АННОТАЦИЯ
Введение. Современные строительные нормы предусматривают существенное увеличение сейсмических нагрузок на гидротехнические сооружения. В связи с этим даже в районах с низкой сейсмической активностью может возникать проблема обеспечения сейсмостойкости гидротехнических сооружений. Причальные стенки как правило, они не столь массивны, чтобы выдерживать сейсмические нагрузки. Поэтому в новых условиях актуальным вопросом является исследования сейсмостойкости причальных сооружений.
Предмет исследования: Причально-разделительная стенка высотой около 24 м, расположенная на нескальном основании. Рассматривалось 7-балльное землетрясение.
Цель: Оценка сейсмостойкость причальной стенки. Сравнение результаты расчёта сейсмостойкости сооружения по динамической и линейно-спектральной теории.
Материалы и методы. Расчёты напряженно-деформированного состояния при действии сейсмических сил проводились методом конечных элементов. Сейсмические нагрузки на сооружение определялись двумя способами – по линейно-спектральной теории (ЛСТ) и по динамической теории (ДТ). Для расчета сейсмических нагрузок определялись 30 низших частот и форм собственных колебаний сооружения совместно с массивом его основания. Направление сейсмического воздействия принималось горизонтальным. При расчете по ДТ сейсмическое воздействие задавалось в виде акселерограммы.
Результаты. Сейсмические силы на причальную стенку составили около четверти от веса сооружения. По ДТ сейсмические нагрузки оказались несколько ниже, чем по ЛСТ. Однако в обоих случаях под действием сейсмических сил стенка причала потеряет свою устойчивость.
Выводы. Для обеспечения сейсмостойкости необходимо изменить конструкцию причальной стенки и перераспределить её вес.
ВВЕДЕНИЕ
Новые строительные нормы [1] предусматривают существенное увеличение величин сейсмических нагрузок, которые должны воспринимать гидротехнические сооружения. Поэтому даже в районах с низкой сейсмической активностью может возникать проблема обеспечения сейсмостойкости гидротехнических сооружений.
Особенно остро проявляется вопрос о сейсмостойкости причальных сооружений, т.к. они как правило не столь массивны. Вопрос об их сейсмостойкости является актуальным, т.к. изучен недостаточно. Мы провели расчетное исследование сейсмостойкости высокой причально-разделительной стенки (ПРС) шлюза.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Мы оценивали сейсмостойкость причального сооружения путем расчета его напряженно-деформированного состояния при действии сейсмических сил. Расчеты проводились методом конечных элементов, с использованием вычислительных программ, составленных к.т.н. М.П. Саиновым. Расчеты проводились в плоской постановке.
Рассматривалась ПРС высотой более 24 м. Конструкция расположена на бетонной фундаментной плите. Ширина фундаментной плиты составляет 15 м, ширина самой стенки – 5 м. ПРС имеет ячеистую конструкцию, в которой выполнены полости, заполненные песком. В нижней части ПРС выполнены сквозные отверстия.
Под фундаментной плитой ПРС залегают аллювиальные отложения толщиной 40 м, под которыми находится толща полускальных пород. Сверху залегают пески средней плотности, ниже – плотные пески, а еще глубже – пески высокой плотности. В нижней части аллювиального слоя располагается слой глины.
Общая последовательность выполнения расчетов была следующей:
- расчет напряженно-деформированного состояния (НДС) сооружения и основания при статических нагрузках;
- расчет по определению форм собственных колебаний (ФСК);
- расчеты по определению сейсмических нагрузок на сооружение;
- расчет напряженно-деформированного состояния сооружения и основания при сейсмическом воздействии.
Сейсмические нагрузки на сооружение определялись двумя способами — по линейно-спектральной теории (ЛСТ) и по динамической теории (ДТ). Для расчета сейсмических нагрузок определялись 30 низших частот и форм собственных колебаний сооружения совместно с массивом его основания. При расчете по динамической теории сейсмическое воздействие задавалось в виде аналоговой акселерограммы (Рис.1). Направление сейсмического воздействия принималось горизонтальным.
