На правах рукописи АЛМАЗОВ Владлен Ованесович УДК 624.14

А$о
МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ
ИНЖЕНЕРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ им. В. В. КУЙБЫШЕВА,
На правах рукописи
АЛМАЗОВ
Владлен Ованесович
УДК 624.14.142.145:666.98.2
ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ КОНСТРУКЦИИ
СООРУЖЕНИЙ ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ И ГАЗА
НА КОНТИНЕНТАЛЬНОЛ\ ШЕЛЬФЕ
СЕВЕРНЫХ МОРЕЙ
(05.23.01 — Строительные конструкции, здания
и сооружения)
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Москва— !990
Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного
Знамени инженерно-строительном институте им. В. В. Куй­
бышева.
Официальные огиюненты:
доктор технических наук, профессор О. В. Лужин,
доктор технических наук, профессо]] Г. К. Хапдуков,
доктор технических наук, профессор Е. Н. Щербаков.
Ведуш,ее предприятие — Мнпистсрство нефтяной н газепой промышленности СССР.
Зашита состоится « . . . »
199
г. в . . . ча­
сов на заседании специализированного совета Д.053.11.01
при Московском инжеперно-стро1[тельном институте имени
В. В. Куйбышева по адресу: Москва, Шлюзовая наб., д. 8,
ауд № . . .
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке инсти­
тута.
Просим Вас принять участие в защите и направить Ваш
отзыв по автореферату в двух экземплярах по адресу: 129337,
Москва, Ярославское шоссе, д. 26, МИСИ им. В. В. Куйбы­
шева, ученый совет.
Автореферат разослан « . . . »
Ученый секретарь
специализированного совета
доцент, канд. техн. наук
19
А. К. Фролов
-1
-
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЬО'Ш
Актуальность работы. Интенсивное развитие раПонов Сибири,
Крайнего Севера и Дальнего Востока, ирздусматриваекое планами экоьоюгчеокой перестройки д; СССР, неразрывно связано с реализацией
энергетической программы. Зта програкша наряду с освоением месторощдений нефти и газа на огромной сухопутной территории страны
опирается на развитие морской добычи углевоцорэдов, Oбa^aя площадь
бассейна, где по прогнозам специалистов можно ожидать местороч!дений этих знергетических источников, достигает 80 иян.км . В
настолцее время разведка и добыча производится лишь iia лельфе о
плошадью, не превьтпамщей I MJIH.KM^. Значение жидкого и газооОразного тошшва в перспективе будет сохраняться. По сравнению с другйыи нефтедобывающими государствами СССР серьезно отстает в обьеме добываемых в морз углеводородов: в мире добывается до 20Х нефти
и газа из морских источников, » у нас - ие Солее 3 ^ . Мы отстаем не
только в обьеме, но, главное, в технике освоения морских месторовдзний. Слабое развитие морской добычи в стране объясняется следую­
щими причинами: достаточно велики разведанные запасы месторо»(дений
на суше; морская нефть дороже сухопутной и, наконец, свышэ Q0%
пло1дадк континентального шельфа, примьжтлдего к СССР, в зимний пе­
риод замерзает, что создает не только дополнительные экономй>|ескиз
трудности, но требует оригинальных технических решений, новых ме­
тодов расиета конструкций, гарантий надежной, безаварийной работы
соорукений в мора. Мировой опыт стрсительсгва на шельфе за»гервагзщих морей невелик; платформы в этих условиях построены лишь в двух
акваториях в количестве 5.-. .7 штук. В то же время на незаиерэаопзм
шельфе работают десятки стационарных платформ на глубинах, превышашцих 300 м, оольсинство из которых выполнено в РИДЭ трубчатых
пространственных стальных ф«рм, а часть - в виде жолеяобетонних со­
оружений одно- и мкогобашеьного типа с кассой, достигающей 142 тыс.
т.
В связи с асобходимостыо продвижения для добшч нефти и газа в
суровые климатические условия за рубежом и в CCQ^ уже в течение ря­
да лет ведутся исследования по спределенив экскомкческой и техничес­
кой перспективы освоения шельфа, отличающегося калэтием ледового
покрова и низгах температур воздуха в зимнее время. По .чнению неяо-
торкх зарубежных экономистов при строительстве ь условиях арк-гических морей "единствекнкм решением проблемы... является сооруже­
ние из железобетона, так как традициошюе представление о сталь­
ной конструкции, как более технологичной и надежной, является
оиибочньм". По оценке емериканских, канадских и финских специа­
листов стальные сооружения, эксплуатируемые в условиях низких
температур и ледовых всздзйствий, требуют использования спех^иальных марок сталей, высококлассной технологии изготовления, приня­
тия мер, обеспечивающих защиту от коррозии, возможности осмотра
при экспчуатации и др. По оценке тех же специалистов железобетон­
ное сооружение обладает значительно меньшей чувствительностью к
холоду и мало noflseWfHo воздействии вибрации. Последние исследова­
ния за рубежом показывают, что экономически целесообразно даже
палубные надстройки на* платформе изготавливать из железобетона
вследствие повышенной огнестойкости, низких эксплуатационных рас­
ходов, повышенной жесткости, лучшей сопротивляемости сейсмическим
и взрывным нагрузкам, ококомическке расчеты, проведенные в рамках
настоящей работы, подтверидают это мнение как длк обеспечения эф­
фекта предприятия, так и с точки зрения народнохозяйственного эф­
фекта.
Значительный опыт налей страны в применении железобетона для
сооружоний самого-различного назначения и, в частности, Б гидро­
техническим строительстве для суровых климатических условий содер­
жит примеры успешной эксплуатации железобетонных сооружений в ус­
ловиях сурового климата и наряд' с этим - конструкций, пришедпо»
в негодность после весьма непродолжительной эксплуатащи.
Помимо известных причин, связанных с нарушением технологичес­
кой дисциплины, устранение которых не входит в компетенцию науки,
сложность конструктивных форм, необычность условий эксплуатации и
более жестГкое, чем обычно, требование гарантий длительной безава­
рийной, а в силу значительных неудобств - безремонтной эксплуата­
ции в течение расчетного срока, вызвало необходимость в комплексе
исследований, подтверадающих возможность проектирования экономич­
ной и надежной конструкции железобетонной платформы для условий
северного и дальневосточного континентального шех^ьфа.
Целью диссертационной работы является изучение напряженно-де­
формированного состояния железобетонных конструкций, эксплуатируем
мых в суровых климатических условиях, в результате чего происходит
накопление повреждений, снижение их несущей способности и ухудшение
деформативных свойств, и на этой основе - разработка методов рас-
- 3 -
чета железобетонных конструкций ледостойкой платформы для морской
добычи нефти и газа с теоретический и экспериментальным обоснова­
нием возможности проектирования платформы, экономичной и обладаю­
щей заданной долговечностью.
Научную новизну работы составляат:
- климатологическое обеспечение расчетов железобетонных конструк­
ций, эксплуатируемых в.условиях сурового климата;
- способ учета деструктивных процессов в бетоне лелезобетонной
конструкции, Бызвашшх температурньми изменениями среды;
- установление причин ускоренного процесса ползучести бетона при
испытании в лабораторных условиях циклических замораживаний и от­
таиваний, а также в природных условиях эксплуатации;
- развитие теории ползучести бетона в условиях циклических замора­
живаний и оттаиваний, позволяющей учесть структурные особенности
бетона, его влажность, изменения температуры, вид и уровень напря­
женного состояния;
- установление закономерностей деформирования и разрушения стены
ледостойкой" платформы при локальном действии льда;
- способ расчета оболочки вращения произвольной конфигураг^ш, кото^ъй позволил установить характер образования и раскрытия трещин
в оболочке при температурно-силсвых доздействиях и перераспределонии усилий вследствие иотических деформаций и образовешия трещин
в бетоне;
- комплексный метод оптимизации геометрии ледостойкого соор1'жения,
содержащий дискретную лотигикуальнуюпроцедуры поиска оптимального
решения;
- установление закономерностей возникновения термонапряженного сос­
тояния, режимов и сочетаний силовых и температурных воздействий в
«алезобетонных конструкциях, характерных для ледостойких платформ;
- экспериментальные данные о свойствах бетона и хе-^езобетонных
элементов, подвергаемых циклическим замораживаниям и оттаиваниям,
о температурных полях и тереюнапряженном состоянии конструкций
ледостойкого сооружения для морской добьчи нефг'и к газа, о напряяенно-дефориироЕанноч состоянии железобетонных оболочек, подвергае­
мых локальному ледовому воздеЯствич.
На защиту выносятся:
- методика прогнозирования прочностных, упругих и реологичес­
ких характеристик бетонл, эксплуатирурмого или испытываемого в ус­
ловиях циклических замораживадай и вттаирлмчй;
-4- методология определения напряженно-дефорьированного состоя­
ния железобетонных конструкций, находящихся под действием силовых
и температурно-влажностных факторов;
- экспериментбшьные результаты исследований прочности и треащностойкости стен ледостойкого сооружения на локальное действие ле­
довой. нагрузки и методы их расчетов;
- методология определения напряженно-деформированного состоя­
ния сечений железобетонных элементов и их несущей способности при
режимном нагрукении, включающем периодическую эксплуатацию в усло­
виях циклических замораживаний и оттаиваний;
- физические представления об основных причинах, формируузщих
особенности ползуг1ести бетона при циклических замораживаниях и от­
таиваниях;
- климатологические обеспечение расчетов железобетонных конст­
рукций в природных условиях эксплуатации;
- методология системного подхода к проектированию гидротехни­
ческой части ДСП;
- результаты экспериментальных исследований железобетонных
оболочек, балок, стоек, плит и бетонных образцов, направленный на
обоснование положений предлагаемых методов расчетов железобетон­
ных конструкций ЛСП на температурное воздействие, температурно-силовое воздействие," сопротивление бетона и железобетонных элементов
циклическим замораясиваниям и оттаиваниям;
- комплексный метод оптимизации размеров ЛСП;
- принципы конструирования экономически 944>eKTHBHoro, конструк­
тивно целесообразного и долговечного железобетонного сооружения
для морской добычи нефти и газа.
Практическое значение работы состоит в том, что полученные'
экспериментальные и теоретические результаты исследований позволи­
ли разработать методы расчета же;1езобето(шых конструкций ледостойких платформ для морской добьми нефти и газа на воздействия, ха­
рактерные при эксплуатации в дальневосточных и северных морях.
Достоверность результатов. Предпосылки методов ресчета основа­
ны на экспериментальных данных о деформа1;ионных свойствах железо­
бетонных конструкщй в неизотермических, условиях. Эксперикчентальные данные подвергнуты оценке методакш математической статистики.
Расчетные схемы конструкщШ отражают специфику поведения элементов,
сооружения Б упруго-пластической стадии с учетом деструктивных и
конструктивных процессов в условиях сурового климата.
