Основы расчёта труб

На трубы под насыпями автомобильных дорог действует постоянная нагрузка от давления грунта и временная от подвижной нагрузки, которые создают вертикальное и горизонтальное давление на трубу.

На стены труб изнутри действует также давление воды, которое во многих случаях снижает наружное давление, но повышает его на фундамент и основание.

Под воздействием вертикального давления грунта засыпки возникают вертикальные перемещения трубы, труба также подвергается изгибающим деформациям, величина которых зависит от её изгибающей жёсткости. Кроме того, грунт, окружающий трубу, даёт осадку, величина которой зависит от его упругих свойств.

При расчётах труб рассматривают две схемы взаимных осадок насыпи по бокам трубы и осадки грунта, расположенного над трубой (рис. 1).

а б

Рис. 1. Схемы взаимных осадок насыпи над трубой и по её бокам:

а - жёсткая труба; б - нежёсткая труба; h - высота насыпи над трубой; а - высота насыпи в уровне с верхом трубой; d - диаметр трубы

При жёстких трубах (рис. 1, а) осадка насыпи больше, чем осадка столба грунта над трубой на величину. В результате развиваются направленные вниз силы трения по боковым поверхностям, что приводит к концентрации усилия от давления засыпки на трубу, при этом. При нежёстких трубах (рис. 1, б), что связано с уменьшением давления на трубу.

Отмеченная особенность учитывается при расчётах усилия от давления грунта введением приведённого коэффициента вертикального давления.

Вертикальное давление грунта от веса насыпи, кПа, для звеньев труб в соответствии с п. 6 СНиП 2.05.03-84* принимается:

, (1)

где - нормативный удельный вес грунта, кН/м³; h - высота засыпки над трубой от верха дорожной одежды до верха звена, м; - коэффициент вертикального давления грунта для железобетонных и бетонных звеньев, определяемый по формуле

, (2)

где d - диаметр (ширина) звена (секции) по внешнему контуру, м; - нормативный угол внутреннего трения грунта засыпки трубы, градусы, принимаемый равным 30⁰ для звеньев труб в насыпи, 25⁰ - для оголовков труб;

, (3)

, (4)

где s - коэффициент, принимаемый равным 1,2 при неподатливых фундаментах (на скальном основании или на сваях-стойках), 1,1 - при малоподатливых фундаментах (на висячих сваях), 1,0 - при массивных фундаментах мелкого заложения и грунтовых (нескальных) основаниях; а - расстояние от основания насыпи до верха звена (секции) трубы, м.

Если, то следует принимать.

При расчёте гибких (из гофрированного металла и т. п.) звеньев (секций) труб и при определении давления на грунтовые нескальные основания коэффициент следует принимать равным единице.

Расчётное боковое (горизонтальное) давление Р_n, кПа, вычисляется по формуле

, (5)

где высота засыпки от верха дорожного покрытия до середины высоты звеньев (секций) трубы.

Давление от подвижного состава на автомобильных дорогах общего пользования следует принимать от одиночных колёсных и гусеничных нагрузок - НК-80 и НГ-60.

Расчётное вертикальное давление на звенья труб, кПа, при высоте засыпки 1,0 м и более от временных подвижных нагрузок вычисляется по формуле

, (6)

в которой для НК - 80 = 186, а для НГ - 60 = 108.

При высоте засыпки меньше 1,0 м давление на рассматриваемую часть трубы определяют с учётом распределения давления в грунте под углом к вертикали 26,5⁰.

Расчётное значение горизонтального давления от временных нагрузок НК - 80 и НГ - 60, кПа, вычисляется по формуле

, (7)

в которой принимается по формуле (6).

На нагрузку АК расчёт труб не производят, так как её воздействие на трубу существенно слабее, чем воздействие нагрузок НК - 80 м НГ - 60.

Полные вертикальное и горизонтальное давления на трубы определяют суммированием давлений от постоянной и временной нагрузок.

Секции прямоугольных труб рассчитывают как рамы замкнутого контура на упругом основании, загруженные по всем сторонам соответствующей высоты заглубления распределённой нагрузкой (рис. 2, а). Эпюра изгибающих моментов в элементах такой рамы имеет вид, представленный на рис. 2, б. В элементах рамы от действующих нагрузок возникают и осевые усилия. Подбор сечений этих элементов производят как внецентренно сжатых.

