Конспект лекций Портовые сооружения
.pdf
101
Гравитационными называются сооружения, устойчивость которых на сдвиг и опрокидывание обеспечивается собственной массой самого сооружения и массой грунта засыпки, приходящегося на элементы конструкции.
Больверки образованы сплошным шпунтовым рядом и работают на устойчивость за счет защемления шпунта в грунте и анкерных устройств.
Сооружения с высоким свайным ростверком состоят из свайного основания (продольных и поперечных рядов свай) и верхнего строения (ростверка) из Ж/Б элементов. Их устойчивость обеспечивается за счет защемления свай в грунте.
Сооружения с низким свайным ростверком, т.е. сооружения в которых сваи не являются элементом основной конструкции причала, а служат только в качестве его основания, относятся к группе гравитационных сооружений.
По основному материалу причальные сооружения могут быть подразделены на:
1.Деревянные;
2.Бетонные;
3.Железобетонные;
4.Металлические;
5.Смешанные.
Данная классификация пояснения не требует.
При проектировании причальных сооружений приходится назначать следующие характерные
отметки (габаритные размеры по высоте):
1.Отметку кордона или верха причального сооружения;
2.Отметку дна у причала (глубина у причала);
3.Отметку верха подводной части сооружения. Кордон – наивысшая точка причального сооружения.
На определении отметок кордона и дна у причала мы подробно остановились в разделе
«Оградительные сооружения».
Отметка верха подводной части сооружения.
Причальные сооружения подразделяются на две части: А) подводная часть; Б) надводная часть.
Надводная часть возводится насухо и как бы омоноличивает все сооружение в единое целое. Надводная часть сооружается в целях наличия глубокой воды.
Обычно принимают, что верх подводной части должен возвышаться на 20-50 см. над строительным горизонтом.
За строительный горизонт в безливных морях принимается средний многолетний уровень (или средний уровень за 10 лет).
В приливных морях – средний приливный горизонт. В некоторых случаях, в приливных морях, где благодаря строгой регулярности изменения уровней, мы можем заранее предсказать изменение уровня с точностью до 5 – 10 см.
Строительный уровень в этом случае следует выбирать, исходя из длительности производства тех или иных операций ,,t” и графика колебаний уровня, выбирая при этом возможно более низкий горизонт. Конечно, в этом случае работа требует особой четкости и слаженности.
Силы и нагрузки, действующие на причальные сооружения.
Подразделяются:
1.Постоянные
2.Временные: - Длительно действующие;
-Кратковременно действующие;
-Особые.
Кпостоянным нагрузкам относятся:
- собственный вес сооружения;
102
-вес грунта на сооружении;
-вес постоянного технологического оборудования;
-давление грунта.
К временным нагрузкам относятся: Длительные нагрузки:
-вес складируемых грузов;
-нагрузки от перегрузочных и транспортных средств;
-давление грунта от грузов и от перегрузочных и транспортных средств;
-давление воды при понижении уровня перед сооружением. Кратковременные нагрузки:
-давление воды;
-давление льда;
-нагрузки от судов;
-горизонтальные нагрузки от кранов;
-нагрузки в строительный период. Особые нагрузки:
-давление воды на сооружение при понижении уровня перед ним в условиях выхода из строя 50 % дренажа;
-сейсмические.
При расчете сооружений используют сочетания нагрузок.
Основное сочетание нагрузок – все постоянные, все длительные и одна (две) кратковременные. Особое сочетание нагрузок – основное сочетание плюс одна особая нагрузка.
Давление грунта
С основными положениями теории давления сыпучих тел и основными методами определения давления грунта на подпорные сооружения вы знакомы из курсов «строительной механики» и «механики грунтов». Поэтому здесь мы познакомимся лишь с методами построения эпюр давления грунта применительно к ряду основных конкретных схем сооружений встречающихся при проектировании причальных сооружений. Рассмотрим одну из типовых схем.
Грунт за подпорным сооружением рассматривается как сыпучая среда. Под влиянием собственного веса грунт стремится сползти и занять положение наклонной поверхности под
углом естественного откоса, оказывая распорное давление на сооружение.
Встатическом состоянии в случае абсолютно жесткой конструкции стены и основания сыпучая среда оказывает на сооружение давление, которое называется давление покоя.
Вмомент сдвига стены грунт за стеной приходит в движение и сползает по некоторой поверхности ВС, которая называется поверхностью обрушения, а сползающий массив грунта АВСпризмой обрушения.
