автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Волновые нагрузки на произвольно ориентированные элементы морских стационарных платформ решетчатого типа

На правах рукописи

РМПИ РАЙЯП.

ВОЛНСВЫЕ НАГРУЗКИ НА ПРОИШОЛЬКО ОРИЕНТИРОВАННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ МОРСКИХ СТАЦИОНАРНЫХ ПЛАТФОРМ РЕШЕТЧАТОГО ТИПА

05.23.07 - Гидротехническое и мелиоративное «

строительство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени нещадяа® »ешчеених нар

Москва 1995

Работа выполнена в Московском Государственном университете .природообустройства и Центральном научно-исследовательском институте транспортного строительства

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

И.С.РУШНЦЕВ

Научный консультант - кандидат технических наук, старший

научный сотрудник

о.«штагов

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Д »В .ШТЕРЕНДИХТ

- кандидат технических наук, доцент В .В .МШХШВ

Ведущая организация - Инженерный центр "Союзводпроект"

Защита состоится " июня 1995 года часов на

заседании диссертационного Совета К 120.16.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук Московского Государственного университета природообустройства по адресу: 127550, Москва, ул.Прянишникова, 19, ауд.201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университет, Автореферат разослан июня 1995 года.

. Ученый секретарь дисоерлационного совета кандидат технических наук

0В11АЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Ак^альност^проблещ. В мировой практике морской нефте- и газодобычи при значительных глубинах воды наиболее широкое применение получили металлические опоры решетчатого типа в виде пространственных конструкций, образованных из круглоцилиндрических элементов относительно малого диаметра (по сравнению о длиной набегающей волны).

Глубоководные опоры подвержены различным воздействиям, имеющим физико-химическую, биологическую и механическую природу. Анализ литературных источников, нормативных документов п известных случаев аварий показал, что такие эксплуатационные характеристики как прочность, податливость, надежность, долговечность и металлоемкость определяются реакциями сооружений на воздействие волн, иаг/.гггки от которых доминируют в незамерзающих морях.

Существующими нормативными документами не регламентирован ряд существенных моментов определения волновых нагрузок на тонкие обтекаемые элементы морских опор решетчатого типа. К этим моментам прежде всего следует отнести расчет волновых нагрузок на произвольно ориентированные в пространстве элементы, а также расчет поперечных (лифтовых) сил. Действующе нормативные документы по расчету волновых сил на произвольно ориентированные элементы носят весьма произвольный и неконкретный характер, а по расчету поперечных волновых сил рекомендации в отечественных нормативных документах полностью отсутствуют. Данные зарубежных литературных источников по определению поперечных волновых сил на относительно гонкие элементы опор решетчатого типа нооят порой противоречивый характер. \

Цель работы. Целью работы является разработка рекомендаций по определению волновых нагрузок на произвольно ориентированные в пространств элементы опор решетчатого типа и составление рекомендаций по определению поперечных сил, действующих на последние.

В соответствии с поставленной целью в задачи исследований входило:

- уточнение гидродинамических коэффициентов по результатам экспериментальных исследований;

- исследование влияния шероховатости цилиндров за счет обрастания морскими организмами на величину волновых нагрузок;

- исследование волновых нагрузок на горизонтальные и наклонные элементы опор решетчатого типа, находящихся в условиях попеременного смачивания волной и испытывающих нагрузки ударного типа при волновом "йлемминге";

- исследование поперечных (лифтовых) сил, действующих на относительно тонкие цилиндрические элементы опор решетчатого типа при волновом воздействии;

- осуществить корректировку расчетных зависимостей на оо-нове подученных экспериментальных результатов;

- провести оценку достоверности полученной информации и разработанных методов расчета волновых нагрузок на произвольно ориентированные элементы опор решетчатого типа, определению поперечных лифтовых сил на эти элементы и влиянию морского обрастания на величину волновых нагрузок.

Поставленные задачи решались экспериментальными методами с использованием масштабных моделей и аппаратуры, фиксирующей местные, удельные и суммарные волновые нагрузки.

Научная новизна. В диссертации экспериментально обосновывается и уточняется методика расчета волновых нагрузок на отно-

сигельно тонкие цилиндрические элементы, произвольно ориентированные в пространстве. Установлено, что нагрузки на наклонный цилиндр при его ориентации навстречу набегающей волне увеличиваются по сравнению с волновыми нагрузками на вертикальный цилиндр в зоне попеременного смачивания. На отметках ниже впадины волны нагрузки на цилиндр при его вертикальной или наклонной ориентации примерно равны. Увеличение волновых нагрузок на цилиндр, наклоненный навстречу набегающей волне, по сравнению о нагрузками на вертикальный цилиндр обусловлено возникновением явления "слеммянга", при котором нагрузки па цилиндр в зоне попеременного смачивания цилиндра волной носят динамический характер. В действующих в настоящее время нормативных документах это увеличение нагрузок пока не регламентируется, что обусловливает необходимость разработки соответствующих рекомендаций.

