Диссертация (Воздействие ледовых полей на одно- и многоопорные гидротехнические сооружения с вертикальной опорной частью)

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего образования«Национальный исследовательскийМосковский государственный строительный университет»На правах рукописиПолитько Валентин АлександровичВоздействие ледовых полей на одно- и многоопорныегидротехнические сооружения с вертикальной опорной частью05.23.07 ̶ Гидротехническое строительствоДиссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:доктор технических наук, профессорКантаржи Измаил ГригорьевичМосква2018 г.2ОглавлениеВведение .................................................................................................................................................. 4Глава 1.

Ледовые поля как фактор воздействия на гидротехнические сооружения в Арктическихусловиях ................................................................................................................................................ 121.1. Ледовые условия Севера и Арктических морей ........................................................................ 121.2. Риски нарушений работы шельфовых и береговых сооружений, подверженных ледовымвоздействиям.........................................................................................................................................

151.3. Физико-механические, морфометрические и динамические характеристики ровного льда 221.4. Основные факторы, определяющие ледовые нагрузки на гидротехнические сооружения .. 311.5. Механика разрушения льда и особенности воздействия льда на морские гидротехническиесооружения с вертикальной гранью ................................................................................................... 331.6. Актуальныеисследованиявобластиледовыхвоздействийнагидротехническиесооружения. ..........................................................................................................................................

35Глава 2. Анализ состояния проблематики определения нагрузок от ровных ледовых полей нагидротехнические сооружения с вертикальной опорной частью .................................................... 382.1. Исследования и нормативные документы по ледовым воздействиям на гидротехническиесооружения ........................................................................................................................................... 382.2. Данные полевых исследований и измерений ледовых воздействий на гидротехническиесооружения.

Масштабный эффект ледовой нагрузки ...................................................................... 402.3. Анализ методики определения ледовых нагрузок по СП 38.13330.2012 «Нагрузки ивоздействия на гидротехнические сооружения» ............................................................................... 46Глава 3. Численное моделирование ледовых воздействий на гидротехнические сооружения .... 563.1.

Общий обзор возможности моделирования ледовых воздействий при помощи МКЭ.......... 563.2. Численное моделирование в программе ANSYS ....................................................................... 593.3. Модель Мора-Кулона ................................................................................................................... 633.4.

Верификация моделей .................................................................................................................. 643Глава 4. Аналитическое и численное исследование взаимодействия ровного ледового поля содноопорными гидротехническими сооружениями с вертикальной опорной частью ................. 734.1.

Постановка задачи исследования ................................................................................................ 734.2. Численный анализ воздействия льда на одноопорные сооружения. Анализ влияния формыопоры на характеристики ледового воздействия .............................................................................. 734.3. Исследование масштабного эффекта ледовой нагрузки на основе известных данных окрупномасштабных измерениях ледовых воздействий ....................................................................

774.4. Численный анализ влияния анизотропии прочностных свойств льда на ледовую нагрузку 89Глава 5. Численный анализ взаимодействия ровного ледового поля с многоопорнымигидротехническими сооружениями с вертикальной опорной частью ............................................ 935.1. Анализ методики определения ледовой нагрузки от ледового поля на многоопорныесооружения. Постановка задачи исследования ................................................................................. 935.3. Численный анализ эффекта затора ледовой массы в пространстве между опорами ...........

1015.4. Сравнение четырех и трехопорной конструкции с точки зрения величины ледовойнагрузки ............................................................................................................................................... 104Глава 6. Оценка ледовой нагрузки от ровного ледового поля на наружную стенку защитныхгидротехнических сооружений плавучей атомной станции Певек в районе Чаунской губыВосточно-Сибирского моря. .............................................................................................................

1086.1. Общие данные о проекте ............................................................................................................ 1086.2. Краткая характеристика местных гидрометеорологических условий ................................... 1106.3. Возможные сценарии ледовых воздействий ............................................................................ 1116.4. Оценка ледового воздействия на внешнюю стенку мола от ровного дрейфующего льда ..

112Заключение ......................................................................................................................................... 126Список литературы ............................................................................................................................ 129Приложение 1. Основные понятия и определения ......................................................................... 138Приложение 2.