- 5 Реализация работы осуществлена в виде расчетных и конструк­
тивных рекомендаций в ведомственные строительные кормы по проектировашта ледостойких платформ Минзагпрома СССР (ВСН-41.8У/, а
также в Пособии к этим нормам.
По разработанным методикаи* в Гипроморнефтегазе и ШИ/1Пй^орнефтегазе выполнены расчеты и конструирование в npoeicrnx ледо­
стойких сооружений для'месторождений Чайво, Астрахановская,
Луньская. Для проекта Дальневосточного завода ледостойких плат, форм разработаны и оптимизириваны концептуальные реиения платформ
из железобетона для глубин З0...б0м.
Ожидаемый экономический эффект от использования результатов
работы при гфоектировании перечисленных сооружений составляет
свыше 380 тыс.рублей, в том числе от экономии арматуры из-за сни­
жения температурных напряжений 100 тыс.рублей, от эконоюи ар­
матуры и бетона из-за совершенствования расчетов на локальное
ледовое воздействие 126 тыс.рублей, от назначения оптимальных
размеров сооружения 15400 тыс.рублей, в том числе 160 тыс.руб­
лей - эффект, приходящий на долю JfllCH. Все данные приведены в
расчете на одно сооружение. Помимо указанного, эффект, не под­
дающийся количественной оценке, заключается в обеспечении без­
ремонтной эксплуатации сооружения на заданный период.
Публикации и апробация работы. Содержание работы отражено
в 64 научтос работах, в том числе в I монографии, 33 статьях,
2-х авторских свидетельствах. Основные положения работы были
доложены на У Всесоюзной конференции по экспериментальным иссле­
дованиям иняенерных coopyжeнийVTaллинн, I98I г . ) , на I и П коор­
динационных совещаниях НК1ЖБ (Москва, 1930 г., Иркутск., 1984г.),
на Дальневосточной научно-практической конференции по вопросам
мелиорации и сельского строительства на Дальнем Востоке (Уссу­
рийск, 1984г.), на 1У Всесоюзной конференции "Проблемы научных
исследований в области изучения и освоения Мирового океана"
(Владивосток, 1963г.), на Всесоюзной конференции "Обеспечение
качества железобетонных конструкций в суровых климатических ус­
ловиях и вечно мерзлых грунтах" (fliorroK, 1988г.), на I Всесоязкой конференции "Комплексное освоение нефтегазовых ^ес.урсов кон­
тинентального шельфа СССР" (Москва, 1966г.), на ВсесопзноК кон­
ференции "Проблемы оптимизации и надежности и строительной меха­
нике" (Вильнюс, 19Шг.), на Республиканской научно-технической
конференции и Всесоизиом коордикационлом совещании "Влияние кли-
.. 6 матических условий и ретомов нагружения на деформации и проч­
ность конструкционных бетонов и элементов железобетонных конст­
рукций" (Тбилиси-Гори, 1985г.), на научно-технических конферен1;иях МСИ им.В.В.Нуйбшева, 1975-1979г.г.), на секции ШС ШИИПИморнефтегаз, на семинаре 1ШИКБ и др.
Комплекс оборудования, созданного для проведения исследова­
ний, в 1983 году демонстрировался на ВД1Х СССР и отмечен серебря­
ной медальо ДДВХ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, семи разделов,
общих выводов, списка литературы, приложений. Работа изложена на
472 страницах и содержит 317 страниц машинописного текста, 143
рисунка на 132 страницах, 47таблиц , список использованных ис­
точников из 283 наименований.
Рассматриваемая диссертация выполнена в Московском инженерностроительном институте им.В.В.Куйбышева на к£1фвдре железобетон­
ных конструкций. Экспериментальная часть работы выполнена в От­
раслевой научно-исследовательской лаборатории морских нефтегазопромысловых сооружений того же института при участии аспирантов и
инженеров, руководимых автором: Н.К.Ананьевой, В.Г.Бойко, А.Ф.Де­
нисова , Т.А.Зачиняевой, А.Д.Истомика , Г.Ф.Мкшева , СЮ.Никоновой, Л.И.Шиаевиоа и др.
Работы по проблеме осуществляются с 1973 года по отраслевым
программам Миннефа'епрома и Мингазпроме,, с I9BI года по комплекс­
ной целевой программе ОЦ 007.04.0Ь ГКНТ Совета Министров СССР,
с 1986 года по НТП ГКНТ СССР
0.04.03 от ЗО.Х.8аг.
СОДЕРЛАНИЕ РАБОШ
Состояние вопроса. Отечественный и мировой опыт применения
железобетона в морском гидротехническом строительстве имеет мно­
гочисленные и разнообразные примеры успешной эксплуатации инже­
нерных сооружений различного назначения в течение многих десяти­
летий. В морском гидротехническом строительстве широко представ­
лены все разновидности бетонных и железобетонных конструкций:
монолитные и сборные, с обычным армированием и предчапряженные,
из цементных бетонов и полкмерцементн1-:(?. Разнообразны и конструк­
тивные типы сооружений: свайные, гравитационные и заглубленного
типа; из массивов гигантов, оболочек; опускных колодцев и конст­
рукций типа "стена в грунте". Широко и успешно применение железо­
бетона в судостроении: плавучие доки, наливной фдот, баржи для
размещения крупных технологических установок и т . д .
- 1 Среди сооружений на континентальном шельфе построены железо­
бетонные. Крупнейшие из них установлены на глубинах до 152 метров,
Строятся и проектируются еще более грандиозные сооружения из желе­
зобетона для добычи нефти и газа.
Особый к.ласс сооружений для морской добычи нефти и газа сос­
тавляют ледостойкие платформы /ЛСП/. Для СССР, с в ш е Q^% континен­
тального шельфа которого расположено в замерзающих акваториях, ЛСП
являются наиболее актуальными.
За рубежом и отечественньми специа.чистами к настоящему време­
ни. спроектированы десятки ЛСП разнообразных конструктивных форм.
Исключительно высокая стоимость каждого из таких сооружений и не­
обходимость обеспечения гарантированной безаварийной эксплуата'ции в течение продолжительных сроков в условиях, затрудняющих, а
нередко не позволяющих вести ремонтине работы, требуют вниматель­
ного и многостороннего анализа при выборе конструотивного реше­
ния платформы. Основаниями для такого анализа служат построенные,
проектируемые ЛСП, навг.гационные, транспортные, судостроительные
сооружения,, по форме или условиям эксплуатации близкие к ледостойким платформам.
Изучение составов бетонов, использованных при возведении
морских сооружений за рубежом и в СССР, а так же рекомендуемых
нормами, показывает, что успешные результаты достигаются в слу­
чаях применения бетонов с вдоокпм содержанием цемента, низким водоцементным отношением, при наличии пластифии?1рупщих и гаэообраэующих добавок. В частности, HHliKB /{.М.Иванов и М.М.Капкин/ реко­
мендует для ЛСП бетон на сульфатостойком цементе о расходом
600 кг/м^, с Ц:П:Щ = 1:1,2:2,2 и с W/C . 0,32 и добавками С-3 и
СНВ.
Решение вопроса о конструкции ЛСП не ограничивается подбором
состава бетона. В результате анализа многочисленных источников,
включая отечественные норму проектирования гидротехнических соору­
жений, защиты конструкций от коррозии, норвежских Правил проек­
тирования, возведения и контроля сооружений ип шельфе,установлено,
что изолиру»)1цие свойства бетонч, обеспечиваемые его плотностьч и
химическими свойствами цементного камня, приненение низкоуглеро­
дистой и ниэколегнрочанной арматуры в СООТРОТСТРИИ с рекомендация­
ми действующих норм, позроляет возродить т:^елезоЛетонт1е конструкlyiH для работн в агресси.внкх условиях - морской воде.
- а -
Посколь(г/ конструкции ЛСП взаимодействуют с движущимся льдом,
среди п{)облем строительства этих сооружений - обеспечение сопро­
тивления исти{»нию поверхности бетона. В качестве одного из перс­
пективных путей решения этой проблемы - применение дня конструк1ЩЙ, непосредственно контактируемых со льдом, фибробетона, обла­
дающего повышенным сопротивлением истиранию при высокой морозо­
стойкости.
В течение многих десятилетий проблема долговременного сопро­
тивления железобетона в суровых климатических условиях органичивалась анализом морозостойкости бетона и рекомеидашями по её повыпению. Работы О.Е.Власова. Г.И.Горчакова. Г.Г.Еремеева, Ф.М.Ива­
нова, В,С.Лукьянова, С.Е..'4|ронова, В.М.Москвина, Н.А,Мещанского,
М.М.Капкина, Ю.А.Ннлендера, A.M.Подвального, В.Г.Скрамтаева, Б.В.
Столышкова, С.В.Шестоперова, Т.Пауэрса, Л.Коллинза, Р.Валоре,
М.Валенты и многих других позволили с^юрмировать современное пред­
ставление о стойкости бетона воздействию низких температур и переменнь'Х замораживаний, выявить ({акторы, определяющие эффектив­
ность сопротивления бетона этим воздействиям. Вакнейшими из этих
факторов являются структура бетона, степень водонаскцения и тем­
пература замораживания. Влияние на структуру бетона его состава
и тех)Юлогических '{вкторов изучены достаточно подробно и это поз­
воляет нормировать марку бетона по морозостойкости и получать бето­
ны с заданным сопротивлением весьма большому числу 1диклов эаморчживаний и оттаиваний /ЦЗО/, Экспериментально установлены роль
влажности 6efoHa, температуры замораживания, вида и уровня напря­
женного состояния бетона. Однако в расчетах железобетонных конст­
рукций влияние этих особенностей эксплуатации не учитывается. От­
сутствует и общепринятый подход к согласованию лабораторных и кли­
матических ЦЛО, что не позволяет использовать известные данные и
рекомевдашп) д.;1я расчетов долговечной эксплуатации сооруже!шй в
неизотермических условиях эксплуатации.
Ддя конструкций массового изготовления методология проектиро­
вания, оонораниап на требованиях действующих СНиП, вполне обосно­
вана. Кроме того, возможные неточности в этих требованиях могут
быть исправлены в послея'Упизчх сооруис-ииях, устранены благодаря ре­
монтопригодности многих сооружений. Особенности ЛСП заключаются в
весьма высокой стоимости каждого сооружения, трудностях ремонта и
реконструкции в открыгон море. Настоя1дее исследование предпринято
- 9 как попытка учесть в расчетах изменение свойств бетона железобе­
тонных конструкций под влиянием деструктивных и конструктивных
процессов в меняющихся условиях окруксаящей среды.
Влияние влажности на прочность и деформативность бетона иссле­
довано при положительных температурах З.Н.Цилосани, П.П.Цулукидзе,
Ю.НЛЛ1Кзшвили, Н.Н.Ахвердовьм, Ю.М.Баженовым, K.A.biajibuoBvai, Г.П.
Вер)бецким и др. Результаты этих исследований позволяют с достаточ­
ной степенью достоверности рекомендовать расчетные зависимости как
при статическом, так и при многократно-повторном нагружении.