При действии волн на относительно тонкие цилиндры происходит несимметричный отрыв вихрей, в результате чего генерируются поперечные силы, имеющие случайный характер. Эти силы могут достигать значений, равных (0,6-1,4) от величины продольной силы.

При обрастании цилиндров морскими организмами нагрузки на цилиндры относительно малого поперечного размера возрастают, однако этот факт также не отракается в существующих нормативных документах.

Практаческая_знатамость_рабдта. В работе разработаны методы расчета продольных и поперечных волновых нагрузок на вертикальные, горизонтальные и произвольно ориентированные цилиндры относительно малого диаметра, базирующиеся на соответствующих методах расчета в нормативных документах, что позволяет учесть

ряд важных факторов, ранее не учитываемых, но существенно влиязо-\ - -

щих на работу сооружения, его прочность, надежность и долговеч-

ность.

Внедрение -результатов работы. Результаты работы и разработанные методы расчета используются институтами АО ЦНШС при составлении рекомендаций по расчету волновых воздействий на цилиндрические элементы опор решетчатого типа и ЦНИИ Проектсталь-конструквдя при проектировании опор подобного типа.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из . введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы. Работа изложена на 206 страницах машинописного текста, иллюстрирована 51 рисунками и 9 таблицами. Список литературы состоит из 136 наименований, из них 103 иностранных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В_22§3ещщ обоснована актуальность рассматриваемой проблемы, показана роль данной работы в системе современных исследований еолловых нагрузок на элементы опор решетчатого типа. Изложена цель и основные задачи исследований.

В_первой_главе рассматриваются существующие и перспективные типы инженерных сооружений и конструкций опор решетчатого типа из цилиндрических элементов относительно малого диаметра по сравнению с длиной набегающей волны. Определены критерии взаимодействия волн о опорными частям опор решетчатого типа, представляющие собой отношение диаметра цилиндрического элемента опоры к длине набегающей волны. Если это соотношение меньше 0,1, влияние конструкции на кинематические и динамические характеристики набегающих волн мало и расчеты волновых воздействий допускается выполнять на основе теории обтекания преграды волнами. При 0,1 (где: О - Диаметр цилиндрического элемента; Х - дайна набегающей волны) явление взаимодействия

волн с элементами преграда носит промежуточный характер, а при

> 0,2, сооружение можно отнести к большим и следует учитывать дн(|ракцию волн.

Далее в этой главе анализируются теоретические и численные решения по определению волновых нагрузок и воздействий на обтекаемые преграды относительно малых размеров. Большинство опубликованных работ в этой области посвящено взаимодействию волн с отдельно стоящими вертикальными преградами,имеющими малые поперечные размеры.

Формулы для определения волновых нагрузок на относительно тонкие цилиндрические элементы ( о/д о,2) были разработаны сначала. Морисоном, а затем - Д.ДЛаппо. Эти выражения допускают, что суммарная волновая сила включает в себя два основных компонента: силу лобового сопротивления и инерционную силу, причем уравнение Морисона является частый случаем выражения Д.Д.Лаппо, так как предназначено для определения волновых нагрузок на круглоцилиндрические элементы. Силы лобового сопротивления являются результатом нарушения волнового потока и являются наиболее значимыми при действии волн на сооружения малых размеров по отношению к длине волны» Инерционные силы обусловлены влиянием градиента давления и ассоциируются с относительным ускорением окружающей жидкости. Эти силы превалируют при действии волн на сооружения и элементы, имеющие достаточно большие размеры. Волновые нагрузки, действующие на вертикальную обтекаемую преграду регламентированы в СНиП 2.06.04-82* "Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов)".

Существуют два основных метода расчета воздействий от гидродинаАаческих нагрузок: детерминистический и стохастичес-

кий. Наиболее широко применяется детерминистический метод. При детерминистическом анализе осуществляется временной анализ явлений. При стохастическом методе волнение рассматривается как случайный- процесс и производится частотный анализ нагрузок на соору-яегение и реакций сооружений.

Исследованию воздействий волн на вертикальные цилиндрические элементы относительно малых поперечных размеров в детерминистической постановке вопроса посвящены работы Д.Д.Лаппо, В»В. Каплуна, И.Ш.Халфина, Ю.Н.Шестакова, Д.В.Штеренлихта, Сарпкайя, Изаксона, Чаплина, Хогбена, Гаррисона, Хадспефа, Варроуза, Сава-раги и Накамуры, Лайтхилла, Бишопа, Чакрабарти, Харитоса и др. Для обычных средних волновых условий (не экстремальных), которые часто имеют место при эксплуатации сооружений, расчет сооружений производится с использованием теории надежности и спектрального анализа гидродинамических сил. Спектральные исследования взаимодействия волн со сквозными сооружениями и обтекаемыми преградами проводятся во всем мире. В этой области следует отметить работы Ю.З.Алешкова, М.Ф.Барштейна, Д.ДЛаппо, Ю.М.Крылова, О .Б .Лужина, Ю.Б.Майорова, И.Ш.Халфина, Хадспефа, Тикела, Холмса,- Чакрабарти, Гаррисона, Киномана, Пирсоа, Виилера, Сусьиелса, Длина, Роден-буша и др. Частотный анализ в расчетах динамических реакций и надежности работы глубоководных опор при нерегулярном волнении базируется на использовании стохастических методов и спектральной теории волн.

