных [4], МСП, установленная на месторождении «Архангельское» — 12 юбочных [5].
При закреплении платформы через «юбочную» направляющую основным узлом соединения является узел соединения сваи с направляющей опорного блока МСП с кольцевой навивкой в зоне контакта с бетонным заполнением (рис.2.).
Работа межтрубного заполнения в соединении. Работа бетонного заполнения между смежными ребрами, установленными на поверхностях труб соединения, похожа по характеру на работу коротких железобетонных балок при действии поперечных сил. Результаты работы коротких железобетонных балок приведены в источниках [6,7] авторами Залесовым А.С., Климовым Ю.А. В коротких железобетонных балках при соотношении пролета среза к рабочей высоте сечения в пределах от 1 до 2, согласно теории Залесова А.С., происходит образование критической наклонной трещины.
В соединении с ребрами на поверхностях наружной и внутренней труб, которые контактируют с межтрубным заполнением, работа бетонного заполнения между смежными ребрами близка с работой коротких железобетонных балок на действие поперечной силы.
Поэтому на рис.3 представлена расчетная схема бетонного заполнения в соединении в соответствии с работой [7] на раскалывание. В нашем случае при отношении , трещина предположительно развивается прямолинейно от одного ребра (верхнего) на направляющей к другому (нижнему) на свае, а исчерпание несущей способности наступает в результате раскалывания бетона сжатой зоны по направлению развития критической наклонной трещины. Разрушение раскалыванием происходит за счет сдвига по боковой поверхности клиньев, образующихся у ребра, передающего нагрузку. Сдвиг клиньев по боковой поверхности вызывает растяжение бетона между концами клиньев.
Несущая способность бетона на раскалывание будет состоять из двух составляющих: из сопротивления по боковой поверхности клиньев и из сопротивления по сечению между концами этих клиньев, ориентируемых по линии, соединяющей центры смежных ребер (рис.3).
Для изучения напряженно-деформированного состояния элементов узла закрепления свай был применен ПК ЛИРА версии 9.6 [8]. В качестве конечного элемента для решения задачи по определению напряженно деформированного состояния узла использовали элемент оболочки.
В качестве прототипа компьютерной модели узла соединения сваи принят узел соединения со следующими параметрами: наружная труба — 325х6 мм, внутренняя – 219х7 мм, толщина заполнителя 47 мм, длина соединения 850 мм. Шаг ребер на поверхностях труб, контактирующих с заполнением 100 и 200 мм. Материал труб и ребер — сталь ВСт3ПС6, материал межтрубного заполнения — бетон класса по прочности В 12.5. При моделировании расчетной модели узла приняты следующие допущения:
— трубы представлены в виде двенадцатигранной призмы их прямоугольных элементов оболочек;
— бетонное заполнение выполнено из прямоугольных элементов оболочек и контактирует с трубами только через ребра, что исключает влияние сцепления заполнения непосредственно с элементами труб по длине узла.
Траверсу между узлом и опорной стойкой моделировали из прямоугольных элементов оболочек. Опорная стойка моделировалась в виде вертикального ребра с приведенной площадью, которое устанавливалось перпендикулярно ребру траверсы.
Нагрузка моделей узлов закрепления выполнялась ступенями по 100кН до момента, когда продольные напряжения в элементах труб узла достигали значения расчетного сопротивления по пределу текучести.
На рис.4 представлены мозаики распределения напряжений в элементах узла закрепления сваи (в наружной и внутренней трубах) по длине и по контуру узла на разных уровнях. Приведенные распределения напряжений в элементах узла позволяют подчеркнуть следующее:
— продольные напряжения в наружной трубе распределяются неравномерно как по длине узла, так и по контуру трубы;
— максимальные значения продольных напряжений в наружной трубе имеют элементы, расположенные непосредственно у вертикального ребра траверсы во втором и третьем уровнях от верхнего торца узла;
— продольные напряжения во внутренней трубе также распределяются неравномерно как по длине узла, так и по контуру трубы. Наиболее нагруженные элементы расположены у мест закрепления модели узла и по образующей, ось которой совпадает с осью вертикального ребра траверсы;
— максимальные касательные напряжения в элементах межтрубного заполнения имеют место в окрестностях образующей, ось которой совпадает с осью вертикального ребра траверсы.