Сопротивление бетона внешним воздействиям в замороженном сос­
тоянии в зависимости от влажности бетона, его марки по морозостой­
кости и температуры удачно формализованы А.Ф.Миловановым и В.Н.Самойленко. Предложенные ими аппроксимации основаны на результатах
многочисленных экспериментов В.U.Москвина, Б.М.Назура, В.Н.Нрмаковокого, A.M.Подвального и многих других. Они позволяют прогнози­
ровать поведение бетона при "первом замораживании", т . е . при пони­
жении до расчетной температуры бетона, не подвергавшегося ранее
циклическим температурным воздействиям. 1ки же предложены зависи­
мости, отражающие снижение прочностных и упругих свойств бетона
при ЦЗО на границе, допускаемой расчетной морозостойкость». Б.И.
Пинусом получены характеристики прочности и деформативности бето­
на в виде регрессионных зависимостей от числа ЦЗО. Для перехода от
лабораторного режима ЦЗО к климатическому им использован и развит
метод И.З.Актуганова,оонованнкй на энергетическом эквиваленте этих
режимов.
Непосредственное использование этих рекомендаций для прогнози­
рования поведения железобетонной, в nepejio очередь, статичесю! не­
определимой конструкции, затруднено. Необходима разработка методов,
позволяя!1!Их непрерывно к дц!{|ференцированно оценивать изменение
свойств бетона при ЦЗО с раздельша* удетом каждого из ({«еторов:
марки бетона по морозостойкости, вида и уровня напряжений, степени
водонасыщения бетона, числа lyiwios замораживания и мттмальмой тем­
пературы в цикле.
Изучения температурных полей и термонппрятенного состояния бе­
тонных и железобетонных конструкция ПОСРЯЩРИО эначитечшое число
исследований. Среди н.их работы С.В.Ллекся1щ.ровс1.'огп, Л.В.Ер.т^ра,
П.И.Васильева, А.А.Гвоздева, B.Г.Kopeнe^a, Л.В.Лкпчпа, К.Л.М^лыг)ва, r.ll.fiacjiopa, Ю.Л.Ннлендера, iii.И.Плятта, С.П.Тиц'чупмко, С.Л.Фри­
да, Л.П.КричеРоког^. За рубежсм в ряпритие т^рчсплаати'шости Соль-
- lu иой muia,n, внесли В.Койтер, З.Мелан, В.Прагер, В.Новацкий.
Как показывают расчеты и натурные обследова1гая, во многих и,
в первую очередь, гидротехюяеских сооружениях эксплуатацио(шь:е
термонапряжения играют с силовыми равную, если не преобладающую,
роль в формировании общего напряженного состояния. Железобетонные'
конструкдаи леи занимают промежуточное положение между массивными
гидротехническими и тонкостенными элементами для промышленного и
гражданского строительства. Поэтому упрощавшие расчет гипотезы о
линейном характере изменения температуры или гармошгческом законе
её изменения во времени для этих конструкций могут оказаться не­
приемлемыми при определении термонапряженного состояния.
Специфика конструкщй ЛСП заключается еще и в том, что весьма
эф|5)ективные конструктивные и технологические мероприятия по сниже­
нию термонапряжений: '1^епловая защита, разрезка швами и т . д . , - оказывЕются иеприемлемьми, как противоречащие требованиям жесткости,
сопротивления действию движущегося льда и водонепроницаемости.
При проектировании ЛСП инженеры встретились с практически не­
исследованной областью - ледовой нагрузкой на сооружение, которая
может выступать как глобальная, действующая на значительную часть
периметра сооружениями локальную, сосредоточенную на ограниченной
площади поверхности. Локальное давление обладает свойством увели­
чиваться при уменьшении контактного пятна, достигая более чем пя­
тикратного значе1тя прочности льда на осевое сжатие.
Немногочисленные исследования за рубежом: Б.Гервик, Д.Еёрди,
Д.Бкула и д р . , и в СССР: А.П.Кириллов, А.Е.Саргсян и Е.И.Нейман,
не позволяют дать исчерпывающие рекомендации по определению с о ­
противления конструкций ЛСП и, в первув очередь, оболочек враще­
ния как наиболее перспеетивных несущих конструкций, локальной л е ­
довой нагрузке. Требуют уточнения методы расчета трещиноотойкссти,
сопротивления локальному изгибу и продавливанию.
Изучение зарубеяиад-^о опыта строительства и эксплуатации плат­
форм для морской дсбкГ1и нефги и газа свидетельствует, что эта
область деятельности чсчовечества вызывает значительное число не­
счастных слу!аев. Поэтому Руководства Норвегии, США и других стран
содержат рекомендации и требования к расчетнш коэффи1!?1ентам на­
дежности для проектируемых и эксплуатируемых плах<{юрм. Как извест­
но, в СССР расчеты надежности в строительстве имеют безусловное
распространение только иа конструкции и сооружений с экономической
ответствекностыо. Д,!н уиик;)яьных сооружений и, в первую очередь,
ЛСП система безопасности должна включать комплекс мероприятий,
- II обеспечивающих выполнение ряда сменяющих друг друга целей и
средств их реализации. Смена цели приводит к выполнений задач
следующего уровня. При эффективной деятельности служб контроля
качества, инспекции и эвакуации оказьвается возможньм исключить
из расчетов оценку жизней. В результате оказывается правомерньл
применение результатов работ А.Р.Ржаницына, В.В.Болотина, Б.К.
Снаркиса, Н.Н.Склацнева, А.Я.Дривинга, Ю.Д.Сухова, С.А.Тимашева,
В.Д.Райзера и др. о надеясности конструкции с экономической ответ­
ственностью. Для рассматриваемой задачи специфический и наиболее
важный характер носит надежность при износе.
Взаимовлияние отдельных частей такого сложного инженерного
сооружения, как ЛСП, на.чкгчие многочисленных и нередко противоречи­
вых требований К элементам сооружения как с точки зрения прочнос­
ти, устойчивости и надежности сооружения в целом, так и его частей
при эксплуатации, в период изготовления, транспортировки и монтажа,
дела*^т неэффективньми традиционные методы проектирования. Основой
для системного подхода к проектированию сооружения является систем­
ный анализ и теория выбора решений, разработанные Е.М.Гвишиани,
Г.И.Марчуком, Н.Н.Моисеевым, П.Фишберном, Е.С.Вентцель, Л.С.Понтрягинкм, Е.Вольтерра и многими другими. Использование эвристичес­
ких методов и ({юрмалиэованной оптимизационной задачи позволяет
рассчитывать на создание проекта сооружения, удовлетворяющего многочисленньм 1фитериям расчетного, технологического и конструктив­
ного характера.
На основании анализа состояния вопроса для успешного проеци­
рования, строительства и эксплуатации JlCil из железобетона требуузт
решения следующие научные проблемь':
- сопротивление несущих конструкций ЛСП совместному силовому
И теютературному воздействию с учетом изменения прочностных и де'{юрмативных свойств бетона при отрицательных температурах;
- сопротивление стены ЛСП локальному ледовому воздействию;
- длительное сопротиатенле жатезобетонных конструкций ЛСП,
эксплуатируемых в суровых климатических условиях.
Температурные и влажностные воздействия на же^тезобетонные
конструкции ледостойии п-чатформ. Прогнозирование попед9ГО!я железо­
бетонной конструкшш должно основываться на а,цекпатмай модели тем­
пературных изменений в OKpyf.nn^eVi среде. Основой для построе1тя та­
кой модели могут служить срочные измерения температуры воэдухя или
рясчетная аппрокси.чацад, позволяющая с достаточной степенью досто-
верности воспроизводить природный температурный ход. Автором пу­
тем двукратного применения метода статистического моделирования для максимума и ми(мм>'ма температуры в течение любых суток года
и числа циклов замораживаний и оттаиваний в осенне-зимний период
и зимне-весеншШ период эксплуатации, или при наличии прилив но-отли­
вных колебаний в осенне-весенний период, - получены параметры
колеба|шй температуры со всеми необходимыми статистическими харак­
теристиками при заданной обеспеченности. Сравнение результатов, по­
лучаемых с помощью pa3piEi6oTaHHoro климатологического обеспечения,
с данныхм о температурном ходе в различных регионах показало удов­
летворительную воспроизводимость реального процесса.
Различие температуры сред в надводной и подводной части соо­
ружений на наружной и внутренней поверхности стены оболочки соз­
дает сложное температурное поле, не позволяющее воспользоваться
известными ретеничми термоупругости. Автор предлогкил простой спо­
соб расчленения температурного поля на составляющие: перепад тем­
пературы по высоте стены /образующей оболочки/, перепад температу­
ры по толщине стены на всей образующей и перепад температуры на
части образующей. Последняя задача потребовала разработки расчет­
ного аппарата. Поскольку задача о ступенчатом перепаде температу­
ры по образующей оболочки содержит более жесткие, чем в реальной
ситуации, граничные условия, автором решена задача о распределе­
нии те(лпературы в стенке оболочки для зоны, прилегающей к грани­
це сред "воздух-вода", а после линеаризации полученного темпера­
турного поля, предложен вариант решения термоупругой задачи для
оболочки, на части образующей которой происходит изменение т е ш ю ратуры по линейному закону. Сравнение теоретических и эксперимен­
тальных результатов, полученных на железобетонных моделях, пока­
зало,что Б практически важных д,чй стен Щ[ случаях расчетнал схема
со ступенчатым перепадом температуры по образующей оболочки да­
ет результаты,несущестЕпино отличающиеся от того,что можно полу­
чить при учете плавного характера изменения температуры.
При расчете тонкостенных железобетонных конструкций обычно
ограничиваются двумя членами разложения тешературы з степенной
ряд: постоянной и нииейно изменяющейся по толщине стержня темпе­
ратурой.В работе показано, что при толщинах стен свыше 0,5 м необхох^имо использовать и третий член разложения - изменение тем­
пературы по квадратной параболе. Эксперименты на железобетонных
оболочках и проверочные расчеты конструкций, подвергаемых квазистащюнарпьм темпэратурньм поздействиям,показали, что три члена
- lo степенного ряда обеспечиваит достаточную для инженерной практики
точность расчетов. На основе известного pemeima Д/огамеля автором
для заданного распределения температуры по толщине стенки /по
квадратной параболе/ получены аналитические вь)раженид напряжений:
радиальных, кольцевых и вдоль образующей оболочки, а также про­
анализировано значение кавдого из этих напряжений.
На базе известно1;о решешя С.П.Тимошенко для плиты, в которой
температура по толщине меняется по квадратной параболе, с привле­
чением аппроксимации, заключающейся в том, что в брусе, охлажцаемом или нагреваемом с четырех боковых граней, температурное пол»
может быть описано объединением двух цилиндров, получены форглулы
для описания напряжений в брусе, призме и т.д. Сравнение резуль­
татов расчетов с известньми данньми А.В.Белова показали, что при
очевидной простоте пользования этими формулами расхождение в мак­
симальных значениях напряжений не превышает 0,ОЬ%.
