научная статья по теме СТАЛЕБЕТОННАЯ ПЛАТФОРМА Геофизика

Текст научной статьи на тему «СТАЛЕБЕТОННАЯ ПЛАТФОРМА»

наука - производству I

13

СТАЛЕБЕТОННАЯ ПЛАТФОРМА

STEEL-CONCRETE PLATFORM

V. ALMAZOV, Moscow State Bilding University Z, AMIRASLANOV, NTC Morneftegas ZAO

Article contents science proving argument of technical opportunity and economic basing for use the steel-concrete

construction in difficult conditions of the Arctic shelf.

Keywords: steel-concrete structure, oil and gas recovering platform, offshore projects

Мировая практика освоения континентального шельфа позволила накопить значительный опыт применения стальных блоков нефте- и газодобывающих платформ. В гораздо меньшем объеме, но в наиболее сложных условиях эксплуатации успешно применяются железобетонные платформы. Каждый из указанных ти-повконструкцийобладаетпреимуществами и недостатками. В этом отношении железобетонные конструкции с внешним листовым армированием (сталебетонные конструкции) имеют очень важные свойства, создающие преимущества перед стальными и традиционными железобетонными.

В то же время можно считать эти конструкции недостаточно изученными, хотя в России и за рубежом возведены и эксплуатируются грандиозные сооружения на базе железобетона с внешним армированием. В течение многих десятилетий в Ленинграде -Санкт-Петербурге успешно работал мост им. Володарского из трубобетонных арок. Опыт возведения зданий с использованием трубобетона получил распространение в США, Японии, КНР и других странах. Совсем недавно в казахстанском строительстве началось применение этой технологии, позволяющей значительно увеличить сейсмостойкость здания. В нескольких новых небоскребах в Китае, в частности в 610-мет-ровой башне в Гуанчжоу, в качестве несущих конструкций предусмотрено использование трубобетона. Комбинированные сталеже-лезобетонные несущие конструкции применены и в 508-метровом небоскребе в Тайбэе. В качестве колонн там использованы сварные металлические короба сечением 2,4x3,0 метра, заполненные бетоном. Каждая из колонн рассчитана на нагрузку в 38 тысяч тонн. В СССР в течение нескольких десятилетий эксплуатировался продольно-строгальный прецезионный станок со станиной из железобетона с внешним армированием при длине 20 м. Трубо-бетон обладает исключительно высокой

несущей способностью при небольших поперечных сечениях колонн, являясь прекрасным примером сочетания выдающихся способностей металла и бетона. Бетон в трубобетоне находится в условиях всестороннего сжатия и в таком состоянии выдерживает напряжение, существенно превышающее его призменную прочность. Известно, что трубобетонные конструкции позволяют уменьшить: в 1,5 - 2 раза расход бетона, в 2 - 3 раза массу конструкции и, примерно, вдвое затраты труда в связи с отсутствием арматурных, сварочных работ и работ по монтажу опалубки. По сравнению со стальными конструкциями применение трубобетонных колонн позволяет в 1,5 - 2 раза сократить расход металла при одинаковой массе конструкций.

Сравнение расходных и экономических характеристик стальных, железобетонных и сталебетонных платформ производилось неоднократно. Здесь ограничимся сравнением характеристик стальной и сталебетонной конструкций платформ одинаковых геометрических размеров при одинаковых расчетных нагрузках.

Для сравнения рассмотрена буровая и добывающая платформа, рассчитанная на 60-суточную непрерывную работу персонала 108 человек (табл. 1).

Нагрузки (рис. 1):

Высота волны 7,3 м;

Толщина льда 2 м.

Собственный вес:

Железобетон:

2,5. 1,1 = 2,75 т/м3;

Сталь:

7,85 . 1,05 = 8,25 т/м3;

Стальная палуба:

2.0,02,8,25 .1,5 = 1,5 т/м3

Сталебетонная стена и днище 5 =1 м:

2.0,02.8,25 .1 + 0,96.2,75 = 3 т/м2.

