Особие по проектированию отдельно стоящих опор и эстакад под технологические трубопроводы (к снип 2.09.03-85)

для схемы рис. 7, б Р_х2=0,2·0,3·42·1,1(2,2+0,05)=6,2 кН; Р_х1=0,2·0,3·42·1,1(0,4+0,08)=1,3 кН;

для схемы рис. 7, в Р_х1=0,2·0,3·42·1,1·0,5(0,4 +0,08)=0,7 кН; Р_х2=Р_х3= =Р_х4=0,2·0,3·42·1,1·0,5(2,2 + 0,05)=3,1 кН; Р_х5=Р_х6=0,2·0,3·42·1,1·0,5(1 +0,55)= =2,1 кН; Р_х7=0,2·0,3·42·1,1·0,5(0,8 + 0,32)=1,6 кН.

Максимальная опорная реакция от расчетных горизонтальных технологических нагрузок (схема рис. 7, б) -R_B·2,4+0,1·3,2+1·2,77+1,3·1,9+1,6·1,03+0,9·0,38-0,8·0,19-0,2·0,73+1,3·3,2+6,2´2,77=0;

R_B =11,9 кН. От действия указанных выше нагрузок производится определение моментов и поперечных сил в траверсе. Так как опорная реакция от горизонтальной технологической нагрузки менее указанной выше реакции, вычисленной для промежуточной опоры (см. пример 1) 11,9<13 кН, то расчет наиболее нагруженной колонны и фундамента производится на действие горизонтальной технологической нагрузки Р_х=13 кН. Расчетная схема и схема нагрузок колонн показана на рис. 8.

Рис. 8 Расчетная схема колонны анкерной опоры

Пример 3. Рассчитать стальное пролетное строение двухъярусной эстакады комбинированной конструкции, представленной на рис. 9. Шаг траверс 6 м, шаг железобетонных опор 18 м. Размер температурного блока L= 18·6 +6 +6=120 м. Высота от планировочной отметки до нижнего яруса 6,6 м. Нормативная вертикальная нагрузка на эстакаду при отсутствии уточненной раскладки трубопроводов qⁿ =20 кН/м. Нормативная ветровая нагрузка qⁿ_u =660 Па. Коэффициент надежности по назначению g_n=0,95.

Рис. 9 Схема эстакады

1 - надколонники; 2 - траверсы; 3 - консоль фермы; 4 - вертикальные фермы; 5 - промежуточная железобетонная опора; 6 - ось температурного блока; 7 - связевая ферма; 8 - планировочная отметка земли

РЕШЕНИЕ

Расчет рядовой траверсы

Распределение нормативной вертикальной нагрузки от трубопроводов по ярусам эстакады:

для верхнего яруса - 0,6qⁿ=0,6·20=12 кН/м;

для нижнего яруса - 0,4qⁿ=0,4·20=8 кН/м.

Расчетное значение интенсивности вертикальной нагрузки на единицу длины траверсы при шаге траверс а=6 м и длине траверсы b=6 м. Р=1,1 qⁿa/b=1,1·12·6/6=13,2 кН/м, где 1,1 - коэффициент надежности по нагрузке.

Расчетное значение интенсивности вертикальной нагрузки на нижний ярус траверсы Р=1,1·8·6/6=8,8 кН/м.

Расчетные схемы и схемы нагрузок для траверсы верхнего яруса показаны на рис. 10.

Рис. 10 К расчету рядовой траверсы эстакады на вертикальные нагрузки

а - консолей; б - пролета

Определяем расчетные усилия в траверсе верхнего яруса.

Максимальные моменты и поперечные силы на опоре (рис. 10, а) и в пролете (рис. 10, б) траверсы от вертикальной нагрузки: М₀=15,8·1,2²/2=11,4 кН·м; Q₀=15,8·1,2=19 кН; М_р=13,2·3,6²/8=21,4 кН·м; Q_р =13,2·3,6²/2=23,8 кН.

Максимальные моменты и поперечные силы на опоре (рис. 11, а) и в пролете (рис. 11, б) траверсы от горизонтальной нагрузки: М_х0=4·1,2²/2=2,9 кН·м; Q_x0 =4·1,2=4,8 кН; М_хр=2·3,6²/8=3,2 кН·м; Q_xр =2·3,6/2=3,6 кН.

