автореферат диссертации по транспорту, 05.22.19, диссертация на тему:Эксплуатационная надежность причальных сооружений свайного типа

ВВЕДЕНИЕ ;

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Причины разрушения причалов свайной конструкции из железобетона

1.1.1. Химическое воздействие морской воды на бетон и железобетон

1.1.2. Механическое воздействие морской воды на бетон и железобетон

1.1.3. Биологическое воздействие в морской воде на бетон и железобетон

1.1.4. Влияние зон на коррозию бетона и железобетона

1.2. Современное состояние вопроса оценки эксплуатационной надежности портовых гидротехнических сооружений

ГЛАВА 2. РЕЗУЛЬТАТЫ НАТУРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПАССАЖИРСКОГО ПИРСА СВАЙНОЙ КОНСТРУКЦИИ

2.1. Общие положения

2.2. Описание пассажирского пирса

2.3. Геологическое строение грунта основания

2.4. Результаты технического диагностирования конструкции

2.5. Систематизация дефектов причального сооружения

2.6. Техническое состояние сооружения

Проблема физического и морального износа портовых гидротехнических сооружений, в том числе и причалов свайной конструкции, стала весьма актуальной уже в конце 60-х - начале 70-х годов XX столетия, когда появились суда большого водоизмещения. Было установлено, что 30-40% причального фронта не соответствует эксплуатационным требованиям.

За последние годы положение дел в портах Российской Федерации не улучшилось. Кроме того, проводящаяся в настоящее время Государственная регистрация портовых гидротехнических сооружений потребовала решения новой задачи - оценки эксплуатационной надежности и остаточного ресурса существующих сооружений.

Эта задача оказалась сложной по двум основным причинам. Первая причина связана с отсутствием метода расчета эксплуатационной надежности и остаточного ресурса эксплуатируемых сооружений; вторая причина - отсутствие информационной базы разрушений и повреждений несущих элементов конструкций.

По существующим правилам технический контроль и паспортизация гидротехнических сооружений в портах должны осуществляться не реже одного раза в 5 лет, в случае необходимости эти сроки могут быть сокращены. По результатам технической диагностики несущих элементов конструкций должна производиться оценка эксплуатационных показателей сооружений, приниматься решение о ремонтах, усилении или их реконструкции.

Указанным выше вопросам посвящены исследования морских причалов свайной конструкции из железобетона в портах Черноморско-Азовского бассейна, представленные в настоящей работе.

Целью работы является исследование эксплуатационной надежности причальных сооружений свайного типа и их отдельных элементов, в частности, железобетонных свай. Надежность сооружений зависит в основном от их физического состояния на текущий момент времени и от нагрузок, которые оказывают воздействие на сооружения. В связи с этим в работе необходимо было решить следующие задачи:

1. провести натурные исследования для выяснения состояния сооружений в настоящее время;

2. выполнить обработку данных исследований и систематизацию дефектов и разрушений конструктивных элементов;

3. произвести расчеты проектной и обследованной конструкций методом предельных состояний с оценкой разницы их напряженного состояния;

4. разработать методику расчета и оценки эксплуатационной надежности и остаточного ресурса основных несущих элементов причала.

Научная новизна работы заключается в следующем. Исследований, посвященных комплексному изучению надежности строительных конструкций, проведено еще недостаточно. Одной из причин этого является чрезвычайно большая емкость понятия надежности, включающая в себя вопросы прочности (строительных материалов и изделий, грунтовых оснований и засыпок), устойчивости, долговечности, деформативности и т. д.

В работе выполнены основные элементы цикла исследований: техническая диагностика причалов, обработка данных и систематизация дефектов и разрушений конструктивных элементов, расчеты проектной и обследованной конструкций методом предельных состояний с оценкой разницы их напряженного состояния. Впервые предпринята попытка разработать основные положения расчета эксплуатационной надежности и остаточного ресурса основных несущих элементов причала.

Исследования, проведенные в работе, использованы при разработке нормативного документа по расчету причальных сооружений на надежность - «Основные положения расчета причальных сооружений на надежность и оценки остаточного ресурса (запасов прочности и устойчивости)». Основные положения диссертации опубликованы в шести печатных работах.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и пяти приложений.

