автореферат диссертации по транспорту, 05.22.19, диссертация на тему:Резервы эксплутатационной надежности причалов типа больверк (на примере портов Вьетнама)

Г6 од

П''Т МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИИ

ДЕПАРТАМЕНТ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА

На правах рукописи

ФАМ ВАН ТХН

УДК 627.33

РЕЗЕРВЫ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ

ПРИЧАЛОВ ТИПА БОЛЬВЕРК (НА ПРИМЕРЕ ПОРТОВ ВЬЕТНАМА)

05.22.19 - Эксплуатация водного транспорта

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1993

Работа выполнена в Московской Государственной академии водного транспорта.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

З.Д. Костюков

Официальные оппоненты- доктор технических наук, профессор

Ю.А. Павлов

кандидат технических наук, доцент З.Ф. Самарин

Ведущее предприятие - Государственный проектно-изыскатель-

ский и научно-исследовательский институт морского транспорта - Союзмор-

ниипооект

РСт^Г*- 'Г:*0

Задита состоится "о/^ шаняа^З года в "^г часов на заседа-■^гГ

нии специализированного созета ВАК Российской Федерации Д.По.04.01 при Московской Государственной академии водного транспорта по адресу: П5407, Москва, ул. Судостроительная, 45^ ' ^ •

Телефон для справок П7-35-30.

С диссертацией иожно ознакомиться в научной библиотеке Московской Государственной академии водного транспорта.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просив направлять по адресу академии ученому секретарю.

Автореферат разослан " Сех/л^^у,А- 1993.г.

Ученый секретарь специализированного созета, кандидат технических наук *

Э.М. Миронов

ОБЩАЯ 7а\РЛКТЕРЙСТ'ЖА РАБОТЫ

Акт2альноссь_теш.Перед мсрскж транспортом Вьетнама в ближайшее десятилетие будут стоять проблемы, аналогичные проблемам мирового судоходства: пополнение флота современными судами и развитие портов с цельп приема и обработки новых судов. Практика показывает что для этого требуется увеличить глубины у причалов и повысить категорию нагрузки. Пути решения портовых проблем могут быть разными и в каадс-м конкретном случае они будут зависеть от целого ряда факторав,такж: например как: стабильность и мощность грузопотока, объем и уровень модернизации перегрузочных комплексов, способность инвестировать необходимые переустройства в порту и другие.

В связи с вышеизложенным ,• решение- задачи увеличения глубин или повышения нагрузки на причал за счет поиска резервов несущей способности является актуальным и может оказаться во многих случаях целесообразным и эффективным.

Ц§ль_и_задачи_исследоваш1й. Целью диссертационной работы является разработка методики определения резерва эксплуатационной наде:.шости причальных сооружений типа больЕерк, эксплуатируемых в портах Еьеткзма.

Для достижения поставленной цели в диссертации основное внимание было уделено решению следухших задач:

-анализ пргпга физического и морального износа причальных сооружений, методов их усиления и реконструкции;

-экспериментальные исследования статистических параметров случайных аргументов функций прочности причальных сооружений,

е том числе на причалах в порту Хайфон;

-определение математических ожиданий и дисперсий функций нагрузок и прочности в расчетных методах;

-разработка методики определения эксплуатационной надежности существущего сооружения;

-определение фактических показателей надежности причалов в Хайфонском порту.

Научную новизну диссертации составляют: -экспериментальные результаты по исследованию прочности железобетонных элементов на причалах в портах Хайфон и Сайгон;

-статистическое моделирование законов распределения прочностных свойств грунта, шпунтовой стали, нагрузок на причал и других расчетных параметров;

-разработка методики определения эксплуатационной надежности несущих элементов в причалах типа больверк;

-реальный расчет эксплуатационной надежности причалов в порту Хайфон.