Рис. 1. Расчетная акселерограмма (в интервале времени от 0 до 10 с)
Для бетона модуль линейной деформации принимался равным 29000 МПа. Для песков основания статический модуль линейной деформации принимался равным от 27 МПа до 44 МПа, динамический модуль – от 195 до 416 МПа. Для глины статический модуль был принят равным 43 МПа, динамический – 1540 МПа.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Расчет НДС сооружения при статических нагрузках (от собственного веса сооружения и гидростатического давления) проводился с помощью вычислительной программы Nds_N [2]. Результаты расчета НДС сооружения при статических нагрузках представлены на рис.2. Расчетная осадка сооружения составляет 10 см. Напряжения в ПРС очень малы. Исключением является фундаментная плита. Из-за взаимодействующая с нескальным основанием происходит изгиб фундаментной плиты, ее нижняя часть испытывает растяжение в горизонтальном направлении, в то время как верхняя часть – сжатие. Сжимающие напряжения в фундаментной плите достигают 2,6 МПа, а растягивающие – 1,5 МПа (рис.2). Такие напряжения могут быть восприняты бетоном при надлежащем армировании.
Далее были определены 30 низших ФСК. Для определения форм и частот собственных колебаний использовался метод итераций подпространства. Наличие в расчетной области воды учитывалось в виде присоединенной массы.
Частоты ФСК была получена в диапазоне от 2 Гц до 11 Гц.
По частотам и ФСК были определены ускорения сооружения при землетрясении. По ЛСТ определялись максимальные величины ускорений. По ДТ ускорения последовательно определялись на каждый из расчётных моментов времени. На рис.3 показано сравнение максимальных значений горизонтальных ускорений сооружения, полученных по ДТ и ЛСТ. По ДТ сейсмические нагрузки оказались ниже, чем по ЛСТ. Стало понятно, что сейсмические силы на причальную стенку будут достигать около четверти от веса сооружения. Максимальное ускорение на гребне ПРС при расчёте по ДТ составило 0,32g, при расчёте по ДТ – 0,40g (g – ускорение свободного падения).
a) b)
Рис. 2. Напряжения в сооружении при статических и сейсмических нагрузках
а – напряжения по динамической теории; b – напряжения по линейно- спектральной теории. Закрашенные эпюры соответствуют случаю восприятия только статических сил.
По известными сейсмическим силам производился расчёт НДС сооружения. При использовании ЛСТ нагрузки прикладывались как статические. При расчёте по ДТ рассматривались пульсации напряжений во времени.
Однако, качественно результаты расчета НДС причального сооружения, полученные разными способами, оказались близки (рис.2).
Более подробно результаты исследования изложены в [3].
Самым важным результатом расчёта явилось то, что под действием высоких сейсмических сил при 7-балльном землетрясении причальная стенка потеряет свою устойчивость. Кроме того, в нижней части возникают высокие растягивающие напряжения в вертикальном направлении (рис.2).
Для обеспечения устойчивости сооружения можно предложить следующие способы:
- облегчение верхней части ПРС, отказавшись от засыпки верхних полостей балластом, чтобы уменьшить сейсмические нагрузки;
- объединение ПРС и фундаментной плиты в монолитную конструкцию, связав их арматурным каркасом.
Второй способ наиболее эффективен, так как он увеличивает площадь опорной поверхности.
a) b)
Рис. 3. Максимальные по величине ускорения в сооружении при землетрясении силой 7 баллов (в долях от g): a – по динамической теории; b – по линейно-спектральной теории.
ВЫВОДЫ
- При расчетной сейсмичности семь баллов в рассматриваемом причальном сооружении сейсмические нагрузки оказались настолько большими, что угрожают ему потерей устойчивости, следовательно, нужно проверять сейсмостойкость подобных сооружений даже в сейсмически мало опасных районах строительства.
- Причальные сооружения не являются настолько массивными, чтобы сохранить устойчивость при сейсмических нагрузках. Для обеспечения устойчивости рекомендуется выполнять причальные стенки монолитными, едиными в совокупности с фундаментной плитой.
- Сейсмические нагрузки на сооружение, которые были определены по динамической теории, оказались примерно на четверть меньше, чем по линейно-спектральной теории. Однако это никак не сказалось на сейсмостойкости сооружения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
- СП 14.13330.2014. Строительство в сейсмических районах.
- Саинов М.П. Вычислительная программа по расчету напряженно-деформированного состояния грунтовых плотин: опыт создания, методики и алгоритмы // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. 2013. Т.9. №4. С. 208–225.
- Есиновский В.А., Саинов М.П., Зайцев Б.А., Филиппов С.А. Cейсмостойкость причальной стенки по результатам численного моделирования // Строительство: наука и образование. 2018. Т.8. Вып.4. Ст.2. URL: http://nso-journal.ru. DOI: 22227/2305-5502.2018.4.2