Имеются ряд работ, посвященных определению совместного действия волн и течений на сваю, а именно работы Каплана и Дам-мера, Изаксона, Аллендера и Пеграскауса,Сарпкайя. Выполнены исследования по изучению влияния обрастания на волновые нагрузки ка цилиндры опор самоподъемных опор. По результатам работ Сар-

ггкайя и Изаксона сделан вывод, что влияние морского обрастания при определении действующих сил недооценивается в практике проектирования, что привело к авариям ряда сооружений.

Натруяки от действия разрушающихся волн рассматриваются как сумма двух составляющих: медленно изменяющейся нагрузки и ударной нагрузки. Первая описывается уравнением Морисона на участке от дна до отметки, соответствующей гребню разрушающейся волны. Вторая составляющая, обусловленная действием почти вертикального участка обрушения волны на сваю, пропорциональна квадрату скорости движения частиц жидкости з этой зоне. Делается вывод о необходимости учета ударной нагрузки при расчете сооружений на. усталостную прочность и о слабом влиянии этой нагрузки на устойчивость сооружения в целом. Однако по расчету действия обругаагащих-ся волн на вертикальные цилиндры в глубоководной и мелководной зонах моря отсутствуют четкие рекомендации по определению суммарных нагрузок .от действия разрушающихся волн.

При проектировании сквозных гидротехнических сооружений решетчатого типа необходимо рассчитывать волновую нагрузку на элементы конструкций, расположенные под углом к вертикали (раскосы и горизонтальные связи). Особое значение приобретает расчет волновых нагрузок на горизонтальные и наклонные элементы, находящиеся в зоне попеременного смачивания волной. Определению волновых нагрузок на наклонные цилиндры посвящены работы ДДЛагшо, АЗ.Соколова, ВоВ.Каллуна, ДЛЗ.Штеренлихга, Чакрабарти и Амбрус-та, Рогена, Котероямы и др. Большинство исследователей считают, что при расчете нормально направленных к продольной оси волновой силы принимаются такими же как и на вертикальный элемент. Однако при наклоне 'Цилиндра навстречу набегающей волне возникает явление "слемшнга", которое характерно для судов, двигающихся

против волны. При явлении "слемшнга" возникают динамические нагрузки, которые необходимо учитывать при расчете сооружений, работающих в условиях открытого моря.

До последнего времени при расчетах подверженных воздействию волн цилиндрических элементов относительно малого диаметра учитывались только продольные силы, направленные вдоль луча набегающей волны. Однако наряду с продольными силами, на элемент действуют поперечные (лифтовые) силы. Установлено, что поперечные силы возникают при обтекании цилиндров колебательным и волновыми потеками, при этом максимальная величина поперечной силы может достигать значений от 0,6 до 1,3 от значений продольной силы, при этом частота генерации поперечной силы может в 3-4 раза превышать частоту набегающей волны, что может вызвать условие резонанса. Максимум равнодействующей продольной и поперечной силы, поучаемой как веторная суша этих сил может превышать продольную силу в 1,4-1,5 раза. Поэтоцу учет поперечной силы является важным обстоятельством. Имеются предложения учитывать поперечную силу по формуле, аналогичной формуле для определения скоростной составляющей волновой нагрузки с введением в эту формулу дополнительного эмпирического выражения, зависящего от числа Кысшеге-на-Карпентера. Определению поперечной волновой силы посвящены работы Сарпкайя и Татера, Чакрабарш, Изаксона, Юшда, Стенсбая и Диксона, Бирмана и Грехема. Приведенные выше данные свидетельствуют о том, что проблема определения поперечных сю! еще. недостаточно изучена, поэтому требуется проведение дополнительных исследований о

Во второй главе излагается методика проведения экспериментальных исследований волновых нагрузок на вертикальные, горизонтальные и наклонные относительно тонкие цилиндрические элементы

опор решетчатого типа.

Достаточно точное определение силовых коэффициентов может быть осуществлено при инструментальных измерениях волновой силы ее составляющих, а также скорости и ускорения частиц воды. При моделировании волновых нагрузок и кинематических характеристик волнового потока использованы законы моделирования по критериям Фруда.