Практическое значение диссертации состоит в том, что: -разработана методика до уровня практического применения, позволяющая делать оценку эксплутационной надежности существующих причальных сооружений типа больверк, наиболее распространенных в практике портостроения;

-получены параметры распределений случайных аргументов функций прочности причальных сооружений, которые могут быть применены также и в других расчетных случаях;

-на примере причала N6 Хайфонского порта определена природа появления резервов эксплуатационной надежности и показаны ее уровни.

Лппюбация "оаботы. Основные положения работы доложены на заседании кафедры "Порты, портовые сооружения, основания и фундаменты" МИВТа з 1391-1993 годах.

Стр.уктура_и_объем_работы. Диссертация состоит из введения,четырех глав и осноеных выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 164 страницах машинописного текста и содержит £5 рисунков и 13 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

З^-Цбаении дана краткая характеристика выполненной работы, обоснована актуальность рассмотренной теш, ее научная новизна и практическая ценность, приведены сведения о публикациях по теме диссертации.

П5Е123_глаЕа посвящена аналитическому обзору причин физического и морального' износа портовых гидротехнических сооружения и наиболее распространенных методов оценки эксплуатационной надежности причалов, а также обзору методов реконструкции и усиления причальных сооружений.

Показана необходимость и целесообразность разработки методики определения эксплуатационной надежности существующих прлчалоз и оценки возможности использования резервов прочности конструкций для решения оперативных вопросов эксплуатации сооружения.

Фундаментальные исследования в области вероятностных методов расчета строительных конструкций проведены известными учеными: В.3.Болотин, А.Р.Ржаншшн, О.А.Павлов, В.Д.Костюков, О.З.Лужин, А.З.ПЬсола, Л.С.Лычев, В.П.Чирков, В.Ф.Самарин и др.

Исследования по изучении эксплуатационного состояния

портовых причальных сооружений в разные годы проводили : с.Н.Курочкин, Б.Ф.Горюнов, Ф.А.Мартыненко, А.Г.Довгаленко, П.И.Яковлев, Ф.М.Шихиев, В.Д.Костюков, А.В.Школа, В.Б.Гуревич и другие.

В заключение главы I приводится постановка задачи. Основные блоки исследований, необходимые для ее решения, сведены к следующему ряду вопросов:

I.Экспериментальные исследования статистических параметров случайных аргументов функций прочности и устойчивости причальных сооружений.

2.Разработка вероятностного метода расчета запасов прочности причалов типа больгерк.

Во второй главе рассмотрены методика и результаты исследований статистических параметров предела текучести шпунтовой стали - ст, предела прочности на сжатие железобетона - И, плотности - 7угла внутреннего трения - д> и сцепления -С грунтов оснований и засыпок, эксплуатационных нагрузок от складируемых грузов - ц и нагрузок от крана - .

С целью получения результатов исследуемых параметров были использованы 2 подхода:

1.Исследования статистических данных по литературным источникам с оценкой их репрезентативности в решаемых задачах и

2.Проведение" натурных исследований причальных сооружений в портах Хайфон и Сайгон.

Учитывая то обстоятельство, что причалы в порту Хайфон были запроектированы и построены по контракту советскими специалистами с использованием металлического шпунта.

изготовленного на заводах в Советском Союзе,особое внимание в диссертации уделено исследованию параметров распределения предела текучести шпунтовой стали. Анализ статистических данных методом вероятностных икал показывает, что распределение предела текучести шпунтовой стали БСтЗ подчиняется нормальному закону (Рис.1) о параметра!® М0Т=279.8 мПа; DaT= 410.14 мПа. При числе испытаний N = 1735 и обеспеченности р = 0.95 доверительные интервалы математического ожидания и дисперсии составляют (278.85 -280.75), (392.87 - 427.41).

