Страница 13: ВСН 176-78. . Инструкция по проектированию и постройке металлических гофрированных водопропускных труб (41732)

k' - коэффициент гибкости, принимаемый по табл. 1 в зависимости от геометрического параметра и модуля деформации грунта засыпки Егр.

Таблица 1

3. Определение предельных деформаций поперечного сечения трубы

Предельное относительное увеличение горизонтального диаметра трубы ΔD'пред (в %), отвечающее моменту предельного статического равновесия рассчитываемой системы, определяют по формуле

,

где qпред = 1,1qp - нормативная несущая способность трубы, кгс/см2;

Е = 2,1∙106 кгс/см2 - модуль упругости стали;

I - момент инерции продольного сечения стенки на единицу длины трубы, см4/см.

Если подсчитанная деформация ΔD'пред (в см) не удовлетворяет уcловию

, см,

то ее значение уточняют, определяя по формуле

, %,

где Mпл = Wплσт - изгибающий момент в стенке трубы, соответствующий образованию пластического шарнира, кгс∙см/см;

Wпл - пластический момент сопротивления продольного сечения стенки на единицу длины трубы, см3/см (значения Wпл гофрированного листа 130×32,5 мм приведены в табл. 2);

σт - предел текучести: 2400 кгс/см2 для медистой стали 15сп и 3100 кгс/см2 для стали 09Г2Д.

По этим же формулам может быть вычислена деформация горизонтального диаметра для любой величины (но не более qпред) действующей на трубу нагрузки.

Предельное относительное уменьшение вертикального диаметра ΔDпред определяют через деформацию горизонтального диаметра

.

Значения предельных деформаций поперечного сечения трубы, соответствующие моменту предельного статического равновесия рассчитываемой системы, определяют в целях использования их в дальнейшем для оценки состояния построенного сооружения в эксплуатационных условиях.

Таблица 2

4. Расчет стыковых соединений

Расчет продольных стыков внахлестку с соединениями на обычных (невысокопрочных) болтах нормальной точности основан на предположении, что все сдвигающие усилия в стыке воспринимаются болтами.

Трение по контактным поверхностям соединяемых элементов не учитывается.

Расчет болтовых соединений продольных стыков производится на суммарные сдвигающие усилия от действия осевой сжимающей силы и изгибающего момента, соответствующего образованию пластического шарнира в стенке трубы.

Расчет ведется в предположении, что усилия между всеми болтами соединения распределяются равномерно.

Расчетное сдвигающее усилие на один болт S определяется по формуле

,

где n - число болтов в соединении на единицу длины трубы;

- расчетное осевое сжимающее усилие на единицу длины стенки трубы.

Здесь q - расчетная интенсивность равномерно распределенного по периметру поперечного сечения трубы нормального давления грунта засыпки, принимаемая равной расчетной интенсивности вертикального давления на трубу от суммарного воздействия собственного веса грунта насыпи и временной нагрузки;

а = 1,2 - коэффициент, учитывающий увеличение сдвигающего усилия в соединении от действия изгибающего момента.

Прочность болтового соединения проверяется по формулам:

при расчете на смятие кромок отверстий в соединяемых элементах

;

при расчете на срез болтов

,

где δ - толщина листа стыкуемых элементов;

d - номинальный диаметр болта;

m2 - коэффициент условий работы соединения; для стыков со специальными шайбами (см. п. 4.42) m2 = 1,3 при расчете на смятие и m2 = 0,9 при расчете на срез;

Rсм, Rср - расчетные сопротивления для болтового соединения при работе кромок стыкуемых элементов на смятие и болта на срез (см. п. 2.4).

5. Ограничение гибкости трубы по требованиям транспортирования и установки конструкции

Для предупреждения чрезмерных деформаций гибкой стальной трубы в процессе ее возведения от воздействия на конструкцию грузоподъемных машин, монтажных механизмов и приспособлений, собственного веса самой конструкции, вспомогательных обустройств (настилов, подвесных подмостей) и т.п. должно

см/кгс.

6. Расчет осадок труб и назначение строительного подъема

Расчет осадок труб для точек под осью насыпи следует производить по графику (рис. 1), определяя расчетную осадку Sp по формуле

,

где Sт - осадка основания при модуле деформации грунта Е = 100 кгс/см2 (см. рис. 1).

Исходными параметрами для расчета осадок должны быть: модуль деформации, объемная масса грунта и мощность геологических слоев в основании, высота насыпи.

Осадка труб на многослойном основании рассчитывается путем суммирования осадок в пределах каждого слоя.

Расчетную осадку Sp под осью насыпи следует сравнить с предельно допустимой осадкой Sд, определяемой по формуле

Sд = 0,5Sp + 0,75iL,

где iL - разница отметок лотка трубы на входе и выходе (i - уклон, L - длина трубы).

Примечание. Формула применима для уклонов труб до 0,05, предусмотренных в п. 1.7 настоящей Инструкции.

