Законодательная база Российской Федерации

"ИНСТРУКЦИЯ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ И ПОСТРОЙКЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ГОФРИРОВАННЫХ ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБ. ВСН 176-78" (утв. Минтрансстроем СССР, МПС СССР 15.08.78) (в ред. от 15.07.85)

Условие, гарантирующее конструкцию в эксплуатации от наступления первого предельного состояния, характеризуемого предельным статическим равновесием взаимодействующей системы "конструкция - грунт", удовлетворяется неравенством

,

где q - интенсивность вертикального давления грунта на трубу от постоянных и временных нагрузок с учетом коэффициентов перегрузка согласно действующим нормам;

q_p- расчетная несущая способность трубы в грунте, т.е. интенсивность предельно допустимой нагрузки из условия предельного статического равновесия рассчитываемой системы.

Расчетную несущую способность трубы q_p (кгс/см2) определяют по формуле

,

где - коэффициент увеличения несущей способности трубы за счет упругого отпора окружающего грунта;

- расчетная 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;

D - диаметр трубы по средней линии гофров, см;

- обобщенный показатель жесткости взаимодействующей системы "конструкция-грунт" см2/кгс;

Е_гр - компрессионный модуль деформации грунта засыпки, принимаемый на основе компрессионных испытаний в одометре при интервале давлений 0,5-1 кгс/см2.

Перед компрессионными испытаниями грунт требуется уплотнить до 0,95 максимальной стандартной плотности.

Типовой проект должен предусматривать модуль общей деформации грунта засыпки в интервале 50-600 кгс/см2.

1 Гофрированные трубы диаметром от 1 до 3 м из волнистой стали с гофром 130x32,5мм и толщиной листа от 1,5 до 2,5 мм в упругой грунтовой среде с модулем деформации в пределах от 50 до 600 кгс/см2 можно не проверять на общую устойчивость формы поперечного сечения, так как несущую способность таких труб лимитируют другие расчетные условия.

Расчет трубы на общую устойчивость формы поперечного сечения производят из условия сжатия трубы равномерно распределенным по ее периметру нормальным давлением грунта засыпки, принимаемым равным расчетной интенсивности q вертикального давления на трубу от постоянных и временных нагрузок. Условие устойчивости удовлетворяется неравенством

,

где - расчетное осевое сжимающее усилие на единицу длины стенки трубы, кгс/см;

F - площадь продольного сечения стенки на единицу длины трубы см2/см;

m_2 - коэффициент условий работы, учитывающий условность расчетной схемы и начальные несовершенства конструкции, принимается равным 0,7;

R_0 - основное расчетное сопротивление стали при действии осевых сил, кгс/см2;

- коэффициент понижения несущей способности, вводимый для предотвращения потери устойчивой формы равновесия гибкой трубы в упругой грунтовой среде;

СИГМА_т - предел текучести стали, кгс/см2;

СИГМА_кр- критическое напряжение в стенке трубы, кгс/см2, которое следует принимать:

постоянные а и b, а также предельное значение гибкости ЛЯМБДА_0 принимаются в зависимости от марки стали: для стали 15сп (СИГМА_п.ц.= 2000 кгс/см2; СИГМА_т= 2400 кгс/см2): а = 2800 кгс/см2; b = 7,14 кгс/см2; ЛЯМБДА_0 = 112; для стали 09Г2Д (СИГМА_п.ц.= 2600 кгс/см2; СИГМА_т= 3100 кгс/см2): а = 3600 кгс/см2; b = 10,2 кгс/см2; ЛЯМБДА_0= 98; Е=2,1*106 кгс/см2 - модуль упругости стали;

СИГМА_п.ц. - предел пропорциональности стали;

- гибкость трубы;

r - радиус инерции продольного сечения стенки трубы, см;

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

Таблица 1

Егр, кгс/см2	Коэффициент гибкости k' при геометрическом параметре
	0,2	0,3	0,5	1	2	5	10	20
50	0,893	0,850	0,780	0,663	0,532	0,445	0,366	0,314
100	0,814	0,755	0,663	0,532	0,468	0,366	0,314	0,264
200	0,703	0,629	0,532	0,468	0,394	0,314	0,264	0,222
300	0,629	0,551	0,494	0,425	0,352	0,281	0,239	0,202
400	0,573	0,512	0,468	0,394	0,332	0,264	0,222	0,188
500	0,532	0,494	0,445	0,366	0,314	0,250	0,211	0,178
600	0,512	0,477	0,425	0,352	0,300	0,239	0,202	0,169

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

,

где q_пред = 1,1q_p - 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 ДЕЛЬТАD'_пред (в см) не удовлетворяет условию

, см,

то ее значение уточняют, определяя по формуле

, см, %,

где M_пл = W_плСИГМА_т- изгибающий момент в стенке трубы, соответствующий образованию пластического шарнира, кгс*см/см;

W_пл - пластический момент сопротивления продольного сечения стенки на единицу длины трубы, см3/см (значения W_пл гофрированного листа 130x32,5 мм приведены в табл. 2);

СИГМА_т- 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 q_пред) действующей на трубу нагрузки.