Рис. 11 К расчету рядовой траверсы на горизонтальные нагрузки

а - консолей; б - пролета

Принимаем сечение траверсы из гнутого замкнутого профиля Гн ÿ 140C4 по ТУ 36-2287¾80 из стали марки 14 Г2-6.

Максимальные крутящие моменты на опоре и в пролете от горизонтальной нагрузки при высоте траверсы 140 мм: Т₀=4·1,2·0,14/2=0,3 кН; Т_р= =2·3,6·0,14/4=0,3 кН·м.

Расчет сечения траверсы на прочность производится, как изгибаемого элемента в двух главных плоскостях на действие моментов: М=21,4 кН·м и М_х=3,2 кН·м.

На действие максимальной поперечной силы Q=23,8 кН и крутящего момента Т=0,3 кН·м производится проверка сечения на сдвиг от суммарных касательных напряжений. От действия нормативной вертикальной нагрузки Pⁿ =P/1,1=13,2/1,1=12 кН/м в пролете и Pⁿ =15,8/1,1=14,4 кН/м на опоре производится проверка прогибов траверсы.

Аналогично рассчитываются траверсы с неподвижным опиранием трубопроводов и траверсы нижнего яруса.

Расчет связевой фермы

Связевые фермы запроектированы по верхнему и нижнему ярусам эстакады (рис. 12). Пояса связевой фермы являются поясами двух вертикальных ферм пролетного строения. Элементы решетки связевой фермы С3 служат для уменьшения расчетных длин поясов вертикальных ферм и их работа не учитывается. Элементы С4 являются траверсами пролетного строения, элементы С1, С2 и С3 выполнены из одиночных уголковых профилей стали марки ВСт.3кп.2. Расчет связевой фермы выполнен как разрезной фермы. Работа сжатых раскосов фермы (на рис. 12, а показаны пунктиром) не учитывается.

Рис. 12 К расчету связевой фермы

а - расчетная схема фермы; б - схема ветровой нагрузки; в - поперечное сечение раскоса; 1 - траверса

Расчетная ветровая нагрузка на эстакаду для верхнего и нижнего ярусов при коэффициенте надежности по нагрузке 1,4, высоте ветровой полосы а=0,7 м, b=1 м, h=3,14 м и нормативной ветровой нагрузке qⁿ_w =600 Па будет q_h =0,66·1,4(1+3,14/2)=2,4 кН/м; q_u =0,66·1,4(0,7 +3,14/2)=2,1 кН/м.

Сосредоточенная ветровая нагрузка, передающаяся на траверсы верхнего и нижнего ярусов: W_h =2·4·6=14,4 кН; W_u =2,1·6=12,6 кН.

Опорные реакции ферм R_h =14,4+14,4/2=21,6 кН; R_u =12,6+12,6/2=18,9 кН.

Усилия в стержнях связевых ферм от ветровой нагрузки для верхнего и нижнего ярусов приведены в табл. 3.

Таблица 3

Усилия в стержнях связевых ферм, кН

верхнего яруса

нижнего яруса

О₁

О₂

О₁^/

О₂^/

С₁

С₂

С₄

U₁

U₂

U₁

U₂

С₁

С₂

С₄

+23

±23

0

23

27

0

-14

±20

±20

0

±20

24

0

-12

По расчетным продольным силам, приведенным в табл. 3, производится расчет стержней С₁ и С₂ на прочность и устойчивость.

Расчетные длины стержней м.

Подбор сечений стержней С₃ производится по предельной гибкости l=200.

Расчетная длина стержня С₃: l_x =l_y =3,6 м.

Расчет вертикальной фермы промежуточного пролета

Расчет фермы производится для наиболее нагруженного пролета, расположенного в середине температурного блока.

Расчетная схема фермы показана на рис. 13.

