Взаимодействие льда и сооружений

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Взаимодействие льда и сооружений

Динамические воздействия льда на гидротехнические и транспортные сооружения

В последние десятилетия, в связи с интенсивным и настойчивым освоением богатейших водных ресурсов заполярных районов Земли (Арктики и Антарктики), отдаленных и северных территорий России и США (Крайнего Севера, Сибири, Аляски) и связанным с этим масштабным транспортным, гидроэнергетическим и водохозяйственным строительством, а также в связи с промышленным освоением месторождений нефти и газа на шельфе Аляски (в заливе Кука и море Бофорта), Канады и открытием месторождений углеводородов на арктическом шельфе России (в Баренцевом и Карском морях и в море Лаптевых), вопросы воздействия льда на речные и морские сооружения и обеспечения их работоспособности при отрицательных температурах воздуха приняли особенно актуальный характер.

Взаимодействие сооружений со льдом во многом носит случайный характер. Это относится как к стационарным конструкциям, так и к плавсредствам и обусловлено неоднородностью естественного ледяного покрова и случайностью непосредственного силового контакта со льдом.

К.Н.Коржавин [19] различает следующие виды воздействия льда на инженерные сооружения:

статическое давление, возникающее при формировании ледяного покрова или при его расширении вследствие резких колебаний температур воздуха в зимний период; имеет значение главным образом для сооружений большой протяженности (плотины, причалы, ледозащитные стенки);

динамическое давление льда, обусловленное кинетической энергией движущихся ледовых образований, и возникающее при встрече ледяных полей с сооружениями различной протяженности; наиболее опасно для отдельно стоящих сооружений (опоры мостов, бычки водосливных плотин);

истирающее действие ледяного покрова при ледоходе (дрейфе льда).

В суровых климатических условиях Крайнего Севера, Сибири, Дальнего Востока, Аляски и северных районов Канады гидротехнические и транспортные сооружения в течение длительного времени, а иногда и круглогодично, противостоят различным ледовым воздействиям, наибольшие из которых могут значительно превосходить ветровые, волновые, сейсмические и другие воздействия.

В осенний и особенно в весенний периоды речные гидротехнические (плотины и их элементы, временные водосбросные и ледосбросные сооружения, причальные стенки), транспортные (опоры мостов, укрепленные откосы земляного полотна железных и автомобильных дорог) и другие (например, маяки, опоры ЛЭП) сооружения испытывают нагрузки как от движущихся ледяных полей во время ледохода, так и от прорвавшихся зажорных и заторных масс льда.

Характер взаимодействия льда с речными сооружениями в период ледохода или подвижек льда определяется типом сооружения (препятствия), гидравлическими условиями вблизи них, толщиной и прочностью льда. Решающую роль во всех динамических нагрузках играет масса ледовых образований. Так, например, опоры мостов в зоне влияния водохранилищ и бычки водосливных плотин могут испытывать воздействие достаточно крупных ледяных полей, дрейфующих под влиянием ветра и течения. При подходе к водосливным плотинам размеры ледяных полей уменьшаются в результате излома на кривой спада.

Силы взаимодействия между движущимися ледовыми массами и сооружениями могут привести к повреждениям, и даже разрушениям последних, что неоднократно наблюдалось, например, на р.Енисее (Дудинка), р.Оби (Нижневартовск, Нефтеюганск).

Дудинский порт существует уже давно, но проблема его защиты от разрушения льдом наиболее острой стала в последние десятилетия ХХ века.

В весенний период скорость движения волны паводка по Енисею значительно превышает интенсивность распространения с юга на север положительных среднесуточных температур воздуха. Поэтому период ослабления покрывающего реку льда действием атмосферного тепла очень непродолжителен, и основной причиной разрушения льда является воздействие на него паводочной волны. В силу того, что ледяной покров к моменту взламывания сохраняет почти такую же прочность, как зимой, вскрытие Енисея носит здесь буйный, стихийно грозный характер. При быстром подъеме уровня воды ледяной покров вспучивается и отрывается от берегов. Затем вследствие интенсивного нарастания паводочной волны происходит несколько подвижек ледяного покрова, приводящих к его взламыванию, раскалыванию на отдельные поля, торошению и навалам больших масс льда на берега и причалы, а также к образованию заторов выше и ниже порта.

Уже во время первой подвижки ледяного покрова сооружения порта подвергаются воздействию льда, который наползает на поверхность причалов, производя начальные незначительные разрушения. При последующих более длительных подвижках наползание льда приобретает исключительно мощный характер: ледовые массы проходят всю поверхность причалов вместе с подкрановыми и железнодорожными путями, стрелочными переводами, вырывают железобетонные плиты и т.д.