Сталебетонная стена

5 =0,5 м:

2.0,02.8,25.1 + 0,46.2,75=1,6 т/м2.

Табл. 1. Технико-экономические показатели конструкций платформ

Технико-экономические показатели Стальной вариант Сталебетонный вариант Процентное соотношение, %

Расход металла, тыс. тонн 1,2036 0,66 55

Расход бетона, тыс. тонн - 3,654 -

Расход арматуры, тыс. тонн - 0,06313 -

Трудоемкость, тыс. ч-д 13,37 7,4 56

Расчетная себестоимость, млн руб. 640,55 437,5 68

В.О. АЛМАЗОВ,

д.т.н., профессор

Московский государственный строительный университет

V almazov33@mail,ru

З.А. АМИРАСЛАНОВ,

ведущий научный сотрудник

ЗАО НТЦ «Морнефтегаз»

Авторы научно

обосновывают

техническую

возможность и

экономическую

целесообразность

использования

сталебетонных

конструкций в

сложных условиях

Арктического

шельфа,

m наука - производству

гидростатика

10,000

,10,000

лед

7L

-20.000

10.000

волна

вертикальная полезная

10,000

0.000 / -L ^

,-20.000 щ i v 4

W J/ J>

1 -е направление волновой и 2-е направление волновой и глобальной ледовой нагрузки глобальной ледовой нагрузки

—э / 1

—» Хм

-4

Рис. 1. Нагрузки на платформе

Наружная стена

y Вмугвенк 1я стена

т Днище !

:«и) «t шп 24 ОМ Z0DDD ]

1№ Ы2

О О О О 1—1

иаа т5о:о ТН-Г

Я

Лг

-в-

Î3-

13

Рис, 2. Модель МКЭ платформы

Табл.2

Рис. 3. Платформа

Лед:

- локальная нагрузка S = 2 м2 140,2= 280 т

- глобальная нагрузка S > 2 м2 70,1 = 70 т/м2.

Полная временная (полезная) нагрузка - 13 600 т Водоизмещение на плаву - 51 200 т Водоизмещение в погруженном состоянии - 256 000 + 225 000 = 481 000 т Волновая:

Расчетная высота волны: h = 7,3 м Шубина у основания платформы: dt=20 м. Ординаты эпюры волнового давления:

zl = — h, z2 = 0, z3 = d t, p. = 0,p2 =1,5pgh, p, = ;

' 2 ' ch(kdf)

для принятых размеров и геометрии платформы:

Pj = 0, р2= 110т/м2, р ~ О,

где р - плотность воды (для морской воды р =1,03), g = 9,81 м/сек2. к = 0,5.

При формировании РСУ и РСН следует учитывать одновременное действие совместимых нагрузок.

КОНСТРУКТИВНОЕ РЕШЕНИЕ

Аналог патентного предложения [1] (Патент № 2292421). Размеры в плане 160 х 160 м. Глубина погружения 20 м, высота над уровнем спокойной воды 10 м (рис. 2). По наружному периметру платформа разделена на непроницаемые отсеки, обеспечивающие постоянную и аварийную балластировку. Внутренний объем: под 1-й и 2-й палубами в рассчитанном варианте - безбалочные перекрытия с «подплитками» для увеличения сопротивления продав-ливанию и уменьшения расчетных пролетов плит перекрытий.