Для статически определимых железобетонных конструк1;ий главным
источником термонапряжений является разность линейных коэ1[>!1КЦиеитов температурного расширения бетона и арматуры при охлалсдении и
нагреве. Автором проанализированы возможные случаи зр1жрования и
вида температурного поля /три составляющих степенного ряда/ и по­
лучены формулы для напряжений и деформаций в упругой стадии рабо­
ты - до образования трещин, а затем после анализа экспериментов - и для стадии после образования трещин.
Среди статически неопределимых конструкций при расчете ЛСП
на температурные и силовые воздействия 11аибольший интерес пррдставляют оболочки вращения произвольной формы с гладкой и усилеиноЛ
ребрами стенкой, с коническиш) вставкшли, в виде однополостиых
гиперболоидов и т.д. Известные аналитические методы определения
моментного состояния в так1!х оболочках основаны на теории балки
на упругом основании. Это peioemse Вииклера-Фусса, П.Л.Пастернака,
В.3,Власова, Б.Г.Коренева.
Для составной сболсчки, состоящей нэ "коротких" оболочек ре­
шения существенно ослокняютсл: необходимо пользоваться метсд'ч
ко1лпенсирую\дих нагрузок Б.Г.Коренева или системой коэМ'Ициентов
Белл>'цц11.Ч}1сленнь:е методы, ocHOBaimi'e на МКЭ: Н.И.Карпенко, С.Ф.
Клованич, А.П.КрииевскиЯ и др., - сбладаят пксокой тпчиостьч, но
вызьшают трудности при необходимости многократнк1х пподов при
проектировпш'.и ЛСН с изменяющейся конфигур-чцией оболоч(ги. Автором
разработаны методы дискретного ртсчетя оболочек вращения произ­
вольной формы. В качестве основной И Г С Т ' Л ' Ф И Т О Л Ь Н О ркбранн систе-
ыа жестких в плоскости прямоугольного или параллелограммного се­
чения колец, упругих колец с учетом деформации изгиба и сдвига,
упруго-пластичзских колец, в которых по мере роста нагрузки обра­
зуются трещины. Сравнение решений тестовых задач с результатами
расчетов классическими метода(^, а также проверка метода экспери­
ментальными результатами на железобетонных цилиндрических и сос­
тавных оболочках показали, что метод обеспечивает достаточную для
практики точность при силовых и температурных осесимметричных воз­
действиях. В оболочках с трещинами выявлен эффект перераспределеши
усилил. Реализация разработанных программ позволяет не только вы­
явить напряженное состояние от комплексного воздействия, но опера­
тивно путем изменения геометрии назначить наиболее безопасную форity башни ЛОТ.
На основании существующих п предложенных в этом разделе мето­
дов определения термонапряженного состояния ячеистых и оболочечных
конструктивных форм, подвергаемых температурно-влаяиостному воз­
действию, при проектировании опорных блоков ЛСП необходимо обеспе­
чить конструктивно-технологические мероприятия по снижению термо­
напряжений. К ним относятся: наиболее благоприятная температура
замыкания конструкции в статически неопределимую; отсутствие под­
креплений ч оболочке, преплтствую1цих свободной температурной де­
формации при перепаде те!«1ературн по образующей; отсутствие рез­
ких иэменегшй жесткости - концентратов напряжений; снижение жест­
кости оболочки путем устройства вертикмьных штраб и т.п. в зо­
нах, где это не снижает сопротивление оболочки другим воздействиям.
Сопротивление железобетонных конструкций ЛСП локальным ледо­
вым вопдействиям. Локальная ледовая нагрузка имеет особый харак­
тер. Автором для ее описания предложены линейные аппроксимируощие
зависимооти для величины коэф(!1ИШ!ента смятия к„ от соотношения длиК
ны контакта льда и сооружения по ватерлинии d и толщины ледяного
поля ka •
Л-, ' 6,67 -а,р/г ti/h.a_ при d/ka, 6 ^>?У
л-^ = ?,-^ - о,о^б а/А^ при с^/Ад^ >4,^.
Размеры и г{юрма контакта соорут.чния со льдом непостоянны и
неопределенны, не ясна роль деформативности конструкции при опреде­
лении ледового воздействия, не известны характер и йорма разруше­
ния конструкции при локальном нагружении. На основании результатов
экспериментов, осуществленных на железобетонных моделях из армиро­
ванного гипса, автором установлены возможные формы разрушения: от
- 15 локального изгиба, продавливания и глобального изгиба оболочки.
Установлено также, что характерные для ДСП соотношения между тол­
щиной стенки и радиусом оболочки вызывают преимущественно продавливание стенки, сопрововдающееся локальным изгибом. Неопределен­
ность размера штампа нагружения и, следовательно, интенсивности
нагрузки Б каждый момент времени потребовали анализа форм разру­
шения и напряженного <;остояния в широком диапазоне изменений па­
раметров нагрузки. Установлено, что максимум равнодействующей ле­
довой нагрузки не совпадает с наиболее опасньм значением продав­
ливающей нагрузки, ото требует при проектировании стены ЛСП мно­
гократных проверок сопротивления продавливанип и локальному изгибу
в широком диапазоне а^/4,.
Для расчета трещиностойкости оболочки под действием локаль­
ной ледовой нагрузки автором разработан инженерный метод определе­
ния напряженно-деформированного состояния оболочки, загруженной
сосредоточенной или полосовой /вдоль направляющей/ нормальной
нагрузкой. В основе метода - расчет балки на упругом основа1ши в
виде систем колец, каждое из которых опирается на смежные с по­
мощью сил сдвига. Проверка результатов расчетов с помощью Э Ш и
экспериментов на стальной оболочке показала, что предлагаем'Л
метод обеспечивает в определении М ^ и U ^ на наружной поверх­
ности оболочки результат, гарантирующий от образования трещин.
Следует отметить, что асимптотические формулы, применяемые в ин­
женерных расчетах для определения напряженного состояния при ло­
кальном действии нагрузок на плиты и оболочки, неприе1глемы для
расчета стен ДСП, так как не позволяют получить сколь-либо досто­
верное значение моментов на поверхности, со стороны которой при­
ложена нагрузка.
Для определения несущей способности стенки оболочки на локаль­
ный изгиб автором на основании решения А.Р.Ржаницына получены вы­
ражения для предпочтительных ({орм разрушения оболочки от сосредо­
точенной и полосовой нагрузок и проанализированы трансформации
этих форм при изменении соотношений кольцевого и меридионального
армирования.
Анализ картин разрушения оболочек, выполненных из железобетона
и армированного гипса, а также подсчет несущей способности на продавливание оболочки по формулам действующего СНиП позволили автору
предположить, что существеная разница в экспериментальном и рас­
четном результатах обьясняется ney^ieTOM роли продольиогр армировавания и роли кольцевых сжимающих сил в расчетах СЯиН.- В качество
-16
-
расчетной модели предложено использовать модели расчетов ббшои и
плит на поперечную силу, в которых кольцевая сила определяется
в упругой стадии на граница»условной пирамиды продавливания. Значе­
ния осевой силы получены с помощью 'Мд и приближенно с помощью раз­
работанной автором методики, основанной на решении дифференциаль­
ного уравнения прогибов кольца, опирающегося на смежные посредст­
вом сил сдвига. По результатам расчетов МКЭ построены для оболочек
с различной относительной толщиной стенки и с разлтной относитель­
ной длиной графики зависимости кольцевой силы от размеров штампа
иагружения. Сравнение результатов экспериментов при жестких штам­
пах и результатов расчетов по МКЭ, где штамп-система независимых
сосредоточенных сил, свидетельствует о незначительном влиянии деформативности стенки на Ы^ и М^ .
Для армированной м неармированной поперечной арматурой стенки
оболочки результаты расчетов сопоставлены с результатами собствен­
ных опытов автора на цили1щрических и составной оболочках враще1ИЯ и опытов, проведенных другими авторами на арочных сводах. Срав­
нение показало, что предложенный подход обеспечивает лучшее совпа­
дение с опытными результатами, чем результаты, полученные по СНиП
и ряду зарубежных норм. Учет кольцевой силы в сравнении с расчетом
по принятой в СНиП методике расчета на продавливание обеспечивает
увеличение расчетной несущей способности стенки оболочки, достигаю­
щее 44%.
Свойства бетона, подвергаемого силовым и температурно-влажностным воздействиям. Рассматривая морозостойкость бетона не как
границу, после которой эксплуатация невозможна, а как свойство бе­
тона, автор на основании многочисленных опытов, осуществленных в
нашей стране, принял, что прочность бетона при ЦЗО R снижается
линейно ^
Д, = R - д Е ^ ,
где R
лR
- кубиковая проиность к моменту начала ЦЗО;
- снижение прочности после С лабораторных циклов с мини­
мальной температурой tg не менее -60°С.
Аналогичные условия приняты для изменения прочн(;сти на осевое
сжатие, растяжение и начального модуля упругости. Учет влияния
факторов, обуславливающих деструктивные процессы, осуществлен на­
ми дифференцированно на основании обработки результатов многочис­
ленных экспериментов и рекомендаций, содержащихся в литературе.
В окончательном виде коэ({)фициент условий работы /коэт[к{;И!хиент
- г? надежности при вероятностном подходе/по прочности на осевое сжа­
тие после С циклов замораясивания до температуры ^ и оттаивания ра­
вен:
/^^ -^-^s^^pl^^^rcAC^^ni^^C^^^^'
V^)] при V^i V^;
В этих выражениях ><^ - коэймЦрИент, учитывающий соленость воды-среды; на основании рпытов автора, А.Ф.Денисова и А.Д.Истомина
к^ ш \ для пресной воды и -^j = 1,2 для морокой воды с соленостьо
ЪЬ%о ;л^= 1,675 - коэ'йициент, учитывающий снижение прочности приз­
мы по сравнению с прочностью куба при ЦЗО, получен на основании
статистической обработки данных Е.А.Гузеева, U.Г.Булгаковой, В.В.
Семенова, автора и Н.К.Ананьевой;
'Яг^= 1000, коэффициент, учитывающий связь меаду относигельньм уров­
нем сжимающих напряжений и числом замораживаний к оттаиваний, полу­
чен на основании обработки результатов экспериментов М.М.Юшкина
и Ю.Л.Грановского;
Ь - коэффициент, учитывающий влияние влажности бетона на его мо­
розостойкость /см.таблицу I / , получен на основании статистической
обработки результатов более 120 опытов многих авторов;
Cf. - число lyiwioB замораживания и оттаивания, соответствующее сиижекио кубиковой прочности при стандартном испытании морозостойкос­
ти на 15% по гест 10060-76;
V^ - относительное напряжение V^ ' ^ ' S »
>> - относительное напряжение, при котором напряженное состояние
сжатия перестает влиять m скорость деструктивных процессов, опре­
деляемое по таблице 2 ; значения коэФ|1Ициента получены в результате
обработки данных М.М.Капкина и Ю.Д.Грановского.