Давление, которое оказывает призма обрушения в момент ее сползания, называется активным давлением грунта на сооружение. При воздействии сооружения на грунт возникает его пассивное сопротивление.
Как известно, интенсивность давления грунта в любой точке по высоте равна весу столба грунта умноженному на коэффициент активного давления грунта (коэффициент бокового давления), т.е.
103
a h a , где
a tg 2 (45 / 2) - по методу Кулона
В причальных сооружениях даже однородный грунт за стеной имеет различные характеристики над и под водой. Изменяется объемный вес и может измениться угол внутреннего трения .
Все изменения характеристики грунта отражаются в эпюре активного давления. При изменении величины в эпюре в месте контакта различных слоев грунта появляется излом в сторону уменьшения
давления, если уменьшается, и в сторону увеличения, если увеличивается (прямая зависимость). При изменении величины в эпюре в месте контакта (раздела) возникает скачок в сторону
уменьшения давления, если увеличивается, и в сторону увеличения, если уменьшается (обратная зависимость).
Лекция №2 Нагрузка на причал от складируемых грузов. Морские порты.
Эксплуатационные нагрузки от грузов, складируемых на причале, принимают равномерно распределенными. В зависимости от рода грузов и назначения причалов эксплуатационные нагрузки разбиты на четыре категории:
О-с – для навалочных и насыпных грузов при складе, расположенном в непосредственной близости к причальной стенке; О-б – для навалочных и насыпных грузов при складе, расположенном вне зоны воздействия грузов на
причальное сооружение (склад в тылу); О-к – для контейнерных грузов;
О – для металлов, оборудования и других грузов при массе груза 10т и более; I – для тарно-штучных и лесных грузов;
II – для зерновых грузов и грузо-пассажирских операций;
III – для нефти, нефтепродуктов, химических, пищевых, наливных грузов и для причалов служебновспомогательного назначения.
Причал и примыкающая к причалу территория порта делятся на три зоны: прикордонную А+Б, переходную В и тыловую Г.
Прикордонная зона простирается от кордона причала до тыловой ночи крана плюс 2м. Протяженность переходной зоны равна 6м. Протяженность тыловой зоны не ограничивают.
Деление территории причала на зоны привязано к ширине колеи портального крана независимо от того, проектируется крановое оборудование причала или нет.
На каждую зону принимают определенную величину нагрузки, интенсивность которой зависит от типа грузов, складируемых на причале.
Величины эксплуатационных нагрузок (1т/м2=1кПа)
Категория |
Нагрузка |
от перегрузки и |
Нагрузка от складируемых грузов, т/м2 |
||||
|
транспортировки средств |
|
|
|
|
||
|
Краны и |
Ж/д |
Автом. |
Прикордонная |
Переходная |
Тыловая |
|
|
перегружа |
состав |
транспорт |
зона |
|
зона |
зона |
|
тели |
|
|
А (0,5q1) |
Б(q1) |
В (q2) |
Г( q3) |
О-с |
К-35 |
14 |
Н-30 |
2,0 |
4,0 |
12,0 |
20,0 |
О-б |
К-35 |
14 |
Н-30 |
0,75 |
1,5 |
2,0 |
2,0 |
О-к |
КП |
- |
КВ-70 |
2,0 |
4,0 |
6,0 |
10,0 |
|
|
|
(КВ-35) |
|
|
|
|
О |
К-35 |
14 |
Н-30 |
2,0 |
4,0 |
12,0 |
20,0 |
I |
К-35 |
14 |
Н-30 |
2,0 |
4,0 |
6,0 |
10,0 |
II |
К-25 |
14 |
Н-30 |
1,5 |
3,0 |
4,0 |
6,0 |
III |
- |
- |
Н-30 |
0,75 |
1,5 |
2,0 |
2,0 |
Для речных портов принимается нагрузка 4т/м2 если на причале есть кран и ж/д дорога и 2т/м2 если есть что-нибудь одно из них.
104
В морских портах крановая сосредоточенная нагрузка Рк заменяется эквивалентной qэ, распределенной на длину полушпалы (1,35м) подкранового пути. Учитывают крановую нагрузку qэ только от прикордонной ноги крана, принимая давление от тыловой ноги равным равномерно распределенному q1 (прикордонной зоны).
Давление грунта от складируемых грузов и перегрузочных средств. Влияние равномерно распределенной нагрузки.
Временная эксплуатационная нагрузка q1, q2, q3, расположенная на призме обрушения АВС увеличивает вес призмы, а следовательно и величину активного давления грунта Е, потому что Е зависит от веса призмы обрушения. При этом интенсивность активного давления грунта от действия равномерно распределенной нагрузки определяется по формуле:
σ∙qi=qi∙λa
Нагрузки от воздействия судов.