ВЫВОДЫ

1) На основании экспериментальных исследований автора, а также других источников получены необходимые для расчета эксплуатационной надежности свайных конструкций параметры распределения по следующим основным показателям: нагрузки и воздействия; строительные материалы; грунты основания; изменение геометрических характеристик поперечных сечений.

2) На основании детерминистических уравнений связи и полученных параметров распределения случайных аргументов производится расчет надежности конструкции в соответствии с блок-схемой, представленной на рис. 3.19.

ГЛАВА 4. СОСТАВ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ПОВЕРОЧНЫХ РАСЧЕТОВ СВАЙНЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ЦЕЛЬЮ ИХ УСИЛЕНИЯ ИЛИ РЕКОНСТРУКЦИИ

4.1. Общие положения

С целью усиления и реконструкции причальных сооружений, начиная с 1993 года, Союзморниипроект приступил к разработке системы обследований и оценки состояния портовых гидротехнических сооружений. В этой системе оценка состояния конструкции производится с помощью коэффициентов сохранности [39, 40].

Однако, анализ разрушений и, что более важно, результатов и способов эксплуатации физически изношенных причалов показывает, что сооружения, которые по показателям коэффициентов сохранности, должны быть выведены из эксплуатации, продолжают работать, но с определенным риском. Чтобы точнее определить этот риск, более важно произвести оценку состояния сооружения не по условным показателям, а по фактическим параметрам напряженно-деформированного состояния конструкции.

Полученные на основании данных главы 3 оценки эксплуатационной надежности конструкций причала служат основанием для принятия решения о дальнейшем использовании сооружения. В случае, если показатель эксплуатационной надежности оказывается ниже допустимого (см. главу 3, раздел 3.7), необходимо произвести поверочный расчет существующей конструкции и сделать оценку вариантов дальнейшего ремонта или реконструкции сооружения.

В настоящей главе предлагается состав и порядок проведения поверочных расчетов свайных конструкций с учетом результатов технического диагностирования. Поскольку речь идет о реальном проектировании, в качестве методики поверочных расчетов используется метод предельных состояний.

Для достижения большей достоверности рекомендуется поверочные расчеты выполнять в двух основных вариантах: □ вариант проектный; вариант, учитывающий физический износ конструкции.

По результатам расчета этих вариантов получим, что предполагаемый способ продления срока эксплуатации сооружения будет основываться либо на существующей (претерпевшей физический износ) и отремонтированной конструкции, либо на использовании новой конструкции.

4.2. Состав и порядок поверочных расчетов

Важнейшим показателем при проведении поверочных расчетов является жесткость конструкции в целом, зависящая от изменения за время эксплуатации геометрических размеров поперечного сечения элементов сооружения (их физического износа). Жесткость конструкции оказывает влияние на распределение усилий в элементах сооружения.

Исходными данными для расчета проектного варианта являются рабочий проект, исполнительная документация и материалы предыдущего технического контроля, если таковые имеются.

Порядок расчета целесообразно выдерживать следующий: в соответствии с проектной документацией устанавливаем значения эксплуатационных нагрузок на причал; определяем нагрузки на сооружение от воздействия судов; определяем нагрузки, приходящиеся на продольные и поперечные ряды свай, путем расчета упругого центра секции; методами строительной механики производим расчет рамных систем и определяем усилия в элементах конструкции; используя методики расчета железобетонных конструкций проверяем прочность несущих элементов причального сооружения.

Исходными данными для расчета варианта, учитывающего физический износ сооружения, являются данные технического диагностирования конструкции, в которых учтены и систематизированы все дефекты и изменения в конструкции причала, произошедшие за время эксплуатации, т. е. расчет ведется с учетом фактических сечения несущих элементов таких как сваи и ригели.

Для сравнения несущей способности сооружения проектного варианта и варианта, в котором учтена фактическая несущая способность основных конструктивных элементов, полученная после обследования сооружения, необходимо все показатели эксплуатационной нагрузки, размерений судов и геологических условий принять идентичными.

Порядок поверочного расчета причального сооружения по второму варианту аналогичен расчету конструкции по проектному варианту за исключением изменения геометрических размеров несущих элементов причала, произошедших за время эксплуатации.

На основе сравнения результатов поверочных расчетов и технико-экономического обоснования принимается решение о реконструкции или ремонте причального сооружения.