Зр

ю — 120 100 S0 SO — 40

го

-20 -¿о -ео — -80 -100 — -120 — -140

I

220

I

2 S0

290

320

3¿0

Рис.1.Распределение предела текучести стали БСтЗ Для исследования железобетонных конструкций причалов в диссертации использованы неразрушающие методы контроля прочности бетона, с помощью которых в портах Хайфон и Сайгон были получены статистические данные прочности железобетонных элементов причалов. Параллельно использовались два метода:

акустический (УЗК) и метод пластических деформаций. На рис.2 представлена зависимость sp= f(Rb), из которой следует, что закон распределения параметра прочности бетона может быть принят нормальным. Уравнение кривой регрессии на рис.2 и соответствующий коэффициент корреляции составляют:

Sp= 12.52 RB - 463.03, (1)

г = 9.74 Е-01. (2)

Sf

RbWPf.

гы'ое i azi 11 i ...®!á<i ¡ Зэз ¡ 4J49 I

30CM ,üi'v 0530 ¿2-i2 ¿8 56

-К

Рис.2.Распределение прочности бетона Ив на причалах в порту Хайфон

Исследования параметров распределений физико-механических характеристик грунтов оснований и засыпок были проведены с использованием статистических материалов натурных испытаний разных авторов, а также с помощью метода статистических испытаний (Монте-Карло). Распределение основного расчетного параметра - угла внутреннего трения ф представлено на рис.3 с математическим ожиданием М = 32.64° и стандартом о = 1.71°.

160

1<Э — 120 — 100 — 60 — 80 — 40 — 20 — О — -20 — -¿О — -60 — -60 — -100— -120 —

Методом статистических испытаний получены параметры распределений для модуля деформаций -Е, плотности -у и сцепления -С различных грунтов засыпок и оснований, включая каменную засыпку

Рис.з.Распределение угла внутреннего трения <р песка, намытого в воду Статистические исследования эксплуатационных нагрузок на причалы проведены по литературным источникам разных авторов (Костюков В.Д., Школа A.B. и др.), а также на основании анализа процесса эксплуатации некоторых причалов в порту Хайфон. Исследования показали, что в прикордонной зоне нагрузки от складируемых грузов проявляются обычно в период накопления грузов, перевозимых внутрипортовым транспортом, непосредственно перед погрузкой на судно. Математическое ожидание интенсивности нагрузки составляет

Mq= 3.95 тс/м2 (3)

и стандарт

стч= 1 тс/м2 (4)

Для оценки степени перегрузки опора портального крана была проведена обработка статистических данных неточности укладки подкранового пути, полученных Костюковым В.Д. Результаты расчетов представлены на Рис.4. В качестве расчетного принято значение неточности укладки подкранового пути

Ь = 39 мм,

что соответствует перегрузке причала от опоры крана

дИ = 11 / а = 39 / 0.13 = 300 кН (5)

Рис.4.Гипергеометрическое распределение участков стоянок для разных значений перепадов 11 На основании анализа и обработки полученных во второй главе результатов исследований можно сделать следующие выводы: I.Расчетные параметры подчиняются нормальному закону

распределения и могут быть использованы в поверочных расчетах эксплуатационной надежности причалов.

2.Испытания железобетонных элементов в Хайфонском и Сайгонском портах подтвердили достаточно высокую надежность таких экспериментальных методов как метод пластических деформаций (ударный метод) и ультразвуковой.

3.Статистическое моделирование параметров распределения прочностных свойств материалов и нагрузок является эффективным средством для определения статистических свойств расчетных параметров.

4.Статистическая обработка экспериментальных данных проведена по правилам, гарантирующим репрезентативность результатов, что дает основание использовать их в вероятностных расчетах при определении' запасов прочности и устойчивости причальных сооружений при увеличении глубин или повышении категории нагрузки.

Третья__глава посвящена разработке методики расчета

резервов прочности причалов при небольшом увеличении глубин или изменении нагрузки на территории причала. Для этой цели методы теории надежности являются наиболее подходящими, поскольку учитывают не только изменчивость аргументов функций прочности, _ до что более- существенно, эта изменчивость участвует в стохастических расчетах без предварительного нормирования ее уровня. Это позволяет отказаться от такой процедуры в прочностных расчетах, как определение сочетания вероятностных коэффициентов.