Условные обозначения ............................................................................................ 141Приложение 3. Вывод функции ........................................................................................................ 1424ВведениеАктуальность исследованийЛедотехническим аспектам строительства гидротехнических сооружений в последнеевремя уделяется все больше внимания, ввиду растущего объема деятельности в северныхширотах нашей страны.

Одной из причин повышенного интереса к Крайнему Северу являетсяего богатый ресурсный потенциал, в том числе крупнейшие мировые запасы природного газа.При этом большая их часть залегает на шельфе Арктических морей. Помимо природного газа варктической зоне сосредоточены большие запасы драгоценных и редкоземельных металлов,железа, фосфора, медно-никелевых руд и других важных ресурсов.

Еще одним важнымаспектом растущей деятельности в северных широтах является курс на модернизациюпортовых сооружений Северного морского пути, связанный с ростом сообщения и объемовгрузоперевозок между странами Европы, европейской частью России и азиатскими рынками.Большую часть года в акваториях Крайнего Севера присутствуют ледовые образованияразличных форм. Совершенствование методов прогнозирования ледовых условий и методикопределения нагрузок от ледовых образований становится важным фактором обеспечениябезопасности морских операций.Освоение территорий Крайнего Севера связано со значительными затратами и высокойстепенью риска. Экономичность и надежность гидротехнических сооружений в значительноймере зависит от корректности определения нагрузок, которые они воспринимают в течениевсего срока эксплуатации. Как правило, в северных районах ледовые нагрузки превышаютзначения суммы всех остальных нагрузок и являются определяющими при проектированииконструкций гидротехнических сооружений.Совершенствование методик определения ледовых нагрузок на гидротехническиесооружения ставится в рамках задачи развития нормативной базы, науки, технологий иповышенияэффективностииспользованияресурснойбазыАрктическойзоныиконтинентального шельфа Российской Федерации в Арктике, определенной госпрограммой пореализации Стратегии развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечениинациональной безопасности на период до 2020 года (утверждённой Президентом России 8февраля 2013 года).Одно- и многоопорные гидротехнические сооружения с вертикальным опорнымоснованием часто используются в качестве ледостойких конструкций в акваториях северных5морей.Срединихконструкциимаяков,многопролетныхмостов,дамб,причалов,оградительных сооружений, различного рода нефтегазовых объектов.Расчетная нагрузка от ровного ледового поля на такого рода сооружения определяетсяположениями стандарта СП 38.13330.2012 «Нагрузки и воздействия на гидротехническиесооружения» [1].

В основе расчетных положений о ледовых нагрузках лежат результатыисследований, проведенных Коржавиным К.Н. и другими советскими учеными на реках Обь,Енисей и Ангара, начиная с 1940-х годов. Стандарт претерпевал несколько редакций, в томчисле от 1 июля 1996 года, разработанную ВНИИГ им. Веденеева, когда были внесенысущественные изменения в положения об определении прочностных характеристик.Тем не менее, несмотря на периодическое обновление положений стандарта в частиопределения ледовых нагрузок, многие специалисты отмечали [2-6, 126], анализируя опытреализованных проектов, в том числе на Сахалине и в Печорском море, что стандарт «Нагрузкии воздействия на гидротехнические сооружения» не в полной мере применим к морскимледостойким сооружениям в части оценки ледовых нагрузок, и что он нуждается вусовершенствовании.В первую очередь с целью совершенствования стандарта в области определения ледовыхнагрузок необходимо доработать и уточнить следующие положения:- уточнить базовые общие расчетные положения с целью гармонизации российскихстроительных норм с основными зарубежными нормами, а также с учетом современного уровняразвития науки в области ледотехники, накопленного опыта реализации арктических проектови данных крупномасштабных натурных измерений ледовых воздействий;- на базе имеющих многочисленных данных натурных и лабораторных испытанийтребуется уточнить учет масштабного эффекта ледовой нагрузки в формулах по определениюнагрузки от дрейфующего ровного льда на одноопорные и протяженные сооружения;- требуется доработать расчетные положения по определению ледовых нагрузок намногоопорные сооружения.В то же время накопленные за последние годы знания в области механики льда, наличиеданных о крупномасштабных измерениях ледовых воздействий на гидротехническиесооружения, а также развитие методик численного моделирования последних лет могутспособствовать исследованию различных аспектов, влияющих на ледовую нагрузку, и даватьимпульс к совершенствованию методики расчетов ледовых нагрузок.Тема диссертационной работы соответствует п.