В соответствии с изложенным выше в диссертационной работе были поставлены задачи проведения -экспериментальных исследований волновых нагрузок на трубчатке элементы опор решетчатого типа для решения следующих вопросов:

- определения волновых нагрузок на произвольно ориентиро- , ванные элементы опор решетчатого типа при различной степени шероховатости их поверхности;

- исследования поперечной силы при действии регулярных

волн;

- исследования ударного воздействия волн на трубчатые элементы, расположенные в зоне попеременного смачивания волной при действии регулярных: волн.

Предполагалось исследовать в первую очередь экстремальные нагрузки, поэтому задача решалась в детерминистической постановке.

Экспериментальные-исследования волновых нагрузок на цилиндрические элементы проводились в большом волновом лотке лаборатории моделирования гидротехнических сооружений АО ЦШИС. Этот волновой лоток имел следующие геометрические характеристика: длину - 59 м, ширину - 1,64 и, высоту бортов - 2,5 м, максимальный уровень заполнения ложа -2,0 м, максимальная высота воспроизводимых волн. 0.4/Л, . .

В процессе оштов глубина воды составляла - 180 см; длина

волны - 180-1000 см, диаметры труб - 6 и 12 см. В процессе экспериментальных исследований испытывалось воздействие волн крутизной Ык = 1:10, 1:15, 1:20 и 1:30.

Измерение нагрузок осуществлялось двумя методами: точечные и суммарным, а также измерялись удельные волновые нагрузки на элемент цилиндра длиной 10 см суммарным методом. Возможности используемой первичной измерительной аппаратуры предопределили минимально возможные поперечные сечения трубчатых элементов.

При точечном методе измерения местных давлений на отметке 2 монтировались измерительные секции с установленными по пе£ метру опоры датчиками давления. Для определения волновых парамез ров использованы волномеры емкостного типа. Волновое давление, измерялось с шагом 22,5°.

В состав измерительной установки суммарных волновых нагрузок входали испытываемый цилиндрический элемент с установленными датчиками суммарных продольных и. поперечных нагрузок. Испытываемый элемент вывешивался и растягивался на струнах на опорной раме, которая поворачивалась и фиксировалась под требуемым углом к вертикали,вместе с силоизмерительшм элементом. Рама раскреплялась с помощью смонтированных на раме устройств и опорной стой ки. В процессе экспериментов нагрузки на цилиндрический элемент при различной его ориентации определялись после тарировки методом статического нагрукения с использованием'специального тари-ровочного устройства.

Экспериментальная установка для измерения удельных (линейных) сил включала в себя салолзмерательный элемент, раскрепленный с помощью грех двухсторонних струн - двух горизонтальных и одной вертикальной. Горизонтальные струны служили для измерения волновой силы.

Измерительный элемент устанавливали на определенной отмет- I ке ниже спокойного уровня воды, после измерения силовую установ- | ку вместе с рамой поворачивали, на 90° и фиксировали поперечную сшу, Затем силойзмерительный элемент устанавливали на другой отметке и опыты повторялись. |

В связи с тем, что даже при воздействии монохроматических ! волн образование вихрей и генерация поперечных сил являются стохастическим процессами, в каждой серии опытов <рпссировали пока- ; зания по поперечной силе от одной отдельно взятой волны, так как . при осреднении по последовательным нескольким волнам, имеющие |

рааличные знаки поперечные силы будут взаимно уничтожаться, при- ; чем чем длиннее реализация по последовательному ряду волн, тем ; блике значения поперечных волн будут стремиться к нулевому зна- > чению. Поэтому поперечные силы фиксировались за счет многокра5>- \ ного повторения оштов с отдельными волнами. Каядый опыт повторялся 10 раз. '

При определении влияния шероховатости цилиндров на величину суммарных волновых нагрузок использованы резиновые коврики с ' | искусственной шероховатостью от 2,5 до 5 мм. Шероховатость наносилась на цилиндр от спокойного уровня вода, что соответствует ; характеру обрастания элементов конструкции, находящихся в морс- | кой воде. В остальном методика измерения суммарных сил на шероховатый цилиндр не отличалась от методики измерения волновых сил на гладкий цилиндр.

Экспериментальная информация от волномеров и датчиков давления и сил непосредственно вводилась в ЭВМ и записывалась на магнитном цифровом накопителе в цифровом виде и обрабатывалась в реальном маситабе времени.

В лаборатории моделирования гидротехнических сооружений

разработана автоматизированная измерительная система ДИИС "Гидравлика" на базе информационно-измерительного комплекса ИВК-3, позволяющая автоматизировать процесс сбора и обработки информации и регистрирования показаний волномеров и датчиков давления и сил в цифровом виде на магнитном накопителе ЭВМ СМ-4. Более подробно описание этой автоматизированной системы изложено в диссертации.

В качестве первичных датчиков гидродинамического давления использовались датчики ДД-6С в комплекте о виброизмерительной аппаратурой ВИ 6-6ТН, волномеры емкостного типа, тензометричес-кие датчики суммарных и удельных волновых сил.