В качестве основных вариантов в работе приняты метод линеаризации случайных функций и метод Монте-Карло.

Математическое ожидание функции случайных аргументов равно детерминированной функции при подстановке математических ожиданий случайных аргументов.

Дисперсия функции случайных аргументов прочности - н, и нагрузки - Б

п ?

Б^.Б) = 2 (з*1/0Х1г цги±) +

+ 2 («1/Эх.) (<?21г/ ¿х? ) ¿Мх,), (6)

1=1 1 13 1

где дЪУох^ - первая производная функции случайных аргументов по х1 ;

д2(Х1) - второй центральный момент го случайного аргумента, равный дисперсии ; - вторая производная функции случайных аргументов по

д3(х1) - третий центральный момент х^го случайного аргумента.

Определены математические ожидания и дисперсии ординат эгаор активного и пассивного давления для различных слоев грунта при случайных значениях углов внутреннего трения - <р, плотности - 7, сцепления - С.

Построения силового и веревочного многоугольников для случайных сил бокового давления в графоаналитическом методе расчета Блша-Ломейера приведены на рис.5 и 6. На основании этого расчета определяются математические ожидания и дисперсии пролетных моментов йд.в^ и анкерных реакций Ёа и БКа в конструкции.

Подбор сечения лицевой стенки производится по формуле

V \ ■

-3 :

\ \\ \ \ \ в ■•■ \ \

\ \\. \ '

П 1//«

: ; | ¡У//У/ \ \-\ply// .'У

\ \ V

\\ ^

ч\'! ^

Рис.5.Силовой многоугольник для ея ± 3ст(е0)

а а

Рис.6.Веревочный многоугольник для е„ ± За(е0)

МД = У7 стт, (7)

где V? и стт- соответственно момент сопротивления и предел текучести стального шпунта В формуле 7 случайными не коррелированными величинами являются да, и МД1 при этомгМл представляет собой нагрузку, а V? 0Т - прочность шпунта. Тогда математическое ожидание прочности - йдр составляет

Яцр-« 5Т. (8)

Дисперсия функции прочности

БСМцр) = Ч2 С(С7Т) + D(W). (9)

Тогда вероятность неразрушимости шпунтовой стенки по методу линеаризации составляет

Г = I - Ф {-----Д----5В-----}.. (ю)

[ В(ИЛ) +• В(^)

Методом линеаризации также определены математические ожидания и дисперсии функций прочности анкерных тяг и устойчивости анкерных плит.

Для решения задачи методом Монте-Карло была составлена программа и с учетом полученных в диссертации параметров распределения случайных аргументов в четвертой главе диссерции проведены расчеты реальной конструкции в порту Хайфон.

Четвертая_глава содержит серию расчетов и аналитическую оценку возможных пределов повышения нагрузки на причал или увеличения глубины у кордона за счет резерва несущей способности и устойчивости сооружения.

В качестве расчетной схемы сооружения принята схема 6-го причала в порту Хайфон (Рис.7, базовый вариант). Шпунт лицевой

стенки - Ларсен У из стали 15 ХСНД с пределом текучести 2

3150 кгс/см ; анкерные тяги круглые диаметром 100 км с пределом текучести 2300 кгс/см2. Нагрузка на территории причала составляет а = 4 тс/м2.

я -1-г—-1-1-;-:-г—-1 ! I I I I ! I ! ! I I I ! : ! ! : ! ; \ I |

У1 о; ГЦ оз? \

¿.а т

\|/

У2 0[У21 ва2,еаЗ • \

гь

0' УЗ; ьз

ере \ /

055

Рис.7.Расчетная схема причала N6 г. порту Хайфон Задача состояла в том, чтобы для реального об§екта определить возможные пределы его загрузки эксплуатационной нагрузкой или возможности его углубления у кордона. Для этого были ЕЫбраш следующие границы нагрузки и глубин, которые могут потребоваться в порту в связи с необходимостью приема более крупных судов или в связи с заменой кранов на причале: Нагрузки -4-5-6-7 тс/м2 Глубины у причала - 8.7 - 9.2 -9.7 - 10.0 м. Расчет производился двумя методами:

1.Метод предельных состояний и

2.Метод статистических испытаний (Монте-Карло).