Очень опасны во время подвижек случаи освобождения от льда реки у порта при наличии ледяного покрова на вышерасположенном участке. В эти периоды отрывающиеся от кромки льда большие ледяные поля (до 1,5км) разгоняются, беспрепятственно двигаясь по разводью, и с огромной скоростью врезаются в уже образовавшиеся на причалах навалы льда. Ледовые глыбы, нагромождаясь, стремительно продвигаются вглубь берега на значительное расстояние от уреза. При этом лед достигает более высоких отметок, чем во время ледохода при наивысшем уровне, вследствие чего даже наиболее удаленные от реки сооружения испытывают динамическое давление льда.

Морские гидротехнические сооружения, также как и речные, подвержены воздействию динамических нагрузок от волн, ветра, землетрясений, льда и др.

Воздействие льда на сооружения арктического шельфа возможно практически в любое время года и зависит от характера и особенностей ледовой обстановки. Так, например, в районах припайных льдов ледовое воздействие имеет место в весеннее время, когда лед достигает максимальной толщины, а скорость его подвижки не превышает 0,1м/с. Сооружения, установленные в районах припайных льдов, могут подвергаться ледовому воздействию с момента взлома припая до момента становления устойчивого припая. Кроме того, в этих районах возможно смерзание льда с сооружением, что может привести к значительному увеличению ледовой нагрузки, возникающей при внезапной подвижке льда.

В районах дрейфующих льдов основным фактором, определяющим величину ледовой нагрузки и механизм разрушения льда при его взаимодействии с сооружением, является скорость движения ледовых образований, которая может изменяться от нескольких миллиметров в секунду до 1,0м/с и более. Например, в пределах разведанных месторождений нефти и газа в Баренцевом и Карском морях характерные скорости движения льда 0,2-0,4м/с. Высокие скорости движения льда наблюдаются только на приливных участках морей.

Практически повсеместно в арктических акваториях наблюдаются дрейфующие гряды торосов и крупные нагромождения смерзшегося торосистого льда, представляющие собой особую опасность для сооружений.

Взаимодействие шельфовых сооружений с движущимся льдом сопровождается, как правило, его смятием. Нагрузка от смятия льда в общем случае больше нагрузки от раздробления, сдвига или излома, и существенно зависит от скорости движения ледяных полей. При низких скоростях (1,0…10,0м/с) имеет место пластическое (хрупко-пластическое) разрушение взаимодействующего с сооружением льда, а при высоких скоростях (0,5м/с и более) - хрупкое разрушение.

При проектировании, строительстве и эксплуатации как речных, так и морских гидротехнических сооружений необходимо обеспечить:

прочность и устойчивость сооружения с учетом наиболее неблагоприятного воздействия льда,

защиту сооружения от истирающего и ударного воздействия льда, а также оледенения и смерзания с ледяным покровом.

В российских и зарубежных нормативных документах предусматривается расчет следующих динамических нагрузок на сооружения:

от движущихся ледяных полей на сооружение с вертикальной передней гранью; для отдельно стоящих опор при прорезании ими льда и при остановке ими ледяного поля; для секции сооружения при ударе отдельных льдин и разрушении льда;

от ледяного поля на сооружение откосного профиля или отдельно стоящую опору, имеющую в зоне действия льда наклонную поверхность;

от движущихся ледяных полей на сооружение из ряда вертикальных опор;

от остановившегося ледяного поля, наваливающегося на сооружение под воздействием течения воды и ветра;

при прорезании опорой зажорной массы льда;

при навале зажорной массы льда на сооружение перпендикулярно его фронту;

от навала зажорных масс льда на единицу длины сооружения, расположенного параллельно направлению течения, а также на берега.

Для стационарных гидротехнических сооружений выделяются два крайних расчетных случая:

воздействие льда на отдельное ограниченное по размерам сооружение, при котором каждый акт взаимодействия является единичным, а их последовательность образует временной ряд;

воздействие льда на широкую конструкцию, при котором ледовую нагрузку можно представить как пространственную реализацию одновременных актов взаимодействия, распределенных по фронту сооружения.

В первом случае расчетная ледовая нагрузка находится как предельная с заданным уровнем обеспеченности, а ледовая нагрузка на широкое сооружение определяется путем соответствующего пространственного осреднения.