В случае, если расчетная осадка превышает величину Sд, необходимо принять меры по изменению проектного решения, в первую очередь рассматривая варианты увеличения уклона лотка трубы или толщины подушки, либо переходить к другой конструкции водопропускного сооружения.

Строительный подъем назначают, определяя ординату под осью насыпи по формуле

Δ = Sp - 0,25iL,

которая не должна превышать величины 0,5 (Sp + iL).

Рис. 1. Расчетный график для определения осадок труб:

Sт - осадка основания при модуле деформации грунта 100 кгс/см2; H - высота насыпи; Z - расстояние от нижней границы рассматриваемого слоя до поверхности основания; 1 - при однородном основании и γ = 1 т/м3; 2 - то же при γ = 1,7 т/м3; 3 - при неоднородном основании и Z = 2÷18 м

Пример. Исходные данные: труба - D = 1,5 м; L = 46,4 м; i = 0,005; насыпь - b = 3,2 м; H = 10 м; 1 : m = 1 : 2; B = 23,2 м; γ = 1,9 т/м3; основание - среднее γ0 = 1,7 т/м3; слой I - Hсл = 4 м, E1 = 60 кгс/см2; слой II - Hсл = 7 м; E2 = 100 кгс/см2; слой III с глубины 11 м - Е3 = 150 кгс/м2 (рис. 2).

Решение. 1. Считая основание однородным с Е = 150 кгс/см2 и пользуясь графиком (см. рис. 1, кривая 2), по H = 10 м при γ0 = 1,7 т/м3 находят осадку основания под осью пути при Е = 100 кгс/см2 Sт''' =17,4 см, тогда осадка при Е = 150 кгс/см2 см.

Рис. 2. Исходные данные к примеру расчета (размеры в метрах)

2. Для слоя мощностью Z2 = 11 м при Е = 100 кгс/см2 определяют величину дополнительной осадки (в связи с меньшим модулем деформации)

см.

Значение Sт'' = 12,4 получают по графику для H = 10 м и Z2 =11 м (см рис. 1, кривые семейства 3).

3. Для верхнего слоя мощностью 4 м с E1 = 60 кг/см2 определяют

см.

Значение Sт' = 4,4 см получают по графику для H = 10 м и Z1 = 4 м (кривые семейства 3).

4. Суммируя, находят расчетную осадку:

Sр = S3 + ΔS2 + ΔS1 = 11,6 + 4,l + 2,9 = 18,6 см.

5. По известным Sр = 18,6 см и iL = 23 см находят значение предельно допустимой осадки Sд = 0,5∙18,6 + 0,75∙23 = 26,5 см.

6. По тем же данным определяют ординату строительного подъема Δ = 18,6 - 0,25∙23 = 12,8 см, что в пределах допустимого значения, равного 0,5 (Sp + iL) = 0,5 (18,6 + 23) = 20,8 см.

Вывод. Осадки трубы не превысят предельно допустимых. Трубу следует проектировать со строительным подъемом, ордината которого под осью насыпи должна быть не менее 13 см и не более 21 см.

7. Расчет осадок труб на оттаивающих грунтах

Осадку труб Sp на оттаивающих грунтах рассчитывают по формуле

Sp = Sп + Sдоп,

где Sп - осадка предварительно оттаявшего слоя грунта толщиной hom, (рис. 3);

Sдоп - дополнительная осадка слоя грунта, оттаивающего в процессе эксплуатации трубы для слоя hдоп = Hо - hom (Hо - полная глубина оттаивания, м).

Рис. 3. Схема к расчету осадок труб на опаивающих грунтах

Глубину оттаивания определяют теплотехническим расчетом, а также по данным натурных наблюдений за аналогичными сооружениями.

Примечание. При наличии на глубине, меньшей чем Hо скальных или других несжимаемых грунтов (Е > 1000 кгс/см2) осадку рассчитывают для толщи основания, ограниченной их верхней поверхностью. Допускается при этом принимать Hо = 4,0 + 1,8H при объемной массе грунта основания γ0 = 1,0 тс/м3 и Hо = 3,0+1,4H при γ0 = l,7 тс/м3.

Осадку Sдоп слоя грунта, оттаивающего в процессе эксплуатации сооружения, для слоя hдоп = Hо - hom определяют по формуле

,(2)

где k - безразмерный коэффициент, равный 0,75 (1 + b/B); ai - коэффициент сжимаемости i-го слоя оттаивающего грунта, см2/кгс; hi - толщина i-го слоя оттаивающего грунта, см; Лсi - разность между суммарной льдистостью i-гo слоя грунта и суммарной льдистостью образца грунта, взятого из этою слоя; n - число слоев, на которые разделяется при расчете толща оттаявшего (оттаивающего) грунта; Ai - коэффициент оттаивания i-го слоя грунта, характеризующий осадку грунта при его оттаивании без нагрузки; Pδi - давление в середине i-го слоя грунта, в кгс/см2 от собственного веса, равное 0,5γ0 (Zi + Zi-1) (здесь γ0 - объемная масса грунта основания, кгс/см3; Zi-1, Zi - расстояние от подошвы насыпи соответственно до кровли и подошвы i-го слоя, см); kлi - коэффициент, учитывающий неполное смыкание макропор при оттаивании мерзлого грунта, принимаемый в зависимости от средней толщины ледяных включений Δл: пpи Δл ≤ l cм kл = 0,7; при Δл ≥ 3 см kл = 0,9; при промежуточных значениях Δл коэффициент kл определяется интерполяцией.