Для каждой ступени нагрузки и глубины у причала определялись момент анкерное усилие иа и устойчивость по

круглоцилиндрической поверхности скольжения в детерминистических методах. В вероятностных методах для каждого расчетного случая определялась вероятность безопаской работы шпунта и анкерных тяг.

Результаты представлены на графиках (Рис.8 и 9).

На основании расчетов можно сделать следующие заключения:

1.Детерминистические методы позволяют увеличить

о о

нагрузку на причале против существующей 4 тс/м" до 6.2 тс/м~. Ограничивает коэффициент устойчивости.

2.Вероятностные методы более тонко реагируют на рост

о

нагрузки в связи с чем поднять нагрузку можно лишь до 5 тс/м при вероятности практической уверенности Р = 0.95. При этом лимитирующим показателем, как и для детерминистического метода, является расчет на устойчивость.

3.Несколько другая картина наблюдается в расчетах при изменении глубины у причала. Так по детерминистическому методу увеличение глубины можно произвести от существующей 8.7 м до 9.6 м, при этом ограничение происходит по моменту в лицевой стенке.

4.По вероятностному методу ограничителем глубины при вероятности р = 0.9 является коэффициент устойчивости. Глубину можно увеличить до 9.2 м.

Таким образом, на основании анализа расчетных методов и углубленных исследований параметров прочности конструкции причала типа больверк временно можно увеличить нагрузку на

территории на I тс/гут2 или увеличить глубину у причала на 0.5 метра без дополнительного усиления конструкции.

Рис.а.Детерминистические (а) и вероятностные (ь) методы оценки возможности увеличения нагрузки на причале

а)

3X0 | и*

2900

2в00—

2700

• 2€С0

097— К

рае—I а ее—I

I

3

№

яв

97

ее — 95 94 92 — 02

-¿г -кг Л7 Ьо

а г»

0-0 в 0.02 ■ 001 -оно -

I

-я? -дао

и/ - - -9. ест

оа -»-дао/л

к-¿.чт --9.7т

Ъ)

10 \

096 —

0.30 ■

оеб-

П'ЛЧ

! Л.7 -к2 -9.7 -;Ьо

Г-<х>

0 95 090 —

Обе -

-¿Г -¿2 -¿7 -гЬо

100 09

ое

07

ое

V-,'-И0951--ае

Сй - Шаг •>- 100

К - ДО-9) - -92

Рис.9.Детерминистические (а) и вероятностные (ь) методы оценки возможности увеличения глубин у причалов

Общие выводы

1.Детальный анализ современных методов увеличения глубин у причалов и повышения категории нагрузок показал, что для определенных пределов метод поиска резервов прочности и устойчивости конструкции может оказаться наиболее экономичным, при этом в качестве расчетного метода ■ предлагается вероятностный метод расчета.

2.Анализ результатов экспериментальных исследований свидетельствует о случайном характере значений аргументов функций прочности и устойчивости сооружения. Полученные в работе результаты, могут быть использованы в проектной практике, поскольку тлеют достаточно высокую степень достоверности и репрезентативности.

3.В качестве основных в работе приняты метод линеаризации функций случайных аргументов и метод статистических испытаний (Монте-Карло). Разработана методика расчета причалов типа больверк этими методами.

4.Показан на примерах- весь цикл расчета резервов эксплуатационной надежности и соответствующих пределов глубин и нагрузок на причале.

Основное содержание работы доложено в Ханойском институте транспорта, а также на кафедре "Порты, портовые сооружения," основания и фундаменты" .'-Ьоковской. Госудерсгзскнэй академии водного транспорта.