В целях иллюстрации работы вышеописанной методики проведем поверочные расчеты на примере пассажирского пирса, результаты технического диагностирования которого приведены в главе 2. Расчеты выполним для головной секции пирса, выбрав в ней две рамы: продольную (рама Б) и поперечную (рама 4), в состав которых входят элементы (сваи), имеющие характерные дефекты, существенно влияющие на несущую способность сооружения.

4.3. Пример проведения поверочных расчетов 4.3.1. Проектный вариант

5. По попе-4.6

Расчет сооружения по проектному варианту приведен в приложении результатам расчета на рис. 4.1 . 4.3 представлены эпюры продольных, речных сил и изгибающих моментов для продольной рамы Б, на рис. 4.4 . для поперечной рамы 4.

8.51 7.64

5.93 5.07 4.20 3.36

29.69 " 34.86 J550 3900

Рис. 4.1. Эпюра продольных сил в тс для рамы Б

Рис. 4.2. Эпюра поперечных сил в тс для рамы Б

Рис. 4.3. Эпюра изгибающих моментов в тем для рамы Б

3.8

3.08

2.31

1.47

24.06

1000

0.71

35.9

45.6

4000 , 3600

34.2 3350

22.39 4100

WW t05'

17100

Рис. 4.4. Эпюра продольных сил в тс для рамы 4

Рис. 4.5. Эпюра поперечных сил в тс для рамы 4

Рис. 4.6. Эпюра изгибающих моментов в тем для рамы

4.3.2. Расчет конструкции с учетом фактического состояния несущих элементов

Во втором варианте расчета учитываются фактические сечения несущих элементов таких как сваи и ригели. Расчет секции при фактическом состоянии сооружения производится с учетом дефектов элементов конструкции. В результате технического диагностирования пирса установлено, что повреждениям в основном подвержены только железобетонные призматические сваи.

Дефектами свай являются трещины, а также разрушение бетона и арматуры, которые влекут за собой уменьшение площади поперечного сечения свай и, как следствие, уменьшается несущая способность элементов. План свайного основания с обозначением свай с дефектами приведен на рис. 4.7.

Схемы поврежденных свай и значения параметров их поперечных сечений представлены в таблице 4.1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основании экспериментальных и теоретических исследований автора, а также других источников разработана комплексная модель оценки эксплуатационной надежности причальных сооружений свайного типа, включающая в себя:

1.1. техническое диагностирование состояния сооружения;

1.2. обработку результатов диагностирования;

1.3. составление базы данных для расчета эксплуатационной надежности по основным расчетным показателям: нагрузки и воздействия, строительные материалы, грунты основания;

1.4. оценку эксплуатационной надежности несущих элементов конструкции.

2. На основании детерминистических уравнений связи и полученных параметров распределения случайных аргументов предложены основные положения расчета конструкций свайного типа на надежность.

3. Предложены состав и порядок выполнения поверочных расчетов существующих причальных сооружений свайного типа методом предельных состояний (в проектном состоянии и с учетом физического износа конструкции).

1. Болотин В. В. Статистические методы в строительной механике. Изд. 2-е. М.: Стройиздат, 1965. -279 с.

2. Будин А. Я. Эксплуатация и долговечность портовых гидротехнических сооружений. М.: Транспорт, 1974. -232 с.

3. Будин А. Я., Чекренова М. В. Усиление портовых сооружений. М.: Транспорт, 1983. -170 с.

4. Вентцель Е. С. Теория вероятностей. Учеб. для вузов. -5-е изд. стер. М.: Высш. шк., 1998. -576 с.

5. Вентцель Е. С., Овчаров Л. А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. Учеб. пособие для втузов. -2-е изд., стер. М.: Высш. шк., 2000. -480 с.

6. ГОСТ 19804.4-78*. Сваи забивные железобетонные квадратного сечения без поперечного армирования ствола. Конструкция и размеры. М.: Издательство стандартов, 1979.

7. ГОСТ 19804.1-79*. Сваи забивные железобетонные цельные сплошного квадратного сечения с ненапрягаемой арматурой. Конструкция и размеры. М.: Издательство стандартов, 1979.