Для обеспечения функционирования АИИС "Волна" было разработано программное обеспечение, включающее программы управления модулями "Камак" и'программы сбора, накопления и обработки данных В_третьей_глав§ излагаются результаты экспериментальных исследований местных и удельных (линейных) волновых нагрузок на круглоцялиндрические элементы относительно малого диаметра, полученные с использованием датчиков местного давления.

Результаты опытов по определению местных волновых давлений и удельных нагрузок послужили основой для сравнения опытных данных и распределения давлений по периметру цилиндра при действии волн различных параметров.

Анализ полученных наш данных показал, что полученные в наших экспериментах нагрузки на вертикальный цилиндр не отличаются от расчетных по существующем? нормативному документ более чем на 12-15$, что свидетельствует как о корректности метода расчета, так и о достоверности результатов наших экспериментальных исследований. .......'

При исследовании воздействия нерегулярного волнения были

использованы спектры простейших геометрических форм. Анализ этих ; спектров показал, что они отличаются наличием слабого пика в об- ! ласти высоких частот на спектре волнения. В настоящей работе показана идентичность форм реализаций спектров волнения и давлений, что существенно упрощает проведение и обработку эксперименте® при определении нагрузок на цилиндры при действии нерегулярного волнения. Программа обеспечения ИВК-3 позволяет определить высоту эквивалентной регулярной волны, которая получила название "значительной высош волны или средней из 1/3 максимальных волн в

(

спектре. |

Установлено, что при действии волн на цилиндр, наклоненный | под углом оС = -45° к вертикали нагрузки в зоне попеременного смачивания превышают нагрузки на вертикальный цилиндр. |

I

В процессе проведения исследований поперечной волновой |

I

нагрузки на цилиндр с использованием метода местных нагрузок ус- | тановлено косвенным образом наличие поперечных сил при частотах, ; превышающих частоту волны в 3-4 раза, но при большой реализации 1 волн поперечныв волновые нагрузки нивелируются и обнуляются.

Наличие поперечной составляющей волновой нагрузки косвенным образом подтверждается, когда реализация монохроматической | волны, при которой наличие второго пика волновой энергии объясняется либо поперечной составляющей волновой нагрузки, либо ка- : кими либо дополнительными эффектами.

Результаты исследований местных волновых нагрузок с использованием датчиков местного давления с последующим интегрированием по периметру цилиндра показали, что волновые нагрузки на вертикальный цилиндр хорошо соответствуют расчетным. Наличие поперечной составляющей волновой нагрузки косвенным образом под- ^ тверждаетоя $иноацие2 вторичного пика давления и отсутствием <_

вторичного пика давления на волнограмме. Увеличение местных и удельных волновых нагрузок на шероховатый цилиндр по сравнению с :-Гс,грузкой на гладкий цилиндр составило до 30$,

3 четвертой главе излагаются результаты экспериментальных исследований удельных (линейных) и суммарных волновых нагрузок на круглоцилиндрические элементы относительно малого диаметра, полученные с использованием суммарных датчиков силы.

В процессе экспериментальных исследований было зафиксировано увеличение волновых нагрузок на наклоненный навстречу набв' тающей волне цилиндр по сравнению с нагрузками на вертикальный' цглкклр, что обусловлено влиянием явления "слемминга". Динамическое воздействие волны на цатщринеоиий элемент было зафиксц рсвано только на участке цилиндра, подвергающемуся попеременно^ смачиванию на участке от подошвы до вершины волны.

На приведенных в диссертации хронограммах взволнованной поверхности воды к нормальных продольных удельных волновых нагрузок на силоизмерительный элемент при действии волн с различными параметрами отметка расположения центра силоизмерительного элемента изменялась от +15 см выше спокойного уровня воды до -25 см ниже спокойного уровня. Для горизонтально ориентированно то элемента силоизмерительный элемент располагался на отметках от +29 см до -20 см. В процессе экспериментов измерения волновых нагрузок производились при ориентировании цилиндрического элемента по отношению к вертикали под углами 0° (вертикальный цилиндр +30° и +45°), цилиндр наклонен по направлению распространения волны -90° (горизонтальный цилиндр) и -30° и -45° (цилиндр наклонен навстречу набегающей волне). При этом центр силс измерительного элемента располагался на отметках +15 см,+5 см, О, -5 см, -15 см и -25 см. При горизонтальной ориентации цилин-

дра центр си л оизмерительн ог о элемента располагался на отметках +20, +10, 0, -10 и -20 см.