Осадку Sп слоя грунта, предварительно оттаявшего на глубину hom, рассчитывают по формуле (2) при значениях Ai = 0; Лсi = 0 и значениях ai определяемых с учетом ожидаемой степени уплотнения оттаявшего грунта. При этом формула имеет вид

.(3)

Расчет осадок производят для средней части трубы (высота насыпи Н) и ее концевых участков (H = 0).

Пример. Исходные данные: труба - D = 1,5 м; L = 39 м; i = 0,007; насыпь - b = 3,5 м; H = 10 м; B = 19,5 м; γ = 1,8 тс/м3; основание - γ0 = 1,7 тс/м3; H0 = 11 м; слой I - суглинок, предварительно оттаявший, a1 = 0,008, h1 = 4 м, слой II - суглинок, оттаивающий в процессе эксплуатации; a2 = 0,007; kл2 = 0,8; A2 = 0,018; Лc2 = 0,005; h2 = 2 м; слой III - то же, а3 = 0,006; kл3 = 0,7; A3 = 0,016; Лc3 = 0,005; h3 = 5 м.

Решение. Осадку рассчитываем по формулам (1)÷(3). Предварительно определяем

;

pδ1 = 0,5∙0,0017(0 + 400) = 0,34 кгс/см2;

pδ2 = 0,5∙0,0017(400 + 600) = 0,85 кгс/см2;

pδ3 = 0,5∙0,0017(600 + 1100) = 1,45 кгс/см2.

Осадка под средней частью трубы:

а) предварительно оттаявшего слоя грунта

Sп = 0,75∙0,88∙0,0018∙1000∙0,008∙400+0,008∙0,34∙400 = 4,9 см;

б) слоев грунта, оттаивающих в процессе эксплуатации,

Sдоп = 0,75∙0,88∙0,0018∙1000[0,007∙200(1 - 0,005) + 0,006∙500(1 - 0,005)] + [(0,018 + 0,007∙0,85)∙(1 - 0,005) + 0,8 - 0,005]200 + [(0,016 + 0,006∙1,45)∙(1 - 0,005) + 0,7∙0,005]500 = 25,3 см;

суммарная осадка S'p = 4,9 + 25,3 = 30,2 см. Осадка под концевыми участками трубы (Н = 0):

а) предварительно оттаявшего слоя грунта

Sп = 0,006∙0,34∙400 = 1,1 см;

б) слоев грунта, оттаивающих в процессе эксплуатации,

Sдоп = [(0,018 + 0,007∙0,85)∙(1 - 0,005) + 0,8∙0,005] - 200 + [(0,016 + 0,006 - 1,45)∙(1 - 0,005) + 0,7∙0,005] 500 = 20,1 см;

суммарная осадка S''p = 1,1 + 20,1 = 21,2 см. Расчетная осадка (см. п. 4.25 настоящей Инструкции)

см.

8. Ограничение поперечных деформаций трубы на стадии отсыпки и уплотнения боковых призм грунта

Расчетную нагрузку на трубу от строительных машин и уплотняемого грунта боковых призм следует условно принимать действующей в горизонтальной диаметральной плоскости нормально к поверхности трубы с обеих сторон, равномерно распределенной по длине образующей трубы с интенсивностью

, кгс/см(4)

Интенсивность действующего горизонтального давления е не должна превышать предельно допускаемое на трубу давление eтр т.е.

e ≤ eтр.(5)

Интенсивность предельно допускаемого (из условия трехпроцентной деформации номинального диаметра) давления eтр (в кгс/см) следует определять по формуле

,(6)

где Мпл - изгибающий момент (в кгс∙см/см) в стенке трубы на единицу ее длины, соответствующий образованию пластического шарнира и равный

Мпл = Wплσт,(7)

Wпл - пластический момент сопротивления продольного сечения стенки на единицу длины трубы, см3/см (см. табл. 2 настоящего приложения); σт - предел текучести стали, кгс/см2 (см. табл. 1 приложения 8). Если не удовлетворяется условие (5), следует предусматривать установку внутри трубы временных инвентарных креплений, рассчитывая их на действие перемещающейся вдоль трубы горизонтальной нагрузки екр (в кгс/см) интенсивностью действующей так же, как и нагрузка е, но на ограниченной длине 0,5 м по поверхности трубы симметрично относительно горизонтального диаметра.