8. ГОСТ 19804.2-79*. Сваи забивные железобетонные цельные сплошного квадратного сечения с поперечным армирование ствола с напрягаемой арматурой. Конструкция и размеры. М.: Издательство стандартов, 1979.

9. ГОСТ 22690-88. Бетоны. Определение прочности методами неразрушающего контроля. М.: Издательство стандартов, 1988.

10. ГОСТ 24846-81. Грунты. Методы измерения деформаций оснований зданий и сооружений. М.: Издательство стандартов, 1981.

11. ГОСТ 19804-91. Сваи железобетонные. Технические условия производства. М.: Издательство стандартов, 1991.

12. ГОСТ 27002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения. М.: Издательство стандартов, 1990.

13. ГОСТ 15467-79. Управление качеством продукции. Основные понятия. Термины и определения. М.: Издательство стандартов, 1980.

14. ГОСТ 16504-81. Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения. М.: Издательство стандартов, 1981.

15. ГОСТ 18322-78. Система технического обслуживания и ремонта техники. Термины и определения. М.: Издательство стандартов, 1978.

16. Государственная регистрация гидротехнических сооружений порта Туапсе. Инженерное обследование и паспортизация 11-ти сооружений. Том 1. Причальные сооружения. М.: Союзморниипроект, 1999. С 8-78.

17. Горюнов Б. Ф. Техническая эксплуатация портовых сооружений. М.: Транспорт, 1974.-352 с.

18. Гумбель Э. Статистика экстремальных значений. Пер. с англ. М.: Мир, 1965. -450 с.

19. Довгаленко А. Г. Реконструкция набережной //Трансп. стр-во, 1982, №2. С. 2324.

20. Екимов В. В. Вероятностные методы в строительной механике корабля. Л.: Судостроение, 1966. 326 с.

21. Костюков В. Д. Надежность морских причалов и их реконструкция. М.: Транспорт, 1987.

22. Костюков В. Д. Вероятностные методы расчета запасов прочности и долговечности портовых гидротехнических сооружений. М.: Транспорт, 1979. -112 с.

23. Костюков. В. Д., Амбарян О. А., Колесников Г. Ф. Статистические исследования прочности шпунтовых сталей // Тр. Союзморниипроекта, 1973. Вып. 33 (39). С. 82-85.

24. Костюков В. Д., Уваров J1. А. Оценка надежности причальных сооружений // Вопросы совершенствования конструкций морских береговых сооружений. М.: Транспорт, 1984. С. 17-23.

25. Курочкин С. Н., Новиков А. Ф., Мартыненко Ф. А. К вопросу реконструкции набережных для образования глубоководных причалов // Тр. Союзморниипроекта. М.: Транспорт, 1974. Вып 36 (42). С. 69-75.

26. Курочкин С. Н., Мартыненко Ф. А. О способах реконструкции набережных для увеличения глубин у причалов и допускаемых нагрузок на их территорию // Портовое гидротехническое строительство. М.: Транспорт, 1982. С. 57-64.

27. Кузнецов В. Б. Вероятностно-статистический подход к расчету заглубленных подпорных сооружений //Тр. ЛИВТ, вып. 129. Л.: Транспорт, 1972.

28. Лычев А. С. Вероятностные методы расчета строительных элементов и систем. М.: «Ассоциация строительных высших учебных заведений», 1995. -142 с.

29. Муллер Р. А. О распространении напряжений в зернистом грунтовом основании //Тр. ВНИМИ. Вып. 47. С. 100-109.

30. Москвин В. М. Бетон для морских гидротехнических сооружений. Госстройиз-дат, 1949.

31. Москвин В. М. Обследование состояния портов. Госстройиздат, 1949.

32. Павлов Ю. А. Вопросы надежности железобетонных конструкций. Куйбышев, 1973.

33. Павлов Ю. А. Расчет надежности железобетонных конструкций в неустойчивых областях распределений прочности и усилий. Куйбышев, 1973.

34. Паталей Е. М., Поляков А. Н. Защита от трещинообразования железобетонных свай-оболочек в зоне переменного горизонта воды в суровых климатических условиях // Тр. ВНИИ трансп. стр-ва. М.: 1974, вып 78. С. 44-47.

35. Полевой А. П. Объем и вес грузов, перевозимых морем. М.: Морской транспорт, 1958. -211 с.