пт- - кoэФ^ициeнт, учитывающий отклонение температуры фактического
цикла от стаадартиого /-ЗО^С/, полученнкй в результате обработки
рекомендаций М.Ю.Лсщинского /таблица 3 / .
Снижение начального модуля упругости при сж^^тии учить^аем по
аналогии со снижением прочности на осевое сжатие, но с заменой ко­
эффициента т? на коэф1>ициент уб , также содоржада^сл в таблиг(9 I .
18
Таблица I
Морозостойко сть F
Зона :
;Коэ'М.
конет-: W.J
100 : 200 ; 300 : 400 ; 500
рукции:
26
3
1в,2а
4
п.
г
0,25
0)22
0,4
0,38
1
0,5
0)6
i,
10
5
1а
6
0,7
7
F:
40 •
д.
0.9
.1,4
50 1 80
0,5
0,7
0,75
i:i
V
2,3
3^2
1,2
3|5
4,2
8'
4
10
5.5
23
7,5
20'
10
50
5,3
18'
9
42
14
80
: 100 i 150
Ь'
;
600
3
8
9,6
24
16
80
14
20
24
125
60
350
40
160
130
600
63
350
243
1000
Таблица 2
i 200 i 300 • 400 i
500
Vf\ 0,3351 0,375: 0,44 : 0,475; 0,54 :0,575 : 0,620:0,640; 0,650
:
;
F : 50..J50
m. : ^51
200:
300 :
2,07: 1,96 •
Таблица 3
400 i 500
1,76 • 1,51
i
:
Результаты расчетов по предложенным формулам и данные М.М.Капкина,
Б.С.Гладкова, Ю.Д.Грановского и А.С.Гончарова в диапазоне
0 ^ G'/Rg < 0,6 показали удовлетворительное совпаде>ме.
Для прочности бетона на растяжение предложено следующее выражение:
при ограничении
На основе обработки данных В.М.Москвина и A.M.Подвального принято,
что коэффициент /тг^^ , устанавливающий связь между оа'носительным
уровнем растягивающих напряжений и числом эамораютваний и оттаива­
ний, равен /я. = 250.
Путем замены ^ на ув эти выражение и ограничение использутотся
для определения коэ(51фициентов условий работы для модуля упругости
растянутого бетона при ИЗО.
- 19 Климатический ход температуры воздуха от лабораторного отли­
чает непостоянство значений температуры бетона. При расчете долго­
вечной эксплуатации конструкции в условиях климатических воздей­
ствий коэффициенты условий работы для прочности бетона на сжатие
принимают вид:
Здесь ?•.= S- /В.. - относительное напряжение сжатия после предвдущего цикла.
После замены в этих выражениях ^ на^а получены значения
коэффициентов условий работы для начального модуля упругости бе­
тона после i -го цикла климатических замораживаний и оттаиваний.
В аналогичных условиях прочность бетона на растяжение пред­
лагается определять путем умножения прочности бетона на растяже­
ние в нормальных условиях на коэффициент условий работы
с ограничением
Здесь |Ь,. , - Ф^. /R- - относительное напряжение растяжения после предыдущего цикла.
Замена р н а ^ дает возможность определять начальный модуль
упругости бетона при растяжении после/-го цикла.
Прочность сжатого бетона в замороженном состоянии после / -го
цигаа замораживания предлагается определять на основе методики
А.Ф.Милованова и В.Н.Самойленко для "первого замораживания" в ви­
де произведения трансформированного коэффициента этих авторов на
коэффициент условий работы, полученный в данной работе:
где Р, - коэффициент, учитывающий влияние марки бетона по моро­
зостойкости и влажности бетона на изменение его свойств при замо­
раживании. Значения коэффициента ^, , представляющие эквивалент,
предложенным А.Ф.Миловановым и В.Н.Самойленко, приведены в табли­
це 4;
Таким же путем получены коэффициенты условий работы заморожен­
ного бетона по модули упругости при сжатии
20
по прочности на растяжение
и модулю упругости при растяжении
А^.сЛ'^^-А4е^^"^/'''-иТаблица 4
Зона :Влаж-:Лоэфф.
конст-:ность:у тлз
рук11?1и: »^,% :* '•^
1а, 16
свыше
5
•1в,2а 4...5
2б
менее
4
Марка бетона по морозостойкости. F
75..,100; 150...200 : 300 : 400 •. 500
?/
^,
18,4
15
16,7
13,3
15
11,7
13,3
10
11.7
9,2
.?>
UA
•^
16,7
• 13,3
П.7
15
11,7
10
d,3
13,3
10
8,3
6.7
11,7
8 3
10
^
617
5
3
Для учета изменчивости условий окружающей среды и свойств бе­
тона автором на основе полученных выше детерминистических коэффи­
циентов, учитываюц^их деструктивные процессы в бетоне приЦЗО, пред­
ложено использовать метод статистического моделирования /метод
Монте-Карло/, Эта методика реализована в виде программы "МОЛ'ЗТР"
на языке Бейсик. Рассматривая проектную морозостойкость бетона,
температуру охлаждения в цикле и вламсть бетина как случайные ве­
личины, подчиняющиеся нормальному закону распределения с допускае­
мыми нормами отклонениями, на базе до 500 проб получены статисти­
ческие характеристики, позволяющие трактовать полученные выше коэф­
фициенты условий работы как коэ|{>фициенты надежности.
На основе результатов собственных экспериментов, а так же ра­
бот Б.М.Мазура, Ф.Ростаси и Г.Видемана, А.Ф. Ыилованова и В.Н.Самойленко, автор пришел к выводу о том, что искусственные способы
водонасыцения бетона приводят к нар^-шенио его структуры и это не­
позволяет рассматривать "аномальное расширение" бетона при замора­
живании как изначальное свойство водонасмдеиного бетона. Одновре­
менно с этим предложена подтвереденная опытом зависимость для оп­
ределения свободных температурных де'|юрма1у1й бетона с учетом его
влажности.
- 21 Длительные прочностны.е и предельные деформативные свойства
бетонов, ползучесть бетона при положительных температурах доста­
точно подробно изучены в трудах многих советских и зарубежных уче­
ных. Многие результаты включены в нормативную литературу и явля­
ются надежной основой для проектирования зданий и инженерных соо­
ружений из железобетона. Длительные деформации бетона при цикли­
ческих замораживаниях и оттаиваниях проанализированы в работах
А.А.Гончарова и В.С.Гладкова, В.М.Москвина и A.M.Подвального, Л.Н.
Антонова. После вьделения из
их деформаций влажности - набухания,
оказалось, что имеет место специфический вид ползучести - ползу­
честь бетона при ЦЗО, которая в отличие от ползучести бетона при
положительных температурах при относительно небольших уровнях на­
пряжений может приобретать устойчивый и даже прогрессирующий ха­
рактер. Автором вьщвинутн гипотезы о том, что источниками особен­
ности ползучести бетона при ЦЗО являются температурные напряжения,
возникающие во время переходных процессов: замораживания и оттаи­
вания, и деструктивный процесс, вызываящий постепенное уменьшение
прочности и упругости бетона. При этом в лабораторных испытаниях
преобладает первое явление, а при действии природных изменений
температуры - второе.
Опытным путем с привлечением известных задач термоупругости
при нестационарных процессах определены пиковые и эквивалентные
значения температурных напряжений при охлаждении и нагреве. В ла­
бораторных условиях при максимальных, на порядок превыпагощих при­
родные, скоростях нагрева и охлаядения пиковые напряжения согласно
опытов и решения соответствующих задач термоупрутости могут при
нагреве и охлаждении в воздушной среде достигать 2 ffila, а при наг­
реве в воде 9,5-12,5 МПа.
Основой для построения математической модели и уравнений полayiiecTH выбрана одна из наиболее простых и в то же время достаточ­
но адекватная для"старого" бетона - модель упруго-ползучего тела
Г.Н.Маслова - Н.Х.Арутюняна.
Опираясь на исследования С.В.Александровского, А.М.СамеДова,
А.Ф.Милованова, В.М.Бондаренко, П.И.Васильева, принято, что зату­
хание деформаций ползучести происходит независимо от температуры,
что позволяет сиглволически выразить'деформацию ползучести в виде:
- г 2 Верхний знак в слагаемых для переходных фаз отвечает наружной об­
ласти, а нижний знак-внутренней области сечения стержня.
Далее принято, что наследственная функция 1-го рода постоянна на
протяжении цикла,и на этом основании интегрирование заменяется
суммированием.
После ряда преобразований окончательное значение ползучести
наружной зоны <£^^ ^ и внутренней зоны б^^ ^ записывается так:
в этом выражею1и Cj, у эмпирические коэффициенты метода упруго-ползучего тела, ^ - сжимающее напряжение от внешней нагрузки;
Rfc-i/sc-i)
~ импульсы напряжений, учитьшающие величину и продол- •
гительность действия внешней нагрузки и эквивалентных температур­
ных напряжений" при охлаадении и нагреве; Cl^ - коэффициент, учи­
тывающий деструктивный процесс i j3__, - коэффициент, учитывающий
конструктивный ^оцеос увеличения модуля упругости бетона во вре­
мени.
Так как при климатических изменениях температуры эквивалент­
ные темп1вратурные напряжения столь малы, что ими можно пренебречь,
деформация ползучести может быть вычислена по формуле:
В этом случае оказьшается возмо'жным выделить наследственную функ­
цию 1-го рода
Однако для реального климатического процесса, в котором циклы от­
личаются друг от друга по температуре, последнее уравнение ползу­
чести неприменимо. В этом случае необходимо использовать В1фажеше:
]<^^ r<^^pr-r(^'-^J2,
где a =<5^/^;<5^приведенное'напряжение, полученное путем деления
импульса напряжений на продолжительность' цикла.
С помощью математического эксперимента произведен анализ влия­
ния различных (j[)aKTopoB на величину и характер ползучести: марки бе­
тона по морозостойкости, вляшюсти бетонт, уропня напряженного сое-
- «io -
тояния, форяы цикла замора?«ивания и оттаивания и продолтательности его фаз, числа ЦЗО в течение суток и т.д. Полученные резуль­
таты использованы для вьдвижения вспомогательных гипотез в процес­
се вывода уравнений ползучести. Физические эксперименты, осущест­
вленные автором при участии Н.К.Ананьевой, Г.Ф.Мышевым, О.В.Старченко подтвердили справедливость предложенного причинно-феномено­
логического подхода к решению задачи о ползучести при ЦЗО.
В процессе исследования ползучести на основатш предложений
С.В.Александровского и экспериментов, проведенных на призмах и
плитках /дисках/ при ЦЗО, изучены влажностные деформации бетона в
этих условиях и предложены рекомендации по их учету.
Проектирование железобетонных конструкций ледостойких плат­
форм с учетом температурно-влажностных воздействий. При проектиро­
вании конструкций на совместное силовое и температурное воздейст­
вие необходимо установить наиболее опасный для конструкции режим:
последовательность нагЬужения и разгрузки, охлаждения и нагрева.