Нагрузки Коэффициенты надежности Сочетания 1 II III IV V

Собственный вес 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1

Полезная нагрузка на палубах (модули, складируемые материалы) 2т/мг 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2

Полезная нагрузка на днище(6алласт, продукт) 12т/м2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2

Гидростатика 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1

Волновая нагрузка 1 1 1,2

Волновая нагрузка 2 1 1,2

Лед глобальный 1 1,1 1,1

Лед глобальный 2 1,1 1,1

Лед локальный 1,1 1,1

Рис. 4. Вариант стального модуля плиты и стены платформы

наука - производству ■

13

Рис. 5. Моменты Мх в палубах и стенах платформы

Табл. 4. Сводные (огибающие) результаты

Наружные стены и днище - сталебетонная плита толщиной 1 м с внешним армированием - лист 20 мм. Внутренние стены - сталебетонная плита толщиной 0,5 м с внешним армированием - лист 20 мм. Палубы - сталебетонная плита с легкобетонным наполнением толщиной 1 м с внешним армированием - лист 20 мм. Колонны сталебетонные с внешним армированием - лист 16 мм квадратного сечения 1,5 х 1,5 м. Сетка колонн 20 х 20 м. Во всех элементах применен тяжелый бетон класса В 60 или легкий бетон (в палубах) класса В 15. На рис. 4 приведен вид стального модуля с размерами по поверхности листа 1000 х 1000 и 2000 х 2000 мм.

При необходимости колонны могут быть дополнены внутренними стенами, образующими колодцы для групп скважин различного назначения и дополнительные герметичные отсеки.

Расчет сооружения выполнен для жесткого основания, имитирующего свайный фундамент. Наличие податливого основания легко имитируется коэффициентами постели С. и С2 с переменными значениями, соответствующими геологическим свойствам основания под платформу. Представленный на рис. 4 вариант конструкции стального модуля позволяет выполнять индустриальным методом элементы платформы: наружные и внутренние стены, палубы, днище и т. д. Эти модули, как показали исследования [1 - 5], обл дают значительным сопротивлением совместно с бетоном заполнения изгибу и сжатию. Их совместная работа хорошо обеспечивается как традиционным сцеплением бетона и арматуры, так и перекрестной системой стрингеров, выполняющих одновременно роль внутренних анкеров.

РАСЧЕТНАЯ МОДЕЛЬ И МЕТОД РАСЧЕТА

В качестве расчетной использована пространственная конечно-элементная модель (рис. 3).

Использованы конечные элементы библиотеки программно-вычислительного комплекса «Лира 9.4»:

- КЭ-210 - физически нелинейный универсальный пространственный стержневой;

- КЭ-242 - физически нелинейный универсальный треугольный КЭ оболочки;

- КЭ-241 - физически нелинейный универсальный прямоугольный КЭ оболочки;

- КЭ-244 - физически нелинейный универсальный четырехугольный КЭ оболочки.

Свойства сталебетонного сечения заданы как для железобетона с листовым армированием. Применен ша-

Табл. 3

Комбинация Состав нагружений

I 1, 2, 3, 4, 5

II 1, 2, 3, 4, 6

III 1, 2, 3, 4, 7

IV 1, 2, 3, 4, 8

V 1, 2, 3, 4, 9

№ Конструктивный элемент М, т.м/м О, т/м М, т/м2 Щ мм

1 Палуба 110,1*) 136,8 -800 15,1

-444,5*) 92,3

2 Днище 46,4 184 -630

-38,3 299

3 Наружная стена 375,5 251 -554 -32

-265,3 -249 368,7 -20,5

По 90,5 -99,1 -827 17

4 Внутренняя X -276 360 4

стена По -1320

У 352

5 Стойка -435,2 73,8 3914 10

*) числитель - по X, знаменатель - по 7..

говый метод расчета, учитывающий изменение деформа-тивных свойств бетона и стали в процессе нагружения.

В процессе расчета все нагрузки (табл. 2) собраны в комбинации I - V (табл. 3) учитывающие одновременное действие совместимых нагрузок. Общее время расчета всех комбинаций - 649 мин.

По каждой из комбинаций нагружения получены результаты: моменты, перерезывающие силы, продольные силы и перемещения, позволяющие убедиться в достаточности и экономичности принятых конструктивных рещений. На рис. 5 представленны изополя моментов по одному из вариантов нагружения - от действия собственного веса. Эти результаты сведены в та

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.

Показать целиком