Пример изменения относительной продольной удельной волновой нагрузки на цилиндр при его произвольной ориентации относительно вертикали приведен на рис.1. В качестве сравнительного критерия был выбран коэффициент Ко^, представляющий собой отношение удельной волновой нагрузки на произвольно наклоненный цилиндр к вертикали под углом сЛ. ?<< к удельной нагрузке на вертикальный цилиндр ?о . Значения относительных отметок возвышения или заглубления силоизмерительного элемента изменяются от отметки гребня 2 = ^ Гр впадины Н ш волны, при которых значения К ос = I. В остальном диапазоне значения Кс<_больше или меньше I. Нагрузки на горизонтальный цилиндр в диапазоне от впадины до гребня волны больше нагрузок на вертикальный цилиндр. При наклоне цилиндра под углом -45° нагрувки на цилиндр в зоне попеременного его смачивания еще более превышают нагрузки на вертикальный цилиндр.

Наряду с местными и удельными нагрузками изучались суммарные нагрузки, направленные по лучу волны (продольные) и сравнивали с данными на вертикальный цилиндр» Анализ данных, приведенных на рис.2 позволил сделать вывод о том, что при наклоне цилиндра по лучу волны относительные нагрузки на цилиндр К д^ =

= -Гл.о<. /£Ч о ( где {д0 и Fj.bc ~ соответственно суммарные водно» » > »

вые нагрузки на вертикальный и произвольно ориентированные цилиндры) уменьшаются до значений 0,6-0,85 при угле наклона цилиндра к вертикали 30°, а при угле наклона 45° значения К,.^ = = 0,5-0,8. В противоположность этому в случаях наклона цилиндра навстречу набегающей волне волновая сила возрастает по сравнению -с нагрузкой на вертикальный цилиндр и значения > I» причем

значения К л,<* достигают 1,25-1,65 при ос = -30° и до 1,4-1,95

при оС~ -45°. Максимальноз увеличение значений Клос соответ-

»

ствуют воздействию длинных и пологих волн, минимальные - коротких г. кругых.

Увеличение продольных суммарных волновых нагрузок ка накло-.кйнные навстречу набегающей волне и горизонтальные цилиндры по сравнению с нагрузками на вертикальный цилиндр обусловлено влияние;.-: слемшига и генерацией динамических ударных нагрузок. Явление слеммкнга зафиксировано в фазах перехода от впедзки к гребнэ волны, а Ееличина схеммннга зависит от площади соприкосновения води с поверхностью цилиндра, которая при прочих равных условиях больше при действия даиных пологих волн. Кроме площади смачивался слемжнга так:-»е везиокг от скорое?:-: давгеняя.чавгац гадкоеш в волне. Основными параметрами, влшовдш на величину волновой силы слемминга являются высота и период волны, диаметр цплтндрс и максимальная горизонтальная скорость частиц воды. Все переча сдвиньте параметры входя? з число Кьюлегена-Карпеитера КС =■ U* >мах » Т /О . . .......

Анализ приведенных в диссертации эпюр продольный и поперечны:: c::j: ка силоизмерительный элемент показал, что нормально направленные к цилиндру продольные силы имеют максимальное значение в области спокойного уровня воды, особенно при действии высоких и коротких волн. Интенсивность убывания нагрузок с глубиной больше у коротких, чем у дядиных волн. При действии длинных пологих золы, а такте волк средней- длины интенсивность убывания нагрузок с глубиной примерно соогветсгвует интенсивности убывания числа КС с глубиной. При действии коротких волн интенсивности убиенна продольных нагрузок с глубиной больше интенсивности убывания числа КС.

!

Поперечны силы также имеют максимальные значения в области I ¡покойного уровня вода и убывают с глубиной. Максимальные попе-•ечше силы зафиксированы при действии высоких волн. Интенсив-юсть убывания поперечных сил минимальна при действии длинных ! юлн и примерно соогветсгвует интенсивности убывания с глубиной ! [исла КС. При действии крутых коротких волн интенсивность убыва-[ия поперечных сил превышает интенсивность убывания с глубиной [иела КС.

Значительные поперечные силы были получены при действии

I

юлн при величинах КС = 9-19, При числах КС = 6-9 значения попе- | >етпшх сил существенно снижаются, а при КС<6 поперечные силы | ¡тансвятся пренебрежимо малыш. Максимальные относительные попе- \ 1ечные силы (отношение поперечной силы к продольной) получены [Л" области, близкой к спокойному уровню воды и могут достигать \ ¡начений о,и-"г>0. Минимальные - при действии коротких волн. |

Влияние обрастания цилиндра на величину волновых сил изу-галось с использованием шероховатых ковриков с высотами шерохо-отостей от 2,5 до 5 мм, при этом относительная шероховатость далиндра ¿Кщ/О достигала 0,18? (Здесь кш - высота шероховато-¡ти с одной стороны цилиндра).

На рис.За,б приведены графики изменения коэффициентов ^ (для продольной силы) и КУ (для поперечной силы), представившие собой отношения соответственно максимальных горизонтально сил в направлении распространения волны и в поперечном напылении для шероховатых цилиндров к таким же силам для гладких (илиндров. Эти графики показывают, что шероховатость цилиндров »называет существенное влияние на величину продольных и попереч-[ых сил, способствуя увеличению этих сил, В исследованном диа-Еазоне изменения шероховатости ее влияние на силы можно принять

по линейноад закону как для продольных, так и поперечных сил.