Рис. 13 К расчету вертикальной фермы

а - расчетная схемы фермы; б - сечение элементов

Расчетные вертикальные нагрузки на одну ферму для верхнего и нижнего поясов: Р₁=0,6·aq=0,6·0,6·20·1,1+0,6·1,3·1,05=8,8 кН/м; Р₂=0,4·aq=0,4·0,6·20·1,1+0,4·1,3·1,05=5,8 кН/м, где a=0,6 - коэффициент распределения вертикальной нагрузки по поперечному сечению, трассы; 1,3 кН/м - нагрузка от собственного веса фермы, связей, траверсы; 1,05 - коэффициент надежности по нагрузке.

Расчетные узловые нагрузки Р₁=р₁а=8,8·6=53 кН; Р₂=р₂а=5,8·6=35 кН.

За счет неразрезности пролетного строения ферм на опоре промежуточного пролета от вертикальной нагрузки возникает момент М₀=2(Р₁ +Р₂)L/9=2(53+35)18/9=352 кН·м.

Разлагая момент М₀ на пару сил, имеем Р₃= М₀/Н=352/3=117 кН.

От сил трения трубопроводов верхних и нижних ярусов в поясах наиболее нагруженной фермы возникают усилия: Р₄=±gqL_i·0,6=0,09·20·1,1·57·0,6=±68 кН; Р₅=±gqL_i·0,4=0,09·20·1,1·57·0,4=±45 кН, где L_i =120/2-3=57 м - расстояние от середины температурного блока до ближайшего конца эстакады; q=20·1,1 - расчетная нагрузка на 1 м длины трассы; g - коэффициент распределения горизонтальной нагрузки между фермами; 0,6 и 0,4 - коэффициенты распределения вертикальной нагрузки между ярусами эстакады.

При отсутствии в температурном блоке эстакады анкерной опоры на пояса ферм будет передаваться расчетная горизонтальная технологическая нагрузка, приходящая на блок эстакады:

P_xb =1,1·2·qⁿ =1,1·2·20=44 кН;

на верхний пояс P₄^'=0,6·0,5·a· P_xb =0,6·0,5·0,6·44= 8 кН;

на нижний пояс P₅^"=0,4·0,5·a· P_xb =0,4·0,5·0,6·44= 6 кН;

где 0,6 и 0,8 - коэффициенты распределения нагрузки по ярусам;

0,5 - коэффициент распределения нагрузки на ферму;

a - коэффициент распределения нагрузки по поперечному сечению.

Результаты определения усилий в стержнях фермы приведены в табл. 4.

Таблица 4

Усилие,

Элементы

кН

О₁

О₂

О₃

U₁

U₂

U₃

D₁

D₂

D₃

V₁

V₂

V₃

От вертикальной нагрузки:

Р₁ и Р₂

-176

-176

-88

-176

88

0

124

124

0

-88

-53

0

Р₃

+117

+117

+117

-117

-117

-117

0

0

0

0

0

0

От ветровой нагрузки

±23

±23

±23

±20

±20

±20

0

0

0

0

0

0

От трения трубопроводов

±64

±64

±64

±45

±45

±45

0

0

0

0

0

0

От технологической нагрузки

±8

±8

±8

±6

±6

±6

0

0

0

0

0

0

Расчетная комбинация усилий

-154

-154

-66, 124

130

-100

-188

124

124

0

-88

-53

0

По расчетным продольным силам, приведенным в табл. 4, производится расчет стержней фермы на прочность и устойчивость.

Расчетные длины стержней:

верхнего и нижнего поясов l_x =l_y =l= 300 см;

опорного раскоса D₁ см.

Раскосы в плоскости фермы l_y =0,9l=0,9·424=382 см и из плоскости фермы l_x =l=424 см

Стойки решетки в плоскости фермы l_y =0,9l=0,9·300=270 см и из плоскости фермы l_y =l=300 см.

Расчет надколонника

Надколонники выполняются в виде рамы с жесткими сопряжениями траверс со стойками. Стойки рам шарнирно опираются на железобетонные колонны.

Рис. 14 Расчетная схема подколонника

Расчетная схема рамы приведена на рис. 14. Определяем расчетные нагрузки. Равномерно распределенная нагрузка на траверсу верхнего яруса:

для консолей 1,2р_u=1,2·13,2=15,8 кН/м;

для пролета р_u=13,2 кН/м.