Некорректность определения ледовых воздействий на сооружения может привести к негативным последствиям. Завышение расчетной ледовой нагрузки приводит к неэффективному использованию финансовых средств, затрачиваемых на возведение капитальных сооружений, а занижение может явиться причиной нарушения работоспособности конструкции и возникновения экономического ущерба.

В отечественной и зарубежной практике для изучения ледовых нагрузок на сооружения используются:

методы вероятностного моделирования ледовой обстановки и характеристик льдов (А.Т.Беккер, Ф.И.Птухин, Д.Е.Хейсин и др.),

детерминированные методы расчета ледовых нагрузок (К.Н.Коржавин, В.П.Афанасьев, С.А.Вершинин, Н.Г.Храпатый, В.Г.Цуприк и др.)

и сочетание этих методов.

Составными частями каждого из них являются построение сценария взаимодействия сооружения с соответствующим типом ледовых образований и расчет нагрузок на сооружение при взаимодействии его со льдом.

Так, например, при взаимодействии сооружения с движущейся льдиной могут возникнуть следующие сценарии: льдина останавливается при первом же контакте с сооружением; льдина полностью прорезается; после некоторого числа прорезаний льдина, потеряв всю кинетическую энергию, останавливается.

Неполнота и недостоверность исходной информации о свойствах льда, недостаточная изученность процессов, происходящих при взаимодействии ледовых образований и сооружений, а также неточность и несовершенство методов расчета ледовой нагрузки могут привести при использовании различных методических подходов к значительному разбросу значений ледовой нагрузки.

Представление качественной картины взаимодействия конструкции с ледовыми образованиями в виде количественной зависимости, включающей в себя параметры, характеризующие систему “лед-сооружение”, является конечной целью любого методического подхода к оценке воздействия льда на сооружение.

Итогом многолетних исследований проблемы определения нагрузок от воздействия движущихся льдин на отдельно стоящие сооружения стала предложенная К.Н.Коржавиным формула

F_b,p=2,5mk_cbh_dR_c (9.1)

в которой 2,5 - численное значение отношения наибольшего напряжения во льду при местном его смятии сооружением с передней гранью в виде прямоугольника к прочности льда на одноосное сжатие; m - коэффициент формы сооружения в плане; kc - коэффициент неполноты соприкасания льда с сооружением; b - ширина сооружения по фронту на уровне действия льда; hd - расчетная толщина льда; Rc- предел прочности льда при сжатии.

Формула (9.1) учитывает многие факторы: местное смятие льда (сложное напряженное состояние ледяного покрова), форму и ширину сооружения, полноту соприкасания, толщину и прочность льда. Она используется с некоторыми видоизменениями и усовершенствованиями практически во всех известных ледотехнических методиках расчета ледовых нагрузок на отдельно стоящие сооружения.

Воздействие льда на сооружения с вертикальной и наклонной гранями

Исследования, проведенные отечественными специалистами, показали, что наибольшее давление льда на сооружения с вертикальной гранью обычно возникает при прорезании, например, опорой моста или шельфовой платформы крупного ледяного поля и остановке льда после разрушения в зоне контакта. К.Н.Коржавин при изучении явления разрушения речного льда перед вертикальными опорами мостов в период ледохода показал, что лед перед опорой разрушается преимущественно от смятия - путем разрушения в условиях объемного напряженного состояния за счет нарушения межкристаллических связей и дробления кристаллов.

В последние десятилетия как отечественными, так и зарубежными исследователями установлено, что разрушение путем смятия не является единственно возможным видом разрушения льда у опор, например, шельфовых сооружений. Результаты экспериментальных модельных и натурных наблюдений за прорезанием морского ледяного покрова опорами с вертикальной гранью свидетельствуют о том, что нередко имеет место разрушение льда путем сдвига (скола) с последующим смятием несколовшейся части льда по его толщине.

В зависимости от толщины ледяного покрова, диаметра опоры сооружения, скорости движения ледяного поля и характера распределения температуры по толщине льда могут наблюдаться три типа разрушения льда у вертикальной цилиндрической опоры сооружения:

случай, соответствующий взаимодействию речного льда с опорами в период ледохода и характеризующийся низкой скоростью движения ледяного поля и относительно высокой температурой льда, равномерно распределенной по его толщине; лед разрушается путем смятия по всей его толщине и независимо от диаметра опоры;

в случае высокой скорости движения ледяного поля и низкой температуры льда, распределенной относительно равномерно по его толщине (лед не толстый), разрушение льда перед опорой происходит в два этапа: вначале произойдут сколы участков льда - клиньев, прилегающих к опоре и находящихся у свободных плоскостей ледяной плиты, затем оставшийся участок высоты сечения ледяной пластины (средний клин) будет сминаться за счет подвижки льда; в последующем цикл «сколы-смятие» повторяется;

при ярко выраженной неравномерности распределения температуры льда по его толщине торец ледяного поля разрушается в также два этапа: сначала происходит скол верхней части ледяной плиты, затем оставшийся нижний участок «теплого» льда будет смят; при дальнейшем движении ледяного поля цикл «скол-смятие» будет повторяться.