Предельное относительное уменьшение вертикального диаметра ДЕЛЬТАD предопределяют 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

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 дельта - толщина листа стыкуемых элементов;

d - номинальный диаметр болта;

m_2 - коэффициент условий работы соединения; для стыков со специальными шайбами (см. п. 4.42) m_2= 1,3 при расчете на смятие и m_2 = 0,9 при расчете на срез;

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

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.,

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

,

где S_т - 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 S_p под осью насыпи следует сравнить с предельно допустимой осадкой S_д, определяемой по формуле

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

ДЕЛЬТА = S_p- 0,25iL,

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

Рис. 1. Расчетный график для определения осадок труб:

S_т - 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 гамма = 1 т/м3; 2 - то же при гамма = 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; гамма = 1,9 т/м3; основание - среднее гамма_0 = 1,7 т/м3; слой I - H_сл = 4 м, E_1 = 60 кгс/см2; слой II - H_сл = 7 м; E_2 = 100 кгс/см2; слой III с глубины 11 м - Е_3 = 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 гамма_0= 1,7 т/м3 находят осадку основания под осью пути при Е = 100 кгс/см2 S_т''' =17,4 см, тогда осадка при Е = 150 кгс/см2 S_3 = (100/150)*17,4 = 11,6 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 S_Т'' = 12,4 получают по графику для H = 10 м и Z_2 =11 м (см рис. 1, кривые семейства 3).

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

см.

Значение S_Т' = 4,4см получают по графику для H = 10 м и Z_1 = 4 м (кривые семейства 3).

4. Суммируя, находят расчетную осадку:

S_р = S_3 + ДЕЛЬТАS_2 + ДЕЛЬТАS_1 = 11,6 + 4,1 + 2,9 = 18,6 см.

5. По известным S_р = 18,6 см и iL = 23 см находят значение предельно допустимой осадки S_д = 0,5*18,6 + 0,75*23 = 26,5 см.

6. По тем же данным определяют ординату строительного подъема ДЕЛЬТА = 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.

Осадку труб S_p на оттаивающих грунтах рассчитывают по формуле

где S_п - осадка предварительно оттаявшего слоя грунта толщиной h_om, (рис. 3);

S_доп - дополнительная осадка слоя грунта, оттаивающего в процессе эксплуатации трубы для слоя h_доп= H_о - h_om (H_о- полная глубина оттаивания, м).

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

Примечание. При наличии на глубине, меньшей чем Но скальных или других несжимаемых грунтов (Е > 1000 кгс/см2) осадку рассчитывают для толщи основания, ограниченной их верхней поверхностью. Допускается при этом принимать H_о = 4,0 + 1,8H при объемной массе грунта основания гамма_0= 1,0 тс/м3 и H_о = 3,0+1,4H при гамма_0= l,7 тс/м3.

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

Осадку S_доп слоя грунта, оттаивающего в процессе эксплуатации сооружения, для слоя h_доп=H_о - h_om определяют по формуле

,

(2)

где k - безразмерный коэффициент, равный 0,75 (1 + b/B); a_i - коэффициент сжимаемости i-го слоя оттаивающего грунта, см2/кгс; h_i - толщина i-го слоя оттаивающего грунта, см; Л_сi -разность между суммарной льдистостью i-го слоя грунта и суммарной льдистостью образца грунта, взятого из этого слоя; n - число слоев, на которые разделяется при расчете толща оттаявшего (оттаивающего) грунта; A_i - коэффициент оттаивания i-го слоя грунта, характеризующий осадку грунта при его оттаивании без нагрузки; P_дельтаi - давление в середине i-го слоя грунта, в кгс/см2 от собственного веса, равное 0,5гамма0 (Z_i + Z_i-1) (здесь гамма_0 - объемная масса грунта основания, кгс/см3; Z_i-1, Z_i - расстояние от подошвы насыпи соответственно до кровли и подошвы i-го слоя, см); k_лi - коэффициент, учитывающий неполное смыкание макропор при оттаивании мерзлого грунта, принимаемый в зависимости от средней толщины ледяных включений ДЕЛЬТА_л:<= l см k_л = 0,7; при ДЕЛЬТА_л 805; 3 см k_л = 0,9; при промежуточных значениях ДЕЛЬТА_л коэффициент k_л определяется интерполяцией.

Осадку S_п слоя грунта, предварительно оттаявшего на глубину h_om, рассчитывают по формуле (2) при значениях A_i = 0; Л_сi = 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;гамма = 1,8 тс/м3; основание - гамма_0 = 1,7 тс/м3; H_o = 11 м; слой I - суглинок, предварительно оттаявший, a_1 = 0,008, h_1 = 4 м, слой II - суглинок, оттаивающий в процессе эксплуатации; a_2 = 0,007; k_л2 = 0,8; A_2 = 0,018; Л_c2 = 0,005; h_2 = 2 м; слой III- то же, а_3 = 0,006; k_л3 = 0,7; A_3 = 0,0ДЕЛЬТА Л_c3 = 0,005; h_3 = 5 м.

Решение. Осадку рассчитываем по форму/(3). Предварительно определяем

;

p_дельта1 = 0,5*0,0017(0 + 400) = 0,34 кгс/см2;

p_дельта2 = 0,5*0,0017(400 + 600) = 0,85 кгс/см2;

p_дельта3 = 0,5*0,0017(600 + 1100) = 1,45 кгс/см2.

Осадка под средней частью трубы:

а) предварительно оттаявшего слоя грунта

S_п = 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,

S_доп = 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

S_п = 0,006*0,34*400 = 1,1 см;

б) слоев грунта, оттаивающих в процессе эксплуатации,

S_доп = [(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.

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 e_тр т.е.

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

,

(6)

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

W_пл - пластический момент сопротивления продольного сечения стенки на единицу длины трубы, см3/см (см. табл. 2 настоящего приложения); СИГМАт - 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 е_кр (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.

Приложение 12
(к пп. 3.2; 4.8)