Применение сталебетона в конструкциях морских нефтегазопромысловых
сооружений
APPLICATION OF STEEL-CONCRETE IN THE DESIGNS OF OFFSHORE OIL AND GAS FIELD CONSTRUCTIONS
V. ALMAZOV, Z. АMIRASLANOV, MGSU
On the basis of the positive experiments, the authors affirms, that steel-concrete platforms can seriously compete to
metal and ferro-concrete platforms.
В июле 2007 г. на шельфе острова Сахалин началась эксплуатация первой в России морской ледостойкой платформы для добычи газа. В основании сооружения - железобетонный понтон с размерами в плане 105 х 88 м и высотой 13,5 м. Диаметр каждой из четырех трубчатых опор, поддерживающих верхнее строение, — 20 м, высота — 56 м. Для реализации этого уникального сооружения на острове создана не менее уникальная база гидротехнического строительства.
В данной работе представлено альтернативное решение конструкции опорной части платформы. Существующая база производства листовых металлоконструкций не потребовала бы серьезных капитальных затрат и времени на организацию специализированной производственной базы, что дало бы возможность разместить заказ на судостроительных предприятиях Дальнего Востока. В конечном счете предлагаемая нами альтернатива позволила бы снизить стоимость платформы в целом за счет облегчения массы стальных конструкций, упрощения монтажных работ.
Таким образом, мы полагаем, что целесообразнее было бы в будущем перейти на сталебетонные конструкции с внешним армированием, они имеют существенные преимущества по сравнению со стальными и железобетонными конструкциями с традиционным армированием. При сопоставлении с металлическими ледостойкими платформами сталебетонная конструкция позволяет сэкономить до 30% стали, существенно упростить производство стальной оболочки за счет обеспечения бетоном заполнения местной и общей устойчивости конструкции.
В морских платформах наличие бетонного заполнения может решить проблему полной или частичной балластировки для сопротивления общему и локальному действию льда.
Однако применение сталебетонных конструкций для морских платформ пот-
ребует решения нескольких вопросов. В статье [1] приведены результаты исследований поведения бетона заполнения, эксплуатируемого в суровых климатических условиях. Установлено, что бетон, защищенный стальной оболочкой от непосредственного контакта с водой и атмосферой, имеет после длительного воздействия неблагоприятной среды свойства, свидетельствующие о возможности его эффективной эксплуатации в течение десятилетий. Исследования также показали, что деформативность бетона заполнения, подвергавшегося циклическим замораживаниям и оттаиваниям (ЦЗО), практически не отличается от деформативности бетона, не подвергавшегося ЦЗО.
Обсуждается также вторая важная проблема, которая имеет как научную, так и экономическую сторону. Речь идет о сцеплении бетона заполнения со стальной оболочкой. Как известно, во многих случаях применения сталебетонных элементов, в частности в трубобетонных элементах, вопрос сцепления является дискуссионным. Источником дискуссии является усадка бетона, которая может привести к отрыву бетона заполнения от стальной оболочки, т. е. к нарушению бетона и стали. Выходом из проблемной ситуации традиционно считается игнорирование совместности работы бетона и стали или устройство анкеров различных конструкций, гарантирующих совместность работы вплоть до разрушения. Очевидно, что первый путь не рационален, так как бетон в этом случае может играть только роль балласта. Второй путь связан с дополнительным расходом металла, трудоемкостью и локальным нарушением проектных свойств стали в местах сварки.
Продолжены исследования, направленные на доказательство возможности учета совместной работы бетона и внешнего стального армирования без применения анкерных устройств.
Для изучения работы сталебетонных
В.О. АЛМАЗОВ,
д.т.н., профессор, Московский государственный строительный университет
З.А. АМИРАСЛАНОВ,
к.т.н., старший научный сотрудник,
Московский государственный строительный университет
При освоении нефтегазоносных районов Арктического шельфа для выполнения технологических операций, связанных с разведкой и эксплуатацией, необходимо возведение различных сооружений, среди которых — морские дамбы, эстакады, подводные резервуары, трубопроводы, причальные сооружения различного типа и назначения, плавучие и стационарные установки. При этом различают сооружения погружные (опирающиеся на дно) и плавучие.
Рис. 1. Образец для определения сцепления между бетоном и стальной оболочкой (внешним армированием)
конструкций в условиях циклического замораживания и оттаивания и разработки на этой основе методов проектирования конструкций применительно к ледостойким платформам проведены эксперименты в лабораторных условиях. В качестве опытных образцов были изготовлены сталебетонные призматические элементы, конструктивные решения которых представлены на рис. 1. Образцы представляют собой металлическую оболочку, изготовленную из двух швеллеров №14, сваренных между собой сплошными наружными продольными швами. Бетонирование образцов осуществлялось в вертикальном положении на вибростоле.
Для изучения влияния температурных воздействий на конструкции использована термобарокамера ТВУ-800. Цель описываемого опыта - убедиться в наличии совместной работы бетона заполнения и стальной оболочки в период длительной эксплуатации под нагрузкой.