Нагрузки от воздействия судов на причальные сооружения в процессе их эксплуатации подразделяются на:
1. Нагрузки при стоянке судна
-от навала пришвартованного судна под действием ветра или течения, прижимающего судно к причалу;
-от натяжения швартовов под действием ветра или течения, отжимающего судно от причала (противоположно навалу).
2. Нагрузки при подходе судна к причалу
-от навала (удара) судна в момент контакта судна с сооружением и гашения им энергии движения судна при швартовке.
Нагрузки от ветрового навала, течения и волн.
1. Поперечная (перпендикулярная линии кордона) составляющая нагрузки от ветра на судно определяется по формуле:
Wq=73,6∙10-5∙Aq∙Vq2∙ζ , кН
Aq – боковая надводная площадь парусности, м2
Aq=(0,08÷0,13)∙ Lc2
Lc – длина судна, м
Vq – поперечная составляющая скорость ветра, м/с (р=2%) ζ=f(Lc) – коэффициент
Wn – значительно меньше Wq
2.Поперечная составляющая нагрузка от воздействия течения на судно определяется по формуле:
Qw=0,59∙Ae∙Vt2 , кН
Ae – боковая подводная площадь парусности, м2
Vt – поперечная составляющая скорости течения, м/с (р=2%)
3.Поперечная составляющая нагрузки от волн:
Q=æ∙γ1∙γB∙h∙Ae
105
d s |
|||
æ |
|
- коэффициент |
|
|
|||
|
|
||
ds – осадка судна
L
1f c - коэффициент
В – объемный вес воды
h – высота волны 5% обеспеченности
Ae – боковая подводная площадь парусности, м2
Полная величина поперечной горизонтальной составляющей давления судна от действия ветра Wq передается через отбойные устройства на причал не по всей длине судна Lc, а только по длине прямолинейной части длины корпуса судна (прямолинейной вставки lB), то есть по длине контакта судна с причалом.
В зависимости от конструкции причала навал судна принимается в расчет в виде распределенной или сосредоточенной нагрузок. Рассмотрим характерные случаи.
1. Длина причала Ln больше или равна длине прямолинейной вставки судна lB |
(L |
n |
≥l |
B) |
Нагрузку от навала судна рассматриваем как распределенную по длине соприкосновения корпуса судна с причалом. Длина соприкосновения в этом судна в этом случае равна длина lB.
Интенсивность равномерно распределенной нагрузки от навала судна: pн 1.1lВWq , кн / м
1,1 – коэффициент, учитывающий эксцентричность действия ветра (Wq) по отношению к середине lВ lВ – длина цилиндрической прямолинейной вставки.
lВ≈0,65 Lc – для всех судов кроме пассажирских, для которых lВ≈0,5 Lc.
2. Длина причала Ln меньше длины прямолинейной вставки lВ (Ln <lB)
Интенсивность распределенной нагрузки:
p 1.1Wq , кн / м
н Ln
3. Нагрузка от навала судна на отдельно стоящие палы.
При расчете пала на навал судна следует учитывать его упругую податливость, так как вся величина давления судна от действия ветра распределяется не на длину причала, а на = Величину силы от навала судна, приходящегося на один пал, определяют по формуле:
p п 1.3 Wq , кн
н nn
1,3 – коэффициент неравномерности распределения нагрузок между палами nп – количество пал, приходящихся на прямолинейную вставку корпуса судна.
В общем виде при действии ветра, течения и волн в числителе всех формул необходимо подставлять не
Wq, а θtot:
θtot =Wq+ θw +θ
Нагрузки от натяжения швартовов.
Швартовая нагрузка приложена к швартовным тумбам в виде сосредоточенных сил и направлена по швартовому тросу вверх в сторону от тумбы. Но в расчетах учитывается не величина швартовного усилия, действующего на тумбу через трос S, а его составляющие: Sq – поперечная (горизонтальная, нормальная к кордону), Sv – вертикальная и Sn – продольная (тангенциальная, действующая вдоль линии кордона на одну тумбу). Точка приложения S и его составляющих принимается на 0,3 – 0,4 м выше отметки поверхности кордона.
Поперечную (нормальную к кордону) составляющую швартовного усилия, действующую на одну тумбу Sq, определяется по формуле:
Sq Qtot
n
106
θtot – суммарная поперечная нагрузка на судно от ветра и течения
θtot =Wq+ θw
n – число работающих тумб; n=f(Lc), равно 2, 4, 6, 8 через 20 – 30 м.