На основании рассмотрения семи таких редшмов, включая простое нагружение.в работе установлено, что наиболее неблагоприятные воз­
действия возникают при сжатии и растяжении в случае последователь­
ности: нагружение, охлаждение, нагрев, разгрузка.
Учитывая, что температурные напряжения носят деформационный
характер,в работе использован метод Ф.Леонгардта, позволяющий учи­
тывать изменение жесткости сечения изгибаемого и растянутого эле­
мента. Для практической реализации метода автором предложены удоб­
ные формулы для определеш1Я коэф({)ициентов, учитывающих снижение
температурного воздействия при уменьшении жесткости элемента вслед­
ствие образования и развития трещин. С помощью этих коэффициентов
и графиков, облегчающих их вычисление,в работе полученн расчетные
фор.'лулы для расчетов трещиностойкости и прочности элементов при
различных сочетаниях температурного и силового воздействия.
Метод Ф.Леонгардта и его развитие носят приближенный характер,
хотя итерационньй путь позволяет получить решение, сколь-угодно
близкое к точному. Как показали эксперименты, однократное темпера­
турное воздействие в сочетании с нагрузкой вполне удовлетворитель­
но могут быть описаны именно таким путем.
Значительно более сложной проблемой является расчет железобе­
тонных конструкций, подвергаощихся воздействию циклически изменя­
ющихся температур под нагрузкой. Комплекс работ, описанных выше,
впервые позволил решить эту задачу в строгой постановке. Принято,
что железобетонный элемент ЛСП в течение расчетного срока эксплуа-
- 24 тации находится под воздействием режима, состоящего из трех
этапов:
- нагружение с эталонной /по Н.И.Карпенко/ скоростью до норматив­
ного значения полной нагрузки;
- длительная эксплуатация в природных условиях под действием этой
нагрузки;
- догружение до разрушения с эталонной скоростью по окончании рас­
четного срока эксплуатации.
В качестве расчетной основы использована методика определе­
ния несущей способности изгибаемых, внецентренно-сжатых и т.д. эле­
ментов, разработаш1ая В.Н.Байковым, М.И.Додоновьм, Б.С.Расторгуевым, А.К.Фроловым и др. на основе полных диаграмм деформирования
бетона и арматуры в форме, предложенной Н.И.Карпенко, Т.А.Мухамедйевым и А.Н.Петровым. Автором при длительной эксплуатации полная
диаграмма трансформирована на основании опытов А.В.^1шина, а коз#ициент упругости- при длительном действии нагрузки предложено опре­
делять по формула:
В течение длительной эксплуатации для каждого слоя бетона опреде­
ляется свое значение коэффициента упругости на основе коэффициен­
та упругости при кратковременном действии нагрузки и меры ползу­
чести, накапливающейся в процессе эксплуатации при различных кли­
матических условиях. Реализации предложенного автором ветода осу­
ществлены в виде программы 'ЧАСОЛ'" - предназначенной для прогно­
зирования поведения оелезобетонных элементов, испытываемых в лабо­
раторных условиях, включая ЦЗО, и в виде программы "LICCWV", с по­
мощью которой можно прогнозировать поведение железобетонного эле­
мента в природных условиях.
"ПСОЛ''" - программа определения 1ЩС сечения сжатого, изгибае­
мого и т.д. элемента на основе полных диаграмм деформирования бе­
тона и стали в каждом из слоев, на которые расчленено сечение,и
HTepaiJiHOimoro процесса обеспечения соответствия де<,!х)рмацнй каждого
слоя гипотезе плоских сечений, включая кратковременное нагружение
и длительную эксплуатацию под нагрузкой в природных условиях, вклю­
чающих циклические замораживания и оттаивания.
Возможности программы "LACOA"' подтверждены путем сравнения
кривизн, ползучести, несущей способности с результатшли эксперимен­
тов, проведенных на внецентренно-сжатых стойках; 1фогибов круглых
и ква,цр8,тиь!Х в inane пл.ит, опертых по контуру, с результатакш экспе-
риментов так яе проведенных под руководством и при участии автора,
На основе анализа расчётных моделей надежности при износе
для изгиба и сжатия автором показано, что снижение надежности в
таких конструкциях не может опережать снижение надежности бетона,
Подвергаемого циклическим замораживаниям.
Методы и результаты экспериментальных исследований. Для провер­
ки достоверности предложенных методов расчета конструкций ЛСП на
локальное ледовое воздействие, на совместное температурное и силоВое воздействие и на воздействие ЦЗО на линейные и плоские железо­
бетонные конструкции, автором испытаны серии соответствующих об­
разцов из бетона, железобетона и армированного гипса. Помимо опы­
тов на элементах конструкции исследовались модели сооружений с соб­
людением силового, геометрического, теплофизического, структурного
подобия. Ка основании изучения законов подобия выявлены возможнос­
ти безусловного и условного перехода от результатов, полученных на
моделях, к натурньм. Это, в первую очередь, относится к анализу не­
стационарных процессов: тепловых режимов и.ползучести в неизотермическик условиях.
Для осуществления ряда экспериментов автором, его сотрудника­
ми и аспирантами разработаны и осуществлены специализированные
стеццы и устройства. Авторским свидетельством защищена установка,
включающая холодильнзпо камеру, объемом 12 м'', позволяй%ю снижать
температуру воздуха до -50°С, силовой пол и пространственную раму
для создания горизонтеиьной и вертикальной нагрузок соответствен­
но 140(7и ЮООкН, ванну с нагреваемой жидкостью. Установка позволя­
ет исследовать крупномасштабные модели гидросооружений в условиях,
приближенных к реальным.
\
В результате опытов на составной железобетонной оболочке, ниж­
няя часть которой помещалась в жидкость, а верхняя охлаждалась до
-50°С, получены значения и распределения по кольцу и образующей
температурных полей и температурных напряжений с максимумами / в
упругой постановке/, достигающими +5 Ш1в, Установлено, что нагрузки,
моделирующие собственный вес сооружешя, воздействие льда и темпе­
ратуры, оказьгоают взаимное влияние, причем принцип суперпозиции не
выполняется ни при нормативных, ни, тем более, при расчетных воз­
действиях. Установлено также, ито разрушение оболочки от ледовой
нагрузки при локальном ее действии носит характер продавливания.
После такого разрушения оболочка продолжает сохранять запас несу­
щей способности на действие собственного веса, веса технологичес­
кого оборудования, находящегося па верхнем строении Го1ат({,юркът.
- 26 В результаде опытов на железобетонных моделях цилиндрических
башен JiCri с толщиной стенки 5,10 и 15 см получены температурные по­
ля при охлавдении надводной части оболочек до -50°С. Наибольшие
растягивающие напряжения вдоль образующей при этом возникают в под­
водной части сооружения и не представляют серьезной опасности:
нагрузка от собственного веса способствует их уменьшению. В то же
время кольцевые растягивающие напряжения имеют максимум в надвод­
ной части оболочки и вес оболочки не оказывает влияния на их вели­
чину. Установлено такие, что напряженное состояние в стенке желе­
зобетонной оболочки до образования трещин не может быть описано с
помощью асимптотических формул, которые не позволяют вычислить на­
иболее важные для проектирования моменты, вызьшающие растяжение на
наружной поверхности оболочки при локальной ледовой нагрузке. . Для обеспечения возможности распространить полученные резуль­
таты и рекомендации на оболочки в широком диапазоне соотношений
радиусов и длин, толщин стенки и радиусов, проведжы параллельные
физический /на^1Тальной модели/ и математический/с помощью Ш{Э/
эксперименты, ни основании которых разработаны методики определе­
ния кольцевых ус.ший, использованных для определения расчетной не­
сущей способности стенки оболочки на продавливание.
На образцах: одноосно нагруженных призмах и двухосно сжатых
в своей плоскости плитах /дисках/, - изучено влияние степени водонасыщения и уровня сжимающих напряжений на деформаи>1к ползучести
при ЦЗО. Установлено, что водонасыщение:влажность бетона 7,122,к уровень напряжений С /R = 0,6, приводят к установившейся или
прогрессирующей ползучести. Обнаружено, что в условиях ЦЗО соотно­
шение ме)вду ползучестью при одноосном и двухосном сжатии прибли­
жается к I, что в 1,3...1,5 раза Быше,чем в нормальных условиях
эксплуатации.
На призмах, подвергаемых водонаськцению разными способами,
включая кипячение и вакуумирование, с последующим циклическим ох­
лаждением до температуры -бО^С,установлено, что ис!сусственные спо­
собы водонасыщения могут 1фивод\'.ть к нарушению структуры бетона
до замораживания. Это^ в первую оиередь, относится к ракуумированию. На основании этих опытов сделан вьшод, что аномальное'"рас­
ширение бетона - результат деструстнвного процесса, а но спефк^мческое свойство водонасьщенного бетона.
Наряду с температурньми изучены вляжностные д&}юрмации бетона
при ИЗО под нагрузкой. В основе расчета этих деформаций - методика
- 27 С.В.Александровского с учетом результатов накопления влажности
и развития влажностных деформаций при ЦЗО.
На внецеитренно сжатых с малым эксцентриситетом стойках выяв­
лена роль водонасыщения при ЦЗО. Обнаружено заметное снижение раз­
рушающей нагрузки, снижение уровня начального «ликроразрушения бетона.
Испытание железобетонных далиндрических оболочек на дейст­
вие ледовой нагрузки показало,что изгибные деформации в окрестности
нагрузки носят локальный характер и,следовательно,в практических
расчетах можно выделить локальный и глобальный изгиб оболочки.
Испытание железобетонных балок, выполненных из бетона, по
составу отвечающего требованиям к обычному гидротехническому, при
статически определимой схеме опираиия показало, что однократное
замораживание, при влажности 3,12^, 3,89^, 5,21% до температуры
-50°С не приводит к заметньм отрицательным последствиям, так как
возникновение термонапряжений вследствие разности Ю1ТР бетона и
арматуры сопрозождается ростом прочности бетона. Наиболее неблаго­
приятные условия эксплуатации конструкции вследствие разных тем­
пов роста прочности и термонапряжений возникапт вогфестности -10°С.
Две серии балок испытаны по схеме, обеспечивающей статичес­
кую неопределимость в температурном отношении. Балки имели две
шарнирио неподвижные опоры при различных системах закрепления от
горизонтального смещения :за бетон и за арматуру. Они выявили на­
личие и величину горизонтального температурного усилия, его из­
менение под влиянием поперечной силовой нагрузки. На основании
этих экспериментов и теоретических обобщений сделан вывод о том,
что при проектировании конструкций ЛСП лишние без необходимости
поставленные связи могут привести к раннему трещинообразованию,
чрезмерному раскрытию трещин и, как результат, к резкому снижению
долговечности констругащи.