Равномерно распределенная нагрузка на траверсу нижнего яруса:

для консолей 1,2р_n=1,2·8,8=10,7 кН/м;

для пролета р_n=8,8 кН/м, где р_u=13,2 кН/м и р_n=8,8 кН/м - расчетная нагрузка на траверсы верхнего и нижнего ярусов (см. расчет рядовой траверсы).

Вертикальные реакции пролетных строений от расчетной нагрузки R₁= =aqⁿL·1,1+G·1,05=0,6·20·18·1,1+17,8·1,05=257 кН; R₂=(1-a)qⁿL·1,1+G·1,05= =0,4·20·18·1,1+17,8·1,1=178 кН, где a=0,6 - коэффициент распределения вертикальной нагрузки между фермами яруса при 10<qⁿ=20<30 кН; L=18 м - пролет фермы; G=17,8 кН - нагрузка от собственного веса металлоконструкций. Сосредоточенная ветровая нагрузка на верхний и нижний ярусы (см. расчет связевой фермы): W_h =q_h L=2,4·18=±43 кН; W_u =q_u L=2,1·18=±38 кН.

Расчетная нагрузка от каждого поперечного ответвления трубопроводов эстакады на опору: P_h =0,6qⁿ·1,1=0,6·20·1,1=±13 кН; P_u = 0,4qⁿ·1,1=0,4·20·1,1=±9 кН.

Результаты статического расчета приведены на рис. 15. Сечение элементов надколонников выполнено из широкополочных двутавров 26Ш I по ТУ 14-2-24-72.

Расчет ригеля производится на прочность как внецентренно сжатого элемента от изгибающих моментов: М_х=73 кН·м, М_у=1,9 кН·м и нормальной силы N=21 кН с проверкой на сдвиг от максимальной поперечной силы Q=52 кН.

На действие изгибающего момента М_х=47 кН·м и нормальной силы N=330 кН сечение стойки рамы рассчитывается на прочность и устойчивость в плоскости и из плоскости действия момента.

Расчетная длина стойки надколонника в плоскости рамы n=l_cI_s/2I_cl_s= =300·6280/2·6280·360=0,42, где I_s =I_c =6280 см⁴ - моменты инерции верхнего ригеля и стойки, l_s =360 см - длина верхнего ригеля, l_c =300 см - длина стойки. P= l_cI_c/2I_cl_i =300·6280/2·6280·360=0,42, где I_i =6280 см⁴ - момент инерции нижнего ригеля, l_i =360 см - длина нижнего ригеля,

Для стоек двухэтажных рам расчетная длина l=0,9 mh=0,9·1,68·300=450см.

Расчетная длина стойки из плоскости рамы принимается равной расстоянию между узлами закрепления в продольном направлении l_x =350 см.

Рис. 15 Эпюры изгибающих моментов М; поперечных сил Q; продольных сил N в надколоннике

Пример 4. Рассчитать железобетонную опору промежуточного температурного блока двухъярусной эстакады по данным, приведенным в примере 3. Конструкция эстакады представлена на рис. 9. На каждой опоре имеется поперечное ответвление трубопроводов. Нормативное значение температуры наружного воздуха в теплое t_n^'=26 °C и холодное t_n^x= -32 °C время года. Начальный модуль упругости бетона колонн E_b =24000 МПа.

РЕШЕНИЕ

Расчет производится для наиболее нагруженной промежуточной опоры, расположенной на расстоянии 21 м от конца температурного блока.

Расчетная вертикальная нагрузка на колонну от вертикальной нагрузки на эстакаду qⁿ =20 кН/м.

P_x =1,1qⁿaZ=1,1·20·0,6·18=238 кН,

где a=0,6 - коэффициент распределения вертикальной нагрузки по поперечному сечению трассы.

Расчетная нагрузка от собственного веса пролетного строения Р_р=1,1·20=22 кН.

Расчетная нагрузка от собственного веса колонны P_k =1,1·0,4·0,5·6·25=33 кН.

Расчетная горизонтальная технологическая нагрузка на эстакаду вдоль трассы P_xb =1,1·2qⁿ =1,1·2·20=44 кН.