Рис. 4. Изополя продольных нормальных напряжений. А — во внешней трубе узла и соединительном ребре, Б- во внутренней трубе узла.
После отслоения межтрубного заполнения от труб передача нагрузки в узле происходит только за счет работы ребер, которые установлены на поверхностях труб в зоне контакта с межтрубным бетонным заполнением.
Для получения более точного распределения напряжений в бетонном заполнении, последнее было разбито на более мелкие конечные элементы. Отсутствие сцепления бетонного заполнения с трубами узла моделировалось путем создания зазора в 2 мм между трубами и заполнением.
На рис.5 изображено распределение продольных напряжений в элементах модели узла закрепления сваи, на которой видна зона сжимающих напряжений. Сжимающие напряжения в бетонном заполнении узла распространяются в диагональном направлении от верхнего ребра на внутренней трубе к нижнему ребру на наружной трубе. В элементах межтрубного бетонного заполнения, которые контактируют с ребрами, установленных на трубах, просматривается образование клиновидной зона сжатия заполнения. По второй диагонали, которая соединяет другие ребра, установленные на трубах, видно образование растягивающих напряжений, которые способствуют разрушению бетонного заполнения от раскалывания по сжатой диагонали.
Рис. 5. Изополя продольных нормальных напряжений в бетонном заполнении при шаге противосдвиговых ребер 100 мм.
Вывод. Полученный результат распределения продольных напряжений в межтрубном бетонном заполнении между смежными ребрами, установленными на поверхностях труб, подтверждает достоверность использования теории А.С.Залесова для коротких бетонных элементов для расчета бетонного заполнения узла закрепления «юбочной» сваи.
Список литературы
- Симаков Г.А., Шхинек К.Н., Смелов В.А. Морские гидротехнические сооружения на континентальном шельфе. — Л.: Судостроение, 1989. – 328 с.
- Cerveza: getting the world’s largest one-piece jacket // Ocean Industry. – 1981. – Vol.16, №10. – P. 89-91.
- Cognac // Ocean Industry. – 1979. – Vol.14, №7. – P. 69-73.
- Chevron’s Garden Banks Platform // Ocean Industry. – 1979. – Vol.18, №11. – P. 51-52.
- Синцов В.П., Синцов А.В., Морская стальная платформа для месторождения Архангельское в Черном море // Международный научный институт «Educatio» Ежемесячный научный журнал. № 3 (10) / 2015. Часть 5. с. 6 — 10. ISSN 34567-1769.
- Залесов А.С., Сахаров В.Н., Старчевский А.В., Соколов Б.С. Исследование работы железобетонных балок – стенок на действие поперечных сил // Новые исследования элементов железобетонных конструкций при различных предельных состояниях. – М.: НИИЖБ.- 1982. – С. 60-71.
- Залесов А.С., Климов Ю.А. Прочность железобетонной конструкции при действии поперечных сил. — К.: «Буревестник», 1989. – 104 с.
- ООО «Лира софт», Украина, Киев «ПК Лира 9.6»; Сертификат соответствия: № РОСС RU.СП15.Н00315 с 01.07.2010 по 30.06.2012 №0005618.[schema type=»book» name=»ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ ЭЛЕМЕНТОВ УЗЛОВ ЗАКРЕПЛЕНИЯ СВАЙ МОРСКИХ СТАЛЬНЫХ ПЛАТФОРМ» description=»Приведены результаты исследований по определению напряженно-деформированного состояния (НДС) элементов усовершенствованного узла закрепления трубчатых свай морских стальных платформ (МСП), позволяющие предопределить характер разрушения бетонного заполнения узла соединения «направляющая-свая» в зависимости от шага противосдвиговых ребер.» author=»Синцов Владимир Петрович, Синцов Александр Владимирович, Оборонков Василий Григорьевич» publisher=»Басаранович Екатерина» pubdate=»2016-12-13″ edition=»euroasia-science_28_28.07.2016″ ebook=»yes» ]