36. РД 31.35.10-86. Правила технической эксплуатации портовых сооружений и акваторий. М.: В/О «Мортехинформреклама», 1986. -201 с.

37. РД 31.3.4-97. Положение об организации технического контроля гидротехнических сооружений морского транспорта. М.: Союзморниипроект, 1997. -50 с.

38. РД 31.3.3-97. Руководство по техническому контролю гидротехнических сооружений морского транспорта. М.: Союзморниипроект, 1997. -185 с.

39. РД 31.3.01.01-93. Руководство по технологическому проектированию морских портов. Департамент морского транспорта Министерства транспорта РФ. М.: Союзморниипроект, 1993. -276 с.

40. Ржаницын А. Р. Определение коэффициента безопасности при изменяющихся во времени случайных нагрузках и прочности. М., 1971.

41. Ржаницын А. Р. Проблемы надежности в строительном проектировании. Свердловск, 1972.

42. Садовский А. А. Труды Закавказского института сооружений. Сб. «Бетон в море». Тбилиси, 1932.

43. Самарин В. Ф. Портовые гидротехнические сооружения. М.: Транспорт, 1992.

44. Смирнов Г. Н., Б. Ф. Горюнов, Е. В. Курлович и др. Порты и портовые сооружения. Учеб. для вузов. М.: Стройиздат, 1993. -639 с.

45. Смирнов Н. А., Никонов А. В. Эффективная защита железобетонных элементов морских гидротехнических сооружений от агрессивных воздействий морской воды // Тр. Ленморниипроекта. Вып. 7. С. 23-27.

46. Смирнов Н. А., Шильников В. В. Коррозия металлоконструкций морских портовых сооружений и мероприятия по борьбе с ней // Тр. Ленморниипроекта. Вып. 7. С. 35-40.

47. Смирнов Н. А. Условия службы и мероприятия по повышению долговечности морских гидротехнических сооружений // Тр. ВНИИ трансп. стр-ва. М.: 1974. Вып 79. С. 23-30.

48. Снаркис Б. И. К статистико-экономическому обоснованию запасов несущей способности конструкций. Вильнюс, 1963.

49. Спектральный метод расчета волнового режима и его использование в гидротехническом строительстве. Под. ред. Ю. М. Крылова. М.: Транспорт, 1969. -136 с.

50. СНиП II-A.10-71. Строительные конструкции и основания. Основные положения проектирования. М.: Госстройиздат, 1972.

51. СНиП 2.06.04-82. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов). / Госстрой СССР. М.: Стройиздат, 1983. -39 с.

52. СНиП 2.02.03-85. Свайные фундаменты / Госстрой России. М.: ГУП ЦПП, 2000. -48 с.

53. СНиП 2.03.01-84*. Бетонные и железобетонные конструкции / Госстрой России. М.: ГУП ЦПП, 2001.-76 с.

54. Стрелецкий Н. С. Основы статистического учета коэффициента запаса прочности сооружений. М.: Стройиздат, 1947.

55. Стрелецкий Н. С. К вопросу развития методики расчета по предельным состояниям. М.: МИСИ, 1966. -58 с.

56. Тарасов Н. И. Биология моря и флот. Военмориздат, 1943.

57. Тихонов М. К. Коррозия и защита от коррозии морских сооружений из бетона и железобетона. Издательство академии наук СССР. М.: 1962.

58. Удовиченко В. Н., Яковлев П. И. Морские и речные гидротехнические сооружения. М.: Транспорт, 1976. -416 с.

59. Указания по проектированию морских причальных сооружений. ВСН 36-7 / ММФ. М.: Союзморниипроект, 1963. -131 с.

60. Шварцман Д. А., Зеленский В. С., Дубовский М. П. Реконструкция причальных сооружений с применением экранированных надстроек // Трансп. стр-во, 1982, №6. С. 16-19.

61. Шихиев Ф. М., Школа А. В. Принципы расчета надежности портовых гидротехнических сооружений. В кн.: Морские порты. Одесса. Транспорт, 1970.

62. Шор Я. В., Кузьмин Ф. И. Таблицы для анализа и контроля надежности. М.: Сов. радио, 1968. -283 с.

63. Юнг В. Н. Цемент. №10. 1947.116