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 ^
-ь
,-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.