Для конструкции, эксплуатируе-
мой в реальных условиях, особенно важно исследовать физико-механические характеристики бетона, так как на прочность и деформатив-ность сталебетонных образцов оказывают влияние сцепление бетона с металлом, изменение прочности и деформативности бетона образцов, миграция влаги к более холодным поверхностям в результате замерзания и др.
Опытный образец представляет собой сварную металлическую балку коробчатого сечения, заполненную бетоном.
Для проведения исследования использовались камеры ТВУ-2000 и КТК-800. Температура образцов контролировалась с помощью хромель-копелевых термопар. В КТК-800 находились кубы, призмы, сталебетонные призматические элементы. В среднем, в сутки осуществлялось 2 цикла: замораживание до -500С и оттаивание до +150С. После соответствующего числа циклов замораживаний и оттаиваний образцы
извлекались из камеры и испыты-вались на гидравлической универсальной машине Е11-100 по методике, подробно изложенной в [1,2] . На бетонные призмы наклеивались терморезисторы с базой 50 мм перед испытанием на прочность, с начала нагружения до разрушения фиксировали прочностные и деформативные характеристики бетона. После снятия обойм со сталебетонных призм на них наклеивались тензорезисто-ры с базой 50 мм (рис. 2) с четырех сторон по две штуки.
Нагрузку на бетон сталебетонной призмы передавали через жесткий стальной пуансон (рис. 2). Запись диаграмм «нагрузка-перемещение» осуществлялась в автоматическом режиме. На некоторые образцы, как показано на рис. 3, для определения смещения бетонного ядра относительно металлической оболочки в сечениях по высоте образца устанавливались индикаторы часового типа с ценой деления 0,001 мм.
Результаты испытаний при нормальных температурных условиях показали, что от начала нагруже-ния до разрушения между бетоном заполнения и стальной оболочкой сохраняется вначале упругое сцепление — оно развивается упруго до относительной силы, составляющей не менее 50% от силы, вызывающей отрыв оболочки от бетона (рис. 3).
В упругой стадии напряжения сдвига т пропорциональны относительному сдвигу у: т =0 у , где модуль сдвига О:
0=-__- .
2(1+|)
Это означает, что лабораторные испытания (кратковременное нагру-
Рис. 2. Конструктивное решение и схема испытания сталебетонного призматического элемента:
1. Бетонное ядро. 2. Стальная оболочка. 3. Пуансон. 4. Плита пресса. 5. Сварной шов. 6. Анкер в бетоне. 7. Индикатор часового типа. 8. Металлический удлинитель. 9. Держатель для индикатора и удлинителя. 10. Резиновая прокладка
Диаграммы сдвигов для образца С/Э-22 в н. у.
"Ряд2 ■
-РядЗ —X— Ряд4
16 14 12
о
0
° 10 м
О) 8
1 '
4 2
„-х-"
—X— —X— —X— —X— ■ ■ ■ _
0.17
0.23
0.38
0.54 0.69 0.77 Относительная сила сдвига
0.85
0.92
Рис. 3. Сдвиг стальной оболочки относительно бетонного ядра: Ряд 2 - среднее значение на участке 15 мм от места приложения силы сдвига Ряд 3 - среднее значение на участке 45 мм от места приложения силы сдвига Ряд 4 - среднее значение на участке 75 мм от места приложения силы сдвига
наука — производству Л
жение) показали результаты, близкие к предсказуемым нормам. Для бетона класса В25 при
G = 12500 МПа.
2(1+0,2)
и предельных относительных деформациях растяжения
е4, о =0,0001 упругое сопротивление сдвигу, согласно СНиП 52-01-02 для бетона класса В25 (W% = 40 - 70%): т =12500.0,0001= 1,25 МПа. При продолжительном нагруже-нии по СП (СНиП 52-01-02) начальный модуль упругости ЕЬт:
Е = Е .
ЕЬ,т =---
1+Фь,ог
Для бетона класса В25 коэффициент ползучести фЬсг = 2,5 и, следовательно,
ЕЬ = 8570 МПа и Gb = 3640 МПа.
Ь,т Ь,т
При расчетном сопротивлении бетона растяжению Rh, = 1 МПа,
bt,ser '
принимая
т = Rbt,
max bt
получаем коэффициент жесткости для контактного шва -
I = Rht .b / гк,„ .
^ bt,ser btO
Поскольку по СНиП 52-01-02 для В25
гыо = 0,00024, то
^=1000.Ь/0,00024МПа-м=
= 417000 кН-м. Для изучения поведения изгибаемых частей сталебетонных ле-достойких платформ нами испыты-вались стальные и сталебетонные балки. В качестве опытных образцов использовались балки с размерами 120 x 200 x 2000 мм. Схема испытаний представлена на рис. 4.
Внутри балок были установлены по 18 тензорезисторов с базой 20 мм, пять из которых в сжатой зоне, а 13 — в растянутой зоне для определения прочности бетона в нормальных условиях, после ЦЗО (цикличное замораживание и оттаивание) и прочности на изгиб во внутренней зоне (рис. 5).
Испытания бетона показали, что после 45 циклов замораживания и оттаивания гидроизолированного бетона в сталебетонной балке наблюдается определенное уменьшение призменной прочност
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.