Наибольшее давление льда на сооружения с наклонной гранью возникает при разрушении ледяного поля, как правило, в результате изгиба.

Большинство известных расчетных зависимостей ледовой нагрузки на сооружения с наклонными передними гранями, полученные как аналитически, так и экспериментально, рассматривают квазистатическую постановку задачи взаимодействия льда на сооружение. В тоже время, лабораторные исследования взаимодествия ледяных полей с сооружениями в форме конуса свидетельствуют о тенденции возрастания нагрузки с увеличением скорости движения льда на подходе к сооружению.

Рассмотрим квазистатическую задачу о взаимодействии одиночной льдины с наклонной (вертикальной) гранью гидротехнического (транспортного) сооружения.

Итак, при встрече ледяного поля толщиной hл с наклонной гранью опоры моста, бычка или откоса гидротехнического сооружения (рис.9.1) происходит частичное смятие кромки льда с образованием постепенно возрастающей силы воздействия N (реакции откоса), направленной по нормали к наклонной плоскости ( - угол наклона откоса сооружения к горизонту). Со стороны откоса на льдину действует также сила трения Т, направленная вдоль наклонной плоскости. Силы N и Т связаны между собой зависимостью

(9.2)

где f - коэффициент трения между льдиной и сооружением (для льда и бетона в среднем равен 0,11 при изменении от 0,07 до 0,14); f=tg, где - угол трения льда на откосе, принимает значения от 4 до 80 (так, например, при f=0,11 =6,5).

Помимо сил N и Т на льдину действуют: G - вертикальная сила, равная разности веса ледяного поля G1 и взвешивающей силы G2 (сила Архимеда), а так же суммарное горизонтальное давление со стороны потока на льдину P.

Теоретически возможны два случая взаимодействия ледяного поля и откоса сооружения:

1) когда <0 (0 - предельный угол трения льда на откосе) или >(900-0) льдина не поднимается по откосу и ее разрушение происходит в результате раздробления. В этом случае расчеты ледяного поля на прочность выполняются как для случая воздействия льда на сооружения с вертикальной гранью;

2) когда >0 или <(900-0) льдина начинает перемещаться вверх по откосу до тех пор, пока силы Р, G, N и Т не уравновесят друг друга (предполагается, что силы инерции малы), и ее разрушение происходит в результате изгиба.

Очевидно, если записать уравнения равновесия ледяного поля в проекциях на оси, направление которых совпадает со скоростью течения потока и вертикалью, получим

; (9.3)

. (9.4)

Из (9.3) и (9.4) с учетом (9.1)

; (9.5)

. (9.6)

Из (9.5) и (9.6) после тригонометрических преобразований

. (9.7)

Сила G вызывает растягивающие напряжения при изгибе ледяного поля.

Стандартной расчетной схемой задачи о напряженном состоянии ледяного поля является модель балки (пластины) на упругом гидравлическом основании с идеальным двусторонним контактом, для которого справедлива гипотеза Винклера, согласно которой реактивное давление со стороны гидравлического основания q пропорционально прогибу ледяной пластины z (q=kz, где k - коэффициент постели упругого гидравлического основания). При малых прогибах (z <<hл) поперечно нагруженной ледяной пластины толщиной hл расчет максимального растягивающего напряжения на нижней поверхности ледяного поля (max) можно свести к известному решению задачи о напряженном состоянии полубесконечной пластины на упругом основании, нагруженной равноотстоящими силами G, приложенными по ее краю (С.П.Тимошенко).

, (9.8)

где b=0,325hл; E - модуль упругости льда; - коэффициент Пуассона для льда.

С учетом (9.7) получим

(9.9)

Когда взаимодействие ледяного поля происходит с вертикальным откосом сооружения (случай <0 или >(900-0)), сжимающие напряжения при смятии льдины можно оценить по зависимости

, (9.10)

где В - ширина откоса сооружения (опоры моста, бычка плотины).

