Основы расчета труб

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

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

Под воздействием вертикального давления грунта засыпки воз­никают вертикальные перемещения трубы, труба также подверга­ется изгибным деформациям, величина которых зависит от ее изгибной жесткости. Кроме того, грунт, окружающий трубу, дает осадку, величина которой зависит от его упругих свойств.

При расчетах труб рассматривают две схемы взаимных осадок насыпи по бокам трубы и осадки столба грунта, расположенного над трубой (рис. 22.7).

При жестких трубах (рис. 22.7, а) осадка насыпи больше, чем осадки столба грунта над трубой на величину А. В результате раз­виваются направленные вниз силы трения Р, по боковым поверх­ностям, что приводит к концентрации усилия от давления засып­ки на трубу, при этом ^ > ^₁. При нежестких трубах (рис. 22.7, б) <1\ < <12, что связано с уменьшением давления на трубу.

Отмеченная особенность учитывается при расчетах усилия от давления грунта введением приведенного коэффициента верти­кального давления С„.

Рис. 22.7. Схемы взаимных осадок насыпи над трубой и по ее бокам: а — жесткая труба; б — нежесткая труба

ПО

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

Р„ = С_р1пН, (22.1)

где у„ — нормативный удельный вес грунта, кН/м³(тс/м³); к — высота засыпки над трубой от верха дорожного покрытия до верха звена, м; С„ — коэффициент вертикального давления грунта для железобетонных и бетонных звеньев, определяемый по формуле

(22.2)

где й — диаметр (ширина) звена (секции) по внешнему контуру, м; (р„ — нормативный угол внутреннего трения грунта засыпки трубы, °, принимаемый равным 30° для звеньев труб в насыпи, 25° — для оголовков труб;

^Ъ (22-3)

(22.4)

где 5 — 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 В > Н/й, то следует принимать В = Н/й.

При расчете гибких (из гофрированного металла и т.п.) звень­ев (секций) труб и при определении давления на грунтовые не-скальные основания коэффициент С_у следует принимать равным единице.

Расчетное боковое (горизонтальное) давление Р_п, кПа, вычис­ляется по формуле

Р_п = 1пН_хх_п, (22.5)

где Н_х — 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 колесных и гусеничных нагрузок — НК-80 и НГ-60.

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

(22.6) 111

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

При высоте засыпки меньше 1 м давление на рассматриваемую часть трубы определяют с учетом распределения давления в грун­те под углом к вертикали 26,5°.

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

р., -п,т (Ц 7)

в которой Р_ук принимается по формуле (22.6)

На нагрузку АК расчет труб не производят, так как ее воздей­ствие на трубу существенно слабее, чем воздействие нагрузок НК-80 и 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 распределенной нагруз­кой (рис. 22.8, а). Эпюра изгибающих моментов в элементах такой рамы имеет вид, представленый на рис. 22.8, б. В элементах рамы от действующих нагрузок возникают и осевые усилия. Подбор се­чений этих элементов производят как внецентренно сжатых.

Звенья круглых труб под воздействием давления от временной и постоянной нагрузок находятся в условиях радиального сжатия, которое распределено по контуру трубы неравномерно (рис. 22.8, в). Под действием этой нагрузки по периметру кольца возникают

Рис. 22.8. Расчетные схемы звеньев железо­бетонных труб и эпюры изгибающих мо­ментов:

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

изгибающие моменты, характер эпюры которых приведен на рис. 22.8, г. Наибольшее значение положительного момента в замко­вом сечении можно вычислить по приближенной формуле

(22.8)

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

Р = (УдЛ + УдД*), (22.9)

где у — коэффициент условий работы, принимаемый в зависимо­сти от условий опирания звена, у = 1 — при грунтовом основа­нии; у = 0,9 — при опирании звеньев на фундамент через бетон­ную подушку с углом охвата а > 120°; уу„ — коэффициент надеж­ности по нагрузке от веса насыпи, равный 1.3; уд — то же, от временной нагрузки, равный 1,2.

В средней части по высоте в рабочем положении трубы возни­кают отрицательные моменты (см. рис. 22.8, г), абсолютное значе­нии 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 (см. рис. 22.3), т. е. размещением спиральной арматуры у внеш­ней и внутренней поверхности трубы с обеспечением для каждой из них требуемой толщины защитного слоя.

Расчет на прочность на действие положительного и отрица­тельного изгибающих моментов производятся по правилам расче­та изгибаемых железобетонных элементов по условию

М<М_пр,

где М_пр — предельный изгибающий момент, воспринимаемый сечением звена.

Предельное раскрытие трещин при расчете сечения трубы на трещиностойкость при этом не должно превышать 0,02 см.

Гофрированные стальные трубы рассчитывают по предельно­му равновесию, характеризуемому деформационным критерием и сопровождающемуся значительными изменениями формы по­перечного сечения трубы (рис. 22.9) и развитием пластических деформаций при изгибе стенки. Это позволяет примерно вдвое увеличить предельные нагрузки по сравнению с нагрузками, по­лучаемыми при расчете с использованием только упругой стадии работы материала гофрированной трубы.

Условие, гарантирующее конструкцию этой трубы в эксплуа­тации от наступления первого предельного состояния, характе-

ризуемого предельным статическим равновесием взаимодейству­ющей системы «конструкция — грунт», удовлетворяется неравен­ством

■• < *са1Ь

где Р — интенсивность вертикального давления грунта на трубу от постоянных и временных нагрузок с учетом коэффициентов пе­регрузки согласно действующим нормам; Р_са!к — расчетная несу­щая способность трубы в грунте, т.е. интенсивность предельно допустимой нагрузки из условия предельного статического рав­новесия рассчитываемой системы.

Расчетную несущую способность трубы Р_са#, кгс/см², определя­ют по формуле

где К^ — коэффициент увеличения несущей способности трубы за счет упругого отпора окружающего грунта, ^Г_ув = 1 +12,1х • 10 ~* /4О; д_Хр — расчетная несущая способность трубы вне грунта для реко­мендуемых сталей, кгс/см², д_Хр = 0,032- Ю¹⁶^²/!)²; IV — момент сопротивления продольного (вдоль трубы) сечения брутто стенки на единицу длины трубы, см³/см; Б — диаметр трубы по средней линии гофров, см; О — обобщенный показатель жесткости взаи­модействующей системы «конструкция —грунт», см³/ктс, О = = Ц^/Г/(В²Е_Ц); Е_тр — компрессионный модуль деформации грунта

Рис. 22.9. Расчетная схема деформирования гибкой стальной трубы под действием нагрузки # и упругого отпора грунта Р_т:

1 — сечение трубы до деформации; 2 — то же, в момент предельного статическо­го равновесия; 3 — то же, в предельном состоянии; Б — диаметр трубы; ДД,р_ед —

предельная деформация

засыпки, принимаемый на основе компрессионных испытаний, кгс/см² (в пределах 50...600 кгс/см²).

Нормы проектирования рассматриваемых труб (ВСН 176-78) содержат, кроме приведенного главного расчета, расчеты предель­ных относительных значений уменьшения вертикального диамет­ра А/)_пред, расчет осадок труб в целях назначения строительного подъема, проверку общей устойчивости формы поперечного се­чения трубы и расчет болтовых стыковых соединений.

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.

Дата добавления: 2015-08-17