С целью выявления картины разрушения башни ЛСП от локальной
ледовой нагрузки, изучения напряжешюго соотояния до и после об­
разования трещин испытаны 13 цилиндрических оболочек из армирован­
ного гипса. Состав гипсобетона подобран так, чтобы соотношение
прочности на сжатие и растяжен!1е приближапось к этому oTHomefnro п
бетсне. £к1рьироваиие размеров штампа (гагружения, толщины стенки
оболочки и соотношения интенсивности кольг1еЕОго и меридионально­
го ардар?5Рания позволило проанализировать влияние этих рариац11й •
в практически поэсожных диапазонах на напряженное состояние и,
глaвfloe, ;!'1рактер разрушения. Установлено, что в широком диапазо­
не варьирования р-чзмера штампа по ватерлигаш преим:/1ЦсстпснноЯ
- 2в формой разрушения является продавливание. Установлено также, что
величина разрушающей силы может существенно превышать расчетную
по принятой в СНиП методике. Наиболее существенным результатом
экспериментов на внецентренно-сжатых стойках под нагрузкой в ус­
ловиях ЦЗО следует считать то, что темп с}шжения несущей способности
железобетонной стойки вследствие перераспределения усилий оказался
существенно ниже, чем темп снижения прочности бетона.
При испытании круглых железобетонных плит, загруженных дли­
тельной нагрузкой в условиях ЦЗО, обнаружено, что после 36 циклов
зеилораживаний до температуры -50°С и оттаивания этих плит прогибы
плит.Еьиюлненных из обычного гидротехнического бетона, увеличились
в 3 раза по сравнению с контрольными, а прогибы плит, выполненных
их бетона, модифицированного С-3 и ГКй-94, - только в два раза.
Дальнейшие опыты на квадратных в ш т н е железобетонных плитах со
100 циклами охлаждения до -50"С с последующим нагревом до +1Ь +20°С под нагрузкой, составляющей 0,4 от расчетной разрушающей
нагрузки, позволили установить, что в водонасыщенной с растянутой
зоны плите ЦЗО приводит к ускоренному росту ширины раскрытия
трещин и к более развитой картине трещинообразова}шя на поверхнос­
ти плиты. В то же время картина трещинообразования - схема "кон­
верт" - не меняется в условиях, отличных от изотермических - при
положительных температурах. Прогибы водонасыщенных образцов в сред­
нем в 2 раза превысили прогибы контрольных плит.
Испытания плит показали, что бетон, модифицированный С-3 и
ГКЖ-94, пригоден для долговечной эксплуатации железобетонных
конструкций в составе ЛСП. .
Современные методы проектирования ледостойких платформ. Отлг,
приобретенный автором в процессе исследоват1Й и проектирования
ЛСП, показал, что традиционные методы проектирования несущих конст­
рукций в составе сложного и дорогостоящего сооружения, каковым яв­
ляется ЛСП, часто оказьгоаются малоэффективными. В частности, вве­
дение весьма э^)фективного конструктивного решения какого-либо эле­
мента ЛСП может привести к существенному ухудшению свойств соору­
жения в целом. Облегчение поиска компромиссных решений автор пред­
лагает осуществлять на основе системного подхода к проектированию
сложных инженерных сооружений. В результате анализа опыта зарубеж­
ных фирм и опыта автора по методике проду101рования решений и кри­
териального отбора, автором предложена стратегия проектирования со­
оружения, включая эвристический и Формальный подход. ;1яя реализа-
- 29 ции формального подхода автором на основе одной из наиболее совер­
шенных методик оптимизации, позволяющей при любом числе ограниче­
ний нелинейного вида искать минимум целевой функции также нелиней­
ного вида, разработан комплексный метод оптимиза1Д1и геометрии ЛС11.
Использование матрицы заданий и специально разработанного алгорит­
ма позволяет быстро и эффективно выявлять не только минимальное
по стоимости /или другому целевому параметру/ сооружение, но и
наиболее безопасное сооружение по всем, включенным в расчет,огратчениям.
На основе разработанного комплексного иетода при вь'работке
концепции продукции завода по производству ЛСП, автором предложе­
на конструктивная схема гаммы платформ для глубин 30-60 м.
В процессе этой работы и на основе результатов исследований,
приведенных в предыдущих разделах, автором предложена принципиаль­
ная схема ледостойкого сооруже1ШЯ из железобетона, суть которой
заключается в том, что башня в виде цилиндрической или иной обо­
лочки вращения служит для восприятия вертикальных нагрузок от па­
лубы и расположенного на ней технологического оборудования, а так­
же горизонтальных! ледовой и волновой нагрузок. Форма башни долж­
на быть такой, чтобы температурные напряжения в ней бы1и мини­
мальными. /у1я размещения технологического оборудования внутри баш­
ни может быть устроен каркас из железобетонных элементов,не И М Р Ч щих жестких горизонтальных связей с оболочкой, которые могли бы
способствовать росту температурных напряжений.
Расчеты выполненные для проектов конкретных сооружего»! пока­
зали, что такая схема имеет достаточную жесткость и прочность при
восприятии ледовых нагрузок, включая локальные.
ОШОКШЕ ШЮда
И РЕЗУЛЬТАШ
I. На основании анализа нагрузок и вордрйствий на железобетон­
ные конструкции ледостойких платформ для доОьии нефти и газа на
континентатьном шельфе дальневосточных и северных морей выявлены
нпиболсе опасные сочетания воздействий и предложен расчетный реж.им нагруженнй для прогнозирования поведения этих конструк1д1й с
^'четсм влияния климаттеских условий. Разработаны предложения по
рлзложетго те?шературных полей на состявляю^цие с целью испольтоваИ1Ш ичеоо;нхся и предложеннгх п настоя'цей работе аналитичесгочх ме­
тодов определегшя термонапряженногч) состояния в железобетонных
конструкн^;яХ; составляющих ЛСП.
- 30 2, Разработана методика определения напряженно-деформированно­
го состояния оболочек вращения с произвольной формой образующей
при осесимметричном силовом и температурном воздействиях, отличаю­
щаяся от известных тем, что в качестве основной принята система
жестких, упругих или упруго-пластических колец с трещинами. Досто­
верность предложенного метода подтверждена результатами опьггов на
моделях железобетонных сооружений в виде железобетонных составной
и цилиндрических оболочек вращения, а также сравнением результатов
с полученньми аналитическими методами на тестовых задачах. Преиму­
щество метода в сравнении с существующими аналитическими методами
- в возможности выявления НДС оболочек на всех этапах нагружения и
эксплуатации вплоть до разрушения.
3. Предложены инженерные методы огфеделения напряженно-дефор^
мированного состояния оболочки вращения при локальном действии ле­
довой нагрузки:
-метод определения НДС в оболочке как в балке на упругом основании
в виде колец, на основе которого возможно физически более обосно­
ванное, чем с помощью асимптотических формул, определение трещииостойкости стены ЛИС; достоверность метода подтверадена расчетом по
МКЭ и результатами экспериментов на стальной и армогипсовых моделях;
- метод определения сопротивления стенки оболочки.продавливанию от локального действия нагрузки на основе аналогии с сопро­
тивлением железобетонного элемента по наклонноцу сечению и учета
влияния продольной рабочей арматуры вместе с осевыми силами в стен­
ке оболочки на повышение сопротивления продавливанию, Непротиво­
речивость метода подтверждена сравнениями с результатами расчетов
по нормам СССР, зарубежным и международным рекомендациям, а также
результатами экспериментов на железобетонных и армогипсовых обо­
лочках. Применение метода позволяет повысить расчетную несущую спо­
собность стены ДСП на 20...40;?, что приводит к уменьшению необхо­
димой толщины и интенсивности поперечного армирования.
4. Разработано климатологическое обеспечение расчетов железо­
бетонных конструкций, эксплуатируемых в природных условиях и под­
вергающихся сезонным изменениям температуры, в том числе цикличес­
ким замораживаниям и оттаиваниям. Оценка достоверности климатоло­
гического обеспечения проверена как графиками срочных изменений
температуры роздашной среды, так и гистограммами обнажений в ре­
зультате приливно-отливных колебаний уровня моря.
5, На основе обобщения результатов определения изменений проч-
- 31 постных и деформативных свойств бетонных образцов, подвергнутых
влиянии циклических зе1Мораживаний и оттаиваний, разработаны
функции влияния марки бетона по морозостойкости, влажности бето­
на, минимальной температуры в цикле замораживания, вида и уровня
напряженного состояния на скорость деструктивного процесса; сни­
жения прочности и начального модуля упругости бетона. Коррадяционная зависимость мещцу этими факторами в неявном виде установлена
на основании анализа результатов частных экспериментов и их обоб­
щения в процессе создания метода^ Помимо детерми11ист№$еского пред­
ставления этих функций на основе метода статистического моделиро­
вания получены вероятностные характеристики деструктивного про­
цесса - снижение надежности при заданной обеспеченности и возмож­
ных отклонениях случайных величин, характеризующих изменчивость
марки бетона по морозостойкости, колебания влажности, температу­
ры бетона. Справедливость полученных рекомендаций подтверздена
сопоставлением с результатами экспериментов других авторов, ра­
нее опубликованными э печати.
6. Дчя оценю! длительных деформаций бетона, протегсающих в ус­
ловиях циклических замораживаний и оттаиваний,предложена причинно-феноменологическЕш модель ползучести, в качестве базовой ис­
пользована модель упруго-ползучего тела, адекватная поведению
"старого" бетона, дополненная двумя утввращениями, отражающими
причины, которые вызывают особенность ползучести под влиянием не­
изотермического режима эксплуатации. Первое утверддение состоит
в том, что причиной особенности ползучести явчяется самонапряжен­
ное состояние образца или конструкции, связанное с этим изменение
уровня напряжений в фазах замораживания и оттаивания. Второе ут­
верждение основано на признании влияния деструктивного процесса,
Бызтаающего снижение прочности и упругости бетона. На основе экспе­
риментов и результатов аналитических исследований установлено,
что самонагфяженное состояние заметно влияет на поизу1есть при
лабораторных испг.1таниях. В природных условиях величина самонапря­
жений столь мала, что ею можно пренебречь. Источником особеннос­
тей ползучести в этом случае является только деструктиЕНЬтй процесс.
Разработаннак на основе этих ут?ер?дений причинно-феноменологичес­
кая модель ползучести при ЦЗО, как показали физические и математи­
ческие экспершлентк, познол гег с достаточной для практ!гд[еских це­
лей точностью прогнозировать длительные деформации бетонных образ­
цов и железобетонных конструкций в условиях циклических заморажи-
- 32 ваний и оттаиваний.
7. Разработана методика определения напряженно-деформирован­
ного состояния элементов железобетонных конструкций и их несущей
способности на основе климатологического обеспечения, использова­
ния функций влияния структурных особенностей бетона, температуры
и влажности бетона, ползучести при циклических замораживаниях и
оттаиваниях. Достоверность предложенного метода проверена экспери­
ментально на внецентренно сжатых железобетонных стойках, круглых
и квадратных железобетонных плитах,опертых по контуру.