пятой глазе содержатся рекомендации по расчету продольных и поперечных волновых нагрузок нам круглоцилиндрические элементы ожосигельно малого диаметра морских опор решетчатого типа. Приводится классификация инженерных задач и области црименения .разработанных рекомендаций.

Продольные волновые натру зга на вертикальные цилиндрические элементы, полученные экспериментально сравнивались с расчетными, полученными по СНиП 2,06.04-82^, При этом волновые параметры изгленялись в следующих диапазонах: сЯ/А =0,24-1,0; к/А -

= 10-25; //л = 0,00а-0,033;г«/= (о/-г)/с/ = 0,7-1,0.

Полученные экспериментальные данные и сравнение их с расчетными значениям свидетельствуют о том, что расхождения не превышают 10-20$, поэтолу для вертикальных цилиндров рекомендуется производить расчет нагрузок по СНиП 2,06.04-ь2х без введения коррективов и поправочных зависимостей и коэффициентов.

По результатам исследований составлены рекомендации по расчету линейшх (удельных) нормально направленных к продольной оси цилиндра волновых нагрузок в зоне попеременного омачивания и ниже отметки впадины волны, которые заключаются в следующем:

1. Схема системы определения координат точки на произвольно ориентированном цилиндре (х,л,2Гм), в которой определяется линейная нормальная к оси цилиндра волновая нагрузка приведена ка рис.4. Начало координат расположено в точке пересечения спокойного уревня воды с продольной осью цилиндра.

2. Определяем координаты точки на оси цилиндра, где необходимо определить линейную продольную нагружу.

3. По СНиП 2.06 .04-82* для обтекаемых элементов находим максимальную за период волны Т линейную продольную волновую

2

M

1агрузку 9ç мах = ?0fMax на ошеше

4. Определяем возвышение взволнованной поверхности в зтворе точки с горизонтальной координатой х^ по формуле (1):

1* = 0«cos кхм + 0,125 к/?. оМ кЛ (I + -IfJj) ( х )

5. По приведенной ниже формуле (2) определяем значение

К лес = = ( 2 )

Значения коэффициента р приведены ниже в таблице I.

Таблица I

! -45° -30° 0 ! +30° '+45° !

+0,200 . +0,140 0 ! -0,115 • !-0,190

Максимальная горизонтальная составляющая скорости частицы воды определяется по формуле (3):

сккЫ+г)

- Т " С/1 КЫ ^ ^ >

6. Определяется линейная нормальная продольная нагрузка на произвольно ориентированный под углом оС к вертикали на отметке^.? м по формуле (4)

(хм.Нм> = К^ • ?0гШХ (¿?„) ( 4 )

7. Выбираются новые координаты точек на участке цилиндра от вершины до впадины волны и процедура расчетов повторяется в соответствии о рекомендациями по п.п.1-6.

8. Ниже отметки впадины волны нормальные продольные волновые нагрузки определяются в соответствии с рекомендациями СНиП 2.06.04-82х как ддя вертикального цилиндра.

9. Для определения суммарной продольной нормальной составляющей волновой нагрузки на произвольно ориентированный цилиндр строится эпюра линейных волновых нагрузок по длине цилиндра и находится нагрузка при интегрировании линейных нагрузок на учасз ке от гребня волны до нижнего конца цилиндра.

На основе полученных экспериментальных данных для оцреде-ления нормальных поперечных сил предлагается следующая методика:

1. Определяются максимальные горизонтальные скорости движения частиц воды в волне цри числе ^ _ ¿/х.мах • Т _ т0

£ ' . '

есть при минимальном числе КС, при котором генерируются поперечные силы. Скорость их мах на соответствующей отметке 5Г определяется по приведенной выше формуле (3).

2. Определяется значение Кц и по яещ находится значение коэффициента Кд по таблице 2.

Таблица 2

0,040 0,050 0,075 0,100 | 0,150 0,200 ;

кд 3,00 2,70 : 1,80 1,25 | 1,05 1,00 1

3. На отметке 2 определяется поперечная волновая линейная (удельная) нагрузка определяется по формуле (5):

*90 = °'25 *^х,мах -Ах.мах/ < 5 >

4. Поперечные линейные волновые нагрузки суммируются с необходимым иагом расчета до отметки 2 , при которой КС = 6 по глубине и рассчитывается суммарная волновая поперечная нагрузка на весь цилиндр.

Рассчитанная таким образом поперечная сила получена с опре-

;еленным запасом, поскольку срыв вихрей является случайным провесом и может не совпадать по фазам по глубине воды.