а		б
в		г

Рис. 2. Расчётные схемы звеньев железобетонных труб и эпюры изгибающих моментов:

а - прямоугольная схема; б - круглая схема; в, г - эпюры изгибающих моментов

Звенья круглых труб под воздействием давления от временной и постоянной нагрузок находятся в условиях радиального сжатия, которое распределено по контуру трубы неравномерно (рис. 2, в). Под действием этой нагрузки по периметру кольца возникают изгибающие моменты, характер эпюры которых приведён на рис. 2, г. Наибольшее значение положительного момента в замковом сечении можно вычислить по приближённой формуле

, (8)

где r – средний радиус звена, м; Р – расчётное значение усилия на звено от собственного веса грунта и временной нагрузки, принимаемое для труб под автомобильные дороги по формуле

, (9)

где – коэффициент условий работы, принимаемый в зависимости от условий опирания звена, – при грунтовом основании: – при опирании звеньев на фундамент через подушку с углом охвата; – коэффициент надёжности по нагрузке от веса насыпи, равный 1,3; – то же, от временной нагрузки, равный 1,2.

В средней части по высоте в рабочем положении трубы возникают отрицательные моменты (рис. 2, г), абсолютное значение которых несколько меньше максимального значения положительного момента. Трубу следует конструировать так, чтобы она в любом положении была способна воспринимать возникающие моменты обоих знаков, что обеспечивается двойным армированием (рис. 3), то есть размещением спиральной арматуры у внешней и внутренней поверхности трубы с обеспечением для каждой из них требуемой толщины защитного слоя.

Рис. 3. Конструкция звеньев железобетонных труб:

а - круглой; б - круглой с плоской подошвой; в - овоидальной с плоской подошвой;

1, 2 - рабочая и кольцевая арматура; 3 - хомуты; 4 - арматурная сетка пяты;

5 - арматурная спираль свода

Расчёт на прочность на действие положительного и отрицательного изгибающих моментов производятся по правилам расчёта изгибаемых железобетонных элементов по условию

где – предельный изгибающий момент, воспринимаемый сечением звена.

Предельное раскрытие трещин при расчёте сечения трубы на трещиностойкость при этом не должно превышать 0,2 мм.

Гофрированные стальные трубы рассчитывают по предельному равновесию, характеризуемому деформационным критерием и сопровождающемуся значительными изменениями формы поперечного сечения трубы (рис. 4) и развитием пластических деформаций при изгибе стенки. Это позволяет примерно вдвое увеличить предельные нагрузки по сравнению с нагрузками, получаемыми при расчёте с использованием только упругой стадии работы материала гофрированной трубы.

Рис. 4. Расчётная схема деформирования гибкой стальной трубы

под действием нагрузки и упругого отпора q грунта Р _г:

1 - сечение трубы до деформации; 2 - то же, в момент предельного статического

равновесия; 3 - то же, в предельном состоянии; D - диаметр трубы;

𝛥D_пред - предельная деформация.

Условие, гарантирующее конструкцию этой трубы в эксплуатации от наступления первого предельного состояния, характеризуемого предельным статическим равновесием взаимодействующей системы «конструкция – грунт», удовлетворяется неравенством

,

где – интенсивность вертикального давления грунта на трубу от постоянных и временных нагрузок с учётом коэффициентов перегрузки согласно действующим нормам; – расчётная несущая способность трубы в грунте, то есть интенсивность предельно допустимой нагрузки из условия предельного статического равновесия рассчитываемой системы.

Расчётную несущую способность трубы, кгс/см², определяется по формуле

, (10)

где – коэффициент увеличения несущей способности трубы за счёт упругого отпора окружающего грунта,; s New Roman" w:h-ansi="Cambria Math"/><wx:font wx:val="Cambria Math"/><w:i/><w:sz w:val="28"/><w:sz-cs w:val="28"/></w:rPr><m:t>1СЂ</m:t></m:r></m:sub></m:sSub></m:oMath></m:oMathPara></w:p><w:sectPr wsp:rsidR="00000000"><w:pgSz w:w="12240" w:h="15840"/><w:pgMar w:top="1134" w:right="850" w:bottom="1134" w:left="1701" w:header="720" w:footer="720" w:gutter="0"/><w:cols w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> – расчётная несущая способность трубы вне грунта для рекомендуемых сталей, кгс/см²,

; W – момент сопротивления продольного (вдоль трубы) сечения брутто стенки на единицу длины трубы, см³/см; – обобщённый показатель жёсткости взаимодействующей системы «конструкция – грунт», см³/кгс,; – компрессионный модуль деформации грунта засыпки, принимаемый на основе компрессионных испытаний, кгс/см² (в пределах 50-600 кгс/см²).

Нормы проектирования рассматриваемых труб (ВСН 176-78) содержат, кроме приведённого главного расчёта, расчёты предельных относительных значений уменьшения вертикального диаметра, расчёт осадок труб в целях назначения строительного подъёма, проверку общей устойчивости формы поперечного сечения трубы и расчёт болтовых стыковых соединений.

Расчёт болтовых соединений продольных стыков производится на суммарные сдвигающие усилия от действия осевой сжимающей силы и изгибающего момента, соответствующего образованию пластического шарнира в стенке трубы. Расчёт ведётся в предположении, что усилия между всеми болтами соединения распределяются равномерно.

Дата добавления: 2014-01-14