Полное швартовое усилие Sи его составляющие вертикальная Sv и продольная Sn легко определяется из треугольников:
α,β– углы наклона швартова, град α =30°; β =20° - судно в грузу, β =40° - судно порожнем (для морских портов).
Нагрузка от навала судна при подходе к причалу.
Нагрузка от навала судна обуславливается тем, что в момент контакта с причальным сооружением судно еще обладает некоторой непогашенной скоростью.
Величина нагрузки от навала судна зависит от величины энергии, которую имеет судно в момент контакта с сооружением, амортизирующих свойств отбойного устройства, упругих свойств сооружения
иупругих характеристик корпуса судна. Чем больше величина упругих свойств всей системы, тем большую величину энергии судна она может поглотить без остаточных деформаций сооружения и судна.
Определение фактической величины навала аналитическим методом сложно не только потому, что необходимо определить величину упругих деформаций всей системы, но и потому, что часть энергии движения судна (в момент контакта с причалом) затрачивается на перемещение массы воды, присоединенной к корпусу судна (присоединенной массы), поворот судна от внецентренности приложения нагрузки, крен судна и другие процессы сопутствующие навалу судна.
На основании обработки экспериментальных данных составлены различные графики и таблицы, по которым можно определить величину навала по вычисленному значению энергии навала судна на причальное сооружение.
Метод определения величины навала по графикам нашел широкое применение в проектировании
ивведен с СНиП.
Величину (кинетической) энергии навала судна Eq при подходе к причалу, затрачиваемую на деформацию отбойных устройств, причального сооружения и корпус судна определяется по формуле:
, кДж
D – водоизмещение судна в полном грузу, т
V- скорость подхода судна, направленная нормально к линии кордона, м/с
Vдопуск=0,08÷0,22м/с
ψ – коэффициент, учитывающий внецентренность приложения нагрузки от навала судна, влияние присоединенной массы воды и другие потери энергии при навале; ψ =0,5-0,65 в зависимости от конструкции причала.
Лекция № 3 Причальные сооружения гравитационного типа.
Причальные сооружения гравитационного типа являются наиболее капитальными и, пожалуй, наиболее долговечными сооружениями.
Примером классического причального сооружения гравитационного типа является набережная – стенка приведенная на рисунке.
107
Как видно из рисунка набережная стенка состоит в подводной части из кладки массивов, в надводной – из монолитной бетонной стенки. В продольном направлении стенка разрезана температурно-осадочными швами на секции длиной 25м. Стенка расположена на каменной постели. В связи с тем, что давление в каменной наброске распределяется под углом 45 , постель должна выходить за пределы сооружения минимум на толщину постели. Для лучшего выравнивания напряжений в основании стенки нижний курс массивов иногда делается выступающая вперед. Однако, этот выступ не должен выходить за вертикальную линию, проведенную через лицевую грань отбойных приспособлений, с тем чтобы он не мешал швартовке судов.
За стенкой произведена отсыпка каменной призмы, что делается для уменьшения активного давления грунта и предотвращения высачивания грунта через зазоры между массивами. Поверх призмы устраивается обратный фильтр толщиной не менее 0.7 м, который предохраняет призму от просачивания в нее песчаной засыпки. Просачивание засыпки ведет к просадке портовой территории.
Надводная часть выполнена в виде сплошной бетонной надстройки, застроенной на месте. Внутри надстройки устроена продольная галерея для промпроводок (электроснабжение,
водоснабжение и т.д.). Галерея через 10-20 м имеет выходы, устраиваемые в виде колодцев. К надстройке крепятся швартовные тумбы, устанавливаемые вдоль причала на расстоянии 20-25 м (обычно по одной тумбе на секцию).
В местах установки тумб надстройку обычно делают усиленного профиля, т.к. в этих местах на нее передаются значительные швартовные усилия. Усиленный профиль образует так называемый тумбовый массив.
Вдоль причальной линии обычно укладываются железнодорожные и подкрановые пути. Железнодорожные пути укладываются по балластному слою, расположенному на естественном
основании. Подкрановые пути в зависимости от условий могут располагаться как на естественном так и на искусственных основаниях.
Вдоль одного из подкрановых путей, для подачи энергии крановым механизмам устраивается троллейный канал.
Территория порта, примыкающая к причальному сооружению должна быть снабжена усовершенствованным покрытием (асфальт, бетон) и должен представлять из себя гладкую поверхность позволяющую транспортным и перегрузочным механизмам передвижение во всех направлениях. Железнодорожные и подкрановые рельсы должны быть втопленными.