На рис.3 приведены графики изменения коэффициентов продоль-ой К^ и поперечной К^ волновых сил, представляющих собой отно-ение соответственно максимальных продольных и поперечных сил в ависимости от шероховатости цилиндра Аппроксимация

риведенных на рис.3 данных позволила подучить общую формулу для пределения волновых сил на шероховатый цилиндр (6):

у _ r,x,y ( I + 4К . .

ш гл 4 х: —) (б ) .

■в

де: ij и iJ - соответственею действующие на шероховатый цн-индр суммарные волновые силы, действующие в продольном и поцереч-ом направлениях; и - соответственно действующие на

ладкий цилиндр суммарные волновые, силы в продольном и попереч-ом направлениях; Кщ - высота шероховатости с одной стороны ци-индра; 7$ - характерный поперечный размер (диаметр) гладкого илиндра.

ВЫВОДЫ

I. Анализ имеющихся литературных источников и нормативных окументов показал, что недостаточно изученными являются наиболее пасные случаи воздействия на тонкие цилиндрические элементы опор ешетчатого типа разрушающихся волн, воздействие волн на наклон-ые и горизонтальные цилиндры в зоне попеременного смачивания олиой при подходе гребней и впадин волн, поперечные волновые агрузки, нагрузки на шероховатые цилиндры. Поэтому для регла-ентирования этих нагрузок требуется постановка соответствующих кспериментальных исследований.

2. В процессе исследований установлено,, что при наклоне цилиндра навстречу набегающей волне или на горизонтальный цилин происходят увеличение нагрузок по сравнению с нагрузками на вер тикальный цилиндр, что обусловлено влиянием слемминга и генерацией динамических ударных нагрузок в зоне попеременного смачивания наклонных и горизонтальных цилиндров. При наклоне цилиндр навстречу набегающей волке максимальное увеличение волновых нагрузок по сравнению с нагрузками на вертикальный цилиндр имеет место при наклоне цилиндра под углом = -45°. На отметках иия впадины волны, где отсутствует "слемминг", нормальные линейные нагйгжи на наклонные, горизонтальные и вертикальные цижндры практически равны.

3. Нормально направленные к цилиндрикескощ элементу попе речные (лифтовые) волновые нагрузки имеют максимальное значение в зоне спокойного уровня воды и убывают с глубиной. Интенсивное убывания поперечных сил с глубиной минимальна при действии длин ных и пологих волн и примерно соответствует интенсивности убыва ния с глубиной числа Кьюлегена-Карпентера (КС). При действии кр тых и коротких волн интенсивность убывания числа КС 'с глубиной меньше интенсивности убывания поперечных волновых нагрузок с гл биной. Значительные поперечные силы на цилиндр получены при

КС = 9-19. При числах КС = 6-9 значения поперечных сил существенно снижаются, а при КС<6 поперечные силы становятся пренебрежимо малыш. Поперечные силы могут достигать значений, равных (0,8-1,0) от величины продольной волновой нагрузки.

4. В работе предложены методы расчета продольных и попереч ных волновых нагрузок на вертикальные и произвольно ориентированные цилиндры, базирующиеся на существующих методах расчета волновых нагрузок, приведенных в действующем нормативном дшуме

е СНиП 2.06.04-82*, но с учетом соответствующих кинематических . динашческих параметров волн и корректирующих зависимостей и :оэффициентов.

)

5. Шероховатость цилиндров существенно сказывается на | величении волновых нагрузок на цилиндр. В исследованном диапа- | юне изменения шероховатости цилиндров и параметров волн увели- -:ение сил на цилиндр можно принять по линейному закону как про-;ольных, так и поперечных сил.

6. Разработанные рекомендации позволяют достаточно точно определять волновые нагрузки, действующие на гладкие и шерохо-

атые цилиндры относительно малого диаметра, произвольно ориен- | 'ираванные относительно вертикали. I

Рио. 1 Изменение относительной нормальной продольной удельной волновой нагрузки на шишндр при его проищольной ориентации относительно вертикали в действии волн крутизной Л./^ = 1:10 : I о0; 2 = 45°; 3 -ОС = 90°;

4 - о<. = -45°

Рве: 2 . Изменение коэйициепта волновой силы ¡Us завися-

»t fi «a a«

——

«j 3f

а) изменение коэффициента суммарной продольной горизонтальной сила К^

ö)

/и

I«

4î»

V и

U 1>

л

//

/ // /// /V/ ,

у.. JuSltM.k'SlOi'S A Ijiu. JkMWecM

kulca. >»//"-•

б) изменение коэффициента суммарной поперечной сшш

4

Рио,- 3 . Изменение коэффициенте» силы . К^ и К^, учитывавших изменение сэроховатооти цилиндра {2k^/Q )

/

Рис .4

Подписано в печать , - - Тираж /ООэхз.

Объемуч.чзд.л. Заказ Формат 60x84 1/16

Ротапринт Московского государственного агроимжснериого университета имени В.П.Горячкина 127550, Москва Тимирязевская, 58