По данным Н.Н.Гришина для расчета воздействия льда на сооружения в период весеннего ледохода можно принять, что справедливо нижеследующее соотношение для прочности ледяного покрова на сжатие и изгиб:

c>и , 2,4c/и1,0 , c=(1,70,7) и . (9.11)

Для оценки правильности предложенной расчетной схемы взаимодействия льда с наклонным (вертикальным) откосом воспользуемся экспериментальными данными В.П.Афанасьева и Ю.В.Долгополова [1](табл. 9.1).

В опытах давление определялось для двух типов опор: вертикальной призматической с шириной передней грани В=0,06м (опыты 1-3) и наклонной с наклоном образующей к горизонту под углом =600 (опыт 4). Принимая во внимание, что для прочного пресноводного льда Е=3900МПа, v=0,33, =6,5° (для коэффициента трения льда но бетону f=0,11), и учитывая, что допускаемые напряжения на сжатие и изгиб связаны между собой соотношением c=(1,2 ... 1,4)н, из (9.28) и (9.29) получим, что сила Рс, при которой происходит смятие льдины у вертикальной опоры (откоса) и сила Ри, при которой происходит излом у наклонной опоры, для значений hл=0,03м, В=0,06м соотносятся между собой как Рс/Ри =5,0...5,5, что соответствует экспериментальным значениям: .

Учитывая, что в реальных условиях ледохода и подвижек льда его толщина составляет hл=0,10...2,00м, модуль деформации (упругости) пресноводного льда принимает значения Е=2900...8800МПа и коэффициент Пуассона v=0,33 [73,76], зависимость (9.11) преобразуется следующим образом

Таблица 9.1

Экспериментальные данные В.П.Афанасьева и Ю.В.Долгополова

. (9.12)

Силу Р (суммарное горизонтальное воздействие потока на льдину) представим в виде

, (9.13)

где - плотность воды; g - ускорение свободного падения; - коэффициент обтекания, равный 0,5; В - ширина ледяного поля; hл - толщина льдины; U - относительная скорость поверхностных слоев воды и ледяного поля; k0 - безразмерный коэффициент, учитывающий соотношение между длиной активного участка ледяного поля перед сооружениями и его средней шириной, а также изменения морфометрических и гидравлических элементов по длине этого участка; - относительное расстояние от нижней поверхности скоплений льда до плоскости, проходящей через максимальную скорость на вертикали; - удельный вес воды или =k=g - коэффициент постели гидравлического основания; - средняя скорость водного потока на участке скопления льдин; пр - приведенный коэффициент сопротивления русла, покрытого льдом, который можно определить как

, (9.14)

где - приведенный коэффициент шероховатости подледного русла:

, (9.15)

где np - коэффициент шероховатости русла; nл - коэффициент шероховатости нижней поверхности ледяного поля; R - гидравлический радиус подледного потока.

Учитывая, что можно принять U, k0 =1,0, = 0,5 и л=0,92, получим

. (9.16)

Из (9.12) и (9.16) следует, что льдина сломается при условии

. (9.17)

Расчетный пример. Определить, при каких значениях угла (угол наклона откоса сооружения к горизонту) происходит разрушение в результате изгиба льдины шириной В=50 м и толщиной hл=0,3 м. Ледяное поле до столкновения с опорой двигалось со скоростью =0,76 м/с, равной средней скорости потока на участке скопления льдин у сооружения. Коэффициент шероховатости русла np и нижней поверхности ледяного поля nл равны соответственно 0.0325 и 0,0350. При np=nл максимум скорости в подледном потоке расположен вблизи геометрической оси потока, следовательно, значение можно принять равным 0,5. Гидравлический радиус подледного потока на расчетном участке R=1,65 м. Предел прочности пресноводного льда на изгиб и=0,75с и имеет значение 0,7555,0104Па=41,3104Па. Вычисляя по формуле (9.15) приведенный коэффициент шероховатости подледного русла nпр, а затем по формуле (9.14) коэффициент гидравлического трения для подледного потока пр=0,012 и принимая угол трения льда на бетонном откосе 6.5°, получаем

Из условия 40,7104ctg( + 6,5°) >[и]доп получаем < 39°.

Рис.9.1 Схема взаимодействия льдины и откоса сооружения

динамический лед сооружение шероховатость

G - вертикальная сила, равная разности веса льдины и взвешивающей силы; P - суммарное горизонтальное давления со стороны потока воды на льдину; N - нормальная составляющая реакции откоса cооружения; Т - сила трения льдины по откосу; hл - толщина льдины; - угол наклона откоса сооружения к горизонту.

Размещено на allbest.ru