8. Разработана методология системного подхода к проектирова­
нию ледостойких платформ, включающая стратегию проектирования, сос­
тав критериальных оценок, способ продуцирования решений и комплекс­
ный метод оптимизации геометрии ЛСП. С помощью оптимизационного ,
алгоритма выявлена возможность выявления проектных решений- с повытпенной степенью- риска и решений, в которых увеличение размеров соо­
ружения приводит к ухудшению качества.
9. На основе проведенных исследований предложена оптимальная
конструктивная Сл;ема ледостойких платформ для глубин 30...60 м,
выполняемых из ж'мезобетона, отличающаяся экономической эффектив­
ностью, конструктивной четкостью, минимальными температурными на­
пряжениями, высокой сопротивляемостью локальньм ледовым воздейст­
виям.
П У Б Л И К А Ц И И
По теме диссертации автором опубликовано 64 работн.
Основные результаты,'изяокенные в диссертации, отражены
в следующих публикациях:
1. Исследование напряженного состояния цилиндрической оболочки
вращения от перепада температур // Сб.трудов МИСИ » Ь'зЗ.-М.:
ш е и , 1976г. с.46-53.
2. Ледостойкой морское основание.// А.С.577822/СССР/. Опубликовано
в Б,И. №'32 - 1977./Агапчев Ы.И.,Копайгородсю1й Е.М./
3. Температурные поля в железобетонных оболочках морских нефтегаэопромысловых платформ./Газовая промышленность.// Разработка и
эксплуатация морских нефтяных и газовых месторождений. Выпуск 2.-М.: ШИИОЭНГ. -1980, - с.9-13./Н.К.Ананьева, В.Г.Еойко, Л.И.Шмаевич/.
4. Проблемы освоения шельфа северных морей,/Газовая промынленность.
// Разработка и эксплуатация морских наЬтяных и газовых месторовде(шй. Вшуск 3. -U.: ШИИОЭНГ. -1980г. -с.2-7./Копайгородский Е.М.,
- 33 5. Сопротивление железобетонной опоры морской нефтедобьвающей
платформы действию льда и пониженных температур./Газовая промыш­
ленность.//Разработка и эксплуатация морских нефтяных и газовых
месторождений. Выпуск З.-М.: ЕНИКОЭНГ. -1980г.-с.17-20./Ананьева Н.К., Бойко В.Г., Шмаевич Л.И./
6. Модельные исследования шпкотемпературного и силового воз­
действий на железобетонные конструкции./Повышение эффективности и
надежности строительных конструкций в условиях Восточной Сибири.
//Сборник научны.х трудов ИЛИ. -Иркутск: Иркутский Политехнический
инстиут. - 1980г. с.15-20./Шмаевич Л.И./
7. О температурной нагрузке на цилиндрические опоры железобетон­
ных гидротехнических сооружений./железобетонные конструкции проныд-.
ленного и гра'яданского строительства.//Сборник трудов МИСИ. № 185,-М.: ш е и . - 19в1г. - сЛ76-173./Шмаевич Л.И./
8. Измерение дефор!лаций железобетона при отрицательных температу­
рах./Мелиорация и сельское строительство на Дальнем Востоке. //Сбор­
ник трудов ПСХИ. - Уссурийск: ПСХИ.-1981г. - .с.32-41./Бойко В.Г./
9. О работе изгибаемых элементов при отрицательных температурах.
//Бетон и железобетон.-I98I.- № 2.-с.6-8/Байков В.Н.,Бойко В.Г./
10. Установка для исследования прочности железобетонных констРУКЦИЙ.//А.С.789647 /СССР/.Опубл.Б.И. № 47. 1980г.Дспайгородский
Е.Н., Шмаевич Л.И., Нифонтов С.А., Черушев А.Г./
11. Методика модельных исследований гидротелнкческих сооружений
на низкотемпературное и ледовое воздействие.//Экспериментальные
исследования инженерных сооружений./Материалы У Всесоюзной конфе­
ренции: Экспериментальные исследования инженерных сооружений./Галлинн, сентябрь 1981г./.-Киев: НИИСК 1981г.-с.75 /Шмаевич Л.И./
12. Влияние отрицательных тегшератур на трещиностройкость и деформативность изгибаемых элементов./Мелиорация и сельскохозяйствен­
ное строительство на Дальнем Востоке.//Сборник научных трудов ПСХИ,
-Уссурийск - 1983г.- С.96-104./БОЙКО В.Г./
13. Деформативиость, прочность, трещиностойкость внецентренно-сжатых железобетонных элементов, подвергаемых замораживанио-оттаиванию,/Доклады УП Всесоюзной конференции "За1дита металлических и
железобетонных конструкций от коррозии", сентябрь 1963г. Ростов-наДону//Долговечность железобетонных конструкций и вторичная за1цита их коррозии, часть 1У.М.:ВСНТ0.-1983г.-с.41-42./Ананьева Н.К./
- 34 14. Исследования поведения морских сооружений железобетонных
конструкций в суровых климатических условиях./1У Всесоюзная кон­
ференция "Проблемы научных исследований в области изучения и ос­
воения Мирового океана. Сек':дя 8 : Разработка стационарных баз
исследования и освоения океана". -Владивосток:ДВШ,ДНЦ АН СССР.
- 19аЗг.-с.23-24.Ананьева Н.К., Бойко В.Г., Шапоренко М.Д./
15. Исследование напряженно-деформированного состояния железобетон­
ной модели ледостойкоП опоры./Гидротехнические водотранспортные и
глубоководные сооружешя.//Сборник трудов № 192.-Ы.гМИСИ,-1984г.с.143-150./Копайгородский Е.М., Шмаевич Л.И./
16. Последовательность образования и раскретия трещин в колоннах-оболочках./Гидротехническое водотранспортные и глубоководные сооружения.//Сборник трудов » 192.-М.:МИСИ.-1984г. - с.151-1Ь4,
/Смирнов Т.Н./
17. Экспериментальные исследования и разработка методов расчета
температурно-силовых воздействий на железобетонные конструкции./По­
вышение эффективности использования материалов при производстве
сборных келеэобе'ионниу: конструкций и изделий. -Иркутск: Областной
совет НТО. -19в4г. -с.53-54.
18. Зависимость морозостойкости производственных составрв бетонов
от их температурных деформаций./Вопросы мелиорации и сельского хо­
зяйства на Дальнем Востоке.//1|1атериалы Деихьневосточной научно-прак­
тической конференции,сентябрь 1984г. - Уссурийск: ПСХИ - 1984г.-с.91-92./Бойко В.Г./
. 19. Рекомевдации по ускоренному определенип морозостойкости бетона.
Уссурийск: МКСИ.ПСХИ. -198ог. -с.24./Байков В.Н.,Бойко В.Г., Дени­
сов А,Ф., Сешохвсшова В.Е./
20. Ползучесть бетона при даклических заморейшааниях и оттаивани­
ях./Влияние клид1атических условий и режимов нагружения на деформа­
ции и прочность конструкционных бетонов и элементов железобетонных
конструкций.//Тезисы докладов Республиканской научно-технической
конференции и Всеооюзног^о координационного совещания, октябрь 1985г.
-Тбилиси: Институт строительной механики АН Грузинской ССР- 1Э35г,
- с.7-8.
21. Особенности проектирования железобетонных констру1:ций морских
нефтегазопромыслоБых гидротехнических сооружен1!й./Колшлекснов ссвое1Мв нефтегаповых ресурсов континентального шель(|а СССР.//Тезисы док-
- зь ладов I Всесоюзной конференции, часть 2.-М.] МИ11Г им.Губкина.-1986г.
- с.87-68 /Нагрелли В.Э,/
2Е. Жолезобетоннке конструкции в портовом гидротехническом строи­
тельстве. М.: Транспорт. - 1986г. -с.200./Смирнов Г.Н./
23. Влида-ме способа водонасидения на температурные дйформации
бетона при замораживании. /Воздействие внешних фактороз на морение
гидротехнические сооружения.//Межвузовский сборник najruHbcr трудов.
-и.:ШСК.-198бг. -с.162.-169./Источ11н А.Д./
24. Сопротивление железобетонных оболочек локальному ледовому
воздействию./Экспериментальные исследования инженернь-х сооружений
/Тезисы докладов Л Всессязной конференции, май 1985г. г Ыовополоцк:
Госстрой СССР.-1986г. с.97./1'ерасимова Н.Б., Сулейманов С М . /
25. Работа изгибаемых железобетонных олементов при совместном си­
ловом и температурно-влажностном воздействиях в условиях ограни­
ченной подвижности опор,/Там же. - с.4-5./Истомин А.Д./
26. Основы расчетов железобетонных кcнcтpyкu^^й, подвергаемых цик­
лическим замораживаниям и оттаиваниям./Совершенствование железобе­
тонных конструкций с учетом нелинейного деформирования материалов.
//Сборник трудов. -М.: ш е и . -1988г. -с.19-51.
27. Расчет сечений железобетонных элементов, подверчсенных цикли­
ческим замораживаниям./Обеспечение качестве, железобетонных конст­
рукций в суровых климатических условиях и вечномерзлых грунтах./Дезисы докладов, июнь 1988г. -Якутск; Н И Ш В Госстроя СССР - 1988г.
- C.I5I-I52.
28. Термонапряженное состояние железобетонных элементов окоплуатационных нефтедобываящих платформ в суровых климатических условиях.
/Научно производственные достижения нефтяной промыилекности в но­
вых условиях хозяйствования.//Научно-технический информационный)
сборник, выпуск 8. - М.:ШИИ0ЭНГ.-19а9г. - с.12-1о.Д!стомин А.Д./
29. Оптимизация конструктивной формы и генэральных размеров лсдостойкого сооружения для добы-т нефти и газа.//Докчады./Проблемы
оптимизации и надежности в строительной механике.//Доклады Всесоюз­
ной конферен1р'и, октябрь 1988г.- Вильнюс: ВИСИ.-С.4-5.
- 36 30. Прсектирование ледпотойких платформ.//'ВШ -41-68 Микнефгегазпрома СССР, - М.: Ынннефтегазпром СССР.-I98tir./Автором напу.саиа
глава "Железобетонные конструкции" в соавторстве с работниками
1Ш\ШЕ, - C.74-9I./
3 1 . Прсектирование ледостойкй5: платформ. /Пособие к Ю1-41-68
Мингазпрока СССР/.М,: ШШШИыорие.фтегаз. - 1989г. /Автороц написана
в соавторстве с Истоминым А.Д., Старченко О.В. и др.раздел "Желе­
зобетонные конструкции" - с.'Л>-гЯ2/
Зг. Леаг-//г^ ca.pacciiy
Л-42107
К-79
о/ о. rec^/orceaL
concrei^e.
skeS£
Подписано к печати 21.02.90 Формат 60x84^/16 Печ.офс.
Объьм 2 у ч . - и з д . л .
Т. 100 • Зшсаз \Ц1
Бесплатно
Ротапринт МИСИ им. В. В.Куйбышева