Классификация причальных сооружений.
По конструктивным особенностям причальные сооружения гравитационного типа могут быть подразделены на следующие группы:
108
1.Сооружения из кладки бетонных массивов
-обыкновенных
-пустотелых
-фасонных
2.Сооружения из массивов-гигантов
3.Сооружения из ряжей (деревянных и Ж/Б)
4.Сооружения уголкового типа
-монолитные
-с внутренним анкером
-с внешним анкером
-контрфорсные
5.Сооружение из оболочек большого диаметра
6.Сооружения на отдельных опорах.
1.Сооружения из кладки бетонных массивов.
Впрактике мирового портостроения применялись набережные стенки следующих основных типов: трапецеидального профиля, опрокинутого профиля, «на ступе», из пустотелых массивов, системы Равье.
109
2.Сооружения из кладки обыкновенных массивов.
Пример стенки из правильной кладки обыкновенных массивов приведен ранее
(трапецеидального профиля). Подобные конструкции широко применялись начиная со второй половины 19 века (до этого применялись монолитные конструкции, возводимые за перемычками, в настоящее время почти не применяются). Вес применяемых массивов зависит от имеющегося кранового оборудования и принимался обычно равным 40-60 т.
Недостатком указанных набережных является большой объем бетона и значительная неравномерность напряжений в основании стенок, ведущая к неравномерности их осадок. Во избежание их наклона в сторону гавани при строительстве им придается обратный уклон. По окончании строительства и огрузки набережной в результате неравномерной осадки набережная выравнивалась и становилась вертикально.
Идея выравнивания напряжений и уменьшения распора засыпки нашла воплощение в массивной стенке облегченного профиля с разгружающей консолью, предложенной институтом
«Собзморниипроект». (типовые проекты глубин 13.0; 11.5; 9.75; 8.25; 7.25; 6.5; 4.5 м).
Каменную призму отсыпают так, чтобы через ее тело проходила плоскость обрушения, тогда она будет разгрузочной, уменьшающей величину активного давления. Действие каменной призмы на сооружение принимают от верха призмы до основания, но с учетом ограниченного простирания камня. В пределах контакта каменной призмы с тыловой гранью сооружения ординаты эпюры вычисляем в предположении бесконечного простирания камня, т.е. обычным способом, а затем определяют ординаты дополнительной эпюры от пригрузки камня грунтом, действующим на откос каменной призмы.
В приведенной конструкции выравнивание напряжений в основании стенки достигается уменьшением бокового давления грунта за счет влияния разгружающей консоли (тылового свеса верхнего курса массивов) и за счет обратного положительного момента создаваемого массой грунта над свесом (силой G) и массой самого свеса.
Очертание нижних трех курсов массивов, а также смещение нижнего курса массива влево ( сторону акватории) имеют целью переместить центр тяжести стенки вправо (в сторону территории) с целью увеличения удерживающего, положительного момента. Масса массивов в стенке достигает 100 т. Чтобы судно не задевало нижний массив при швартовке необходимо, чтобы последний располагался на одной прямой с верхней плоскостью причала. Зазор 0.4 м необходим на навеску отбойных устройств.
110
3.Сооружение из кладки пустотелых массивов.
В1960 г. В городе Клайнеде был построен причал гравитационного типа из пустотелых массивов с песчаным заполнителем. По очертанию массивов нижнего курса сооружение получило название стенка «на стуле».
В этой стенке нижний ряд массивов выдвинут вперед: при таком очертании центр тяжести сооружения перемещается в сторону задней грани, благодаря чему осуществляется выравнивание напряжений по подошве.
Черноморниипроектом разработана конструкция стенки из пустотелых массивов в форме бездонных коробов. Масса массивов – 100 т.
Внутреннее пространство массивов заполняется щебнем или камнем массой 15-20 кг.
1.Отсутствует перевязки швов в продольном направлении (стенка представляет из себя отдельные
столбы);
2.Массивы выполнены из бетона (ЖБ – отсутствует) вследствие чего при монтаже могут ломаться;
3.Внутренние пространства массивов заполняется щебнем или камнем (дорого). При песке внутри массива развивается значительное боковое давление.
4.Сооружения из массивов-гигантов.
Стремление увеличить отдельные элементы набережной и тем самым ее монолитность при одновременном снижении расхода бетона, при отсутствии кранового оборудования большой грузоподъемности, привело к созданию подводной части набережных в виде массивов-гигантов.