Расчет каналов и тоннелей. Расчет каналов и тоннелей
 Скачать 280.75 Kb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН МЕЖДУНАРОДНАЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ КОРПОРАЦИЯ  СРО Дисциплина: Проектирование и расчет высотных и специальных сооружений Тема: Расчет каналов и тоннелей Выполнил: студент 4 курса группы РПЗС 19-6 Алтыбай Б. Проверил: Келемешев А.Д. Алматы 2022 Каналы и тоннели. Трубы Резервуары для воды служат для хранения и распределения воды, они чаще всего имеют круглую или прямоугольную форму в плане (рис. 9.6); они могут быть заглубленными в грунт или наземными, закрытыми и открытыми сверху. Иногда резервуары имеют более сложную форму (каплеобразные, сферические, и др.); их применяют в особых случаях, например, при необходимости придания архитектурно выразительной формы наземному резервуару.  Железобетонные резервуары выполняют монолитными, сборными и сборно-монолитными. Для стен и днища применяют тяжелый бетон классов по прочности на сжатие В15...В30, марок по водонепроницаемости W4...W10, по морозостойкости F100...F150. Минимальная толщина наружных стен круглых монолитных резервуаров 120 мм, квадратных — 90 мм. Заглубленные резервуары для воды емкостью до 2000...3000 м3 экономичнее делать круглой формы в плане, а более 5000...6000 м3 — прямоугольной формы. Унифицированные железобетонные круглые резервуары для воды имеют объем резервуара 100...6000 м3; высоту 3,6...4,8 м. Унифицированные прямоугольные резервуары имеют объем 100...20 000 м3; высоту также 3,6...4,8 м (см. рис. 9.6). Для повышения водонепроницаемости железобетонных резервуаров применяют плотный бетон с наименьшим водоцементным отношением; вводят добавки; тщательно уплотняют бетон. В резервуарах используют ненапрягаемую арматуру классов А400, А500 (допускается А240 в качестве конструктивной и монтажной) и класса В500; для стен цилиндрических резервуаров с предварительным напряжением классов А600...А1000, Вр1200, Вр1500. В стыках сборных элементов стен для заделки применяют бетон на расширяющемся цементе для плотного заполнения швов. Изнутри резервуары покрывают цементной штукатуркой, а поверхность соединений стеновых панелей — торкретбетоном. Снаружи при обосновании устраивают эффективную гидроизоляцию. С целью повышения технологичности изготовления резервуары конструируют с плоскими покрытием и днищем; для обеспечения постоянной температуры внутри резервуара на его кровлю укладывают слой грунта толщиной 0,5...1 м или эффективный утеплитель с защитой. Для обеспечения доступа людей внутрь резервуара и пропуска различных технологических коммуникаций (приборов сигнализации уровня воды, вентиляционных колонн, и пр.) в покрытиях устраивают проемы. В днище выполняют приямок глубиной 1 м для очистки и опорожнения резервуара. В железобетонных монолитных круглых резервуарах применяют круглые в плане гладкие стены, безбалочные покрытия и днища; колонны с капителями вверху и внизу. Трещиностойкость стен круглых резервуаров обеспечивается без натяжения арматуры только при их небольшом объеме 100...400 м3; при объеме > 500 м3 необходимо применение напрягаемой арматуры для обжатия бетона и повышения его трещиностойкости. Сборные конструкции стен выполняют из панелей на всю высоту резервуара, имеющих на боковых сторонах выпуски арматуры, монтируемых вертикально в щелевой стык (паз) днища (рис. 9.7). Вертикальные швы между панелями заполняют бетоном после соединения выпусков арматуры.  После приобретения бетоном прочности не менее 70% проектной стену снаружи обжимают кольцевой предварительно напрягаемой арматурой, которую по окончании процесса натяжения защищают торкретбетоном. В сборных конструкциях покрытий используют трапециевидные в плане ребристые плиты, монтируемые по кольцевым ригелям. Номинальную ширину стеновых панелей принимают 3,14 или 1,57 м, чтобы смонтировать по периметру резервуара целое число панелей. Между панелями выполняют стык шириной 340 мм, заполняемый после монтажа бетоном, класса не ниже чем класс бетона панелей. Стеновые панели выполняют толщиной 120...200 мм; для резервуаров радиусом R>12 м наружную поверхность панелей выполняют цилиндрической, а внутреннюю — плоской; при радиусе R<12 м панель имеет форму цилиндрической оболочки. Напрягаемая кольцевая рабочая арматура воспринимает кольцевые усилия, она располагается на внешней поверхности стен. Вертикальная арматура сборных панелей рассчитывается: 1. Арматура по всей высоте панелей — на прочность и трещиностойкость в стадиях изготовления, транспортирования и монтажа. 2. Вертикальная арматура в нижней части панелей — на действие изгибающих моментов в вертикальном направлении, возникающих вблизи стыка стен с днищем. Этот стык может быть жестким (заполняют прочным бетоном на мелком щебне), или подвижным, допускающим небольшие перемещения (заполняют холодной битумной мастикой). Глубину жесткой заделки стеновых панелей в стыке определяют расчетом, и принимают >1,5 толщины стенки. Натяжение на стены кольцевой предварительно напрягаемой высокопрочной проволочной арматуры выполняют с помощью навивочных машин, соблюдая расстояние между проволочными витками >10 мм. Стержневую арматуру разделяют по длине на 3...4 отрезка; на концы каждого стержня приваривают соединительные муфты с винтовой нарезкой (см. рис. 9.7). Соединив концы стержней, их нагревают электротермическим способом, после расчетного удлинения подкручивают гайки в муфтах на величину удлинения. После остывания длина арматурного кольца сокращается, и арматура напрягается. Расстояние между стержнями кольцевой арматуры принимают 100...250 мм. После натяжения эту арматуру защищают несколькими слоями торкретбетона. Изнутри стены резервуара штукатурят до натяжения арматуры, чтобы штукатурка вместе с панелями была обжата. Резервуары рассчитывают на нагрузки: 1. Гидростатическое давление воды изнутри при отсутствии грунтовой засыпки снаружи. 2. Активное боковое давление грунта обваловки при отсутствии внутреннего давления воды. 3. Горизонтальное давление от грунта обваловки при нагружении призмы обрушения транспортными средствами или складируемыми материалами. 4. Вертикальная нагрузка от покрытия с учетом веса грунтовой обваловки, временной нагрузки на ней, и снега. 5. Днище рассчитывают при заполненном и незаполненном резервуаре с учетом подпора грунтовых вод. Нормативное значение гидростатического давления принимают при проектном уровне воды на 200 мм ниже верха стен; расчетное давление — при полностью заполненном резервуаре. Расчетное давление  где р — плотность жидкости (для воды р=1); уf=1,1 — коэффициент надежности по нагрузке. Под действием гидростатического давления в стенах возникают кольцевые растягивающие силы (рис. 9.8):  где R — радиус кольца. Эпюра кольцевых сил в стене, не связанной с днищем, линейна (см. рис. 9.8, в). При жестком сопряжении стены с днищем радиальные перемещения на уровне днища близки к нулю вследствие большой жесткости днища в своей плоскости. В связи с этим в стене возникают меридиональные изгибающие моменты Mx, действующие вдоль образующей, и соответствующие им поперечные силы Qx. При жестком закреплении стены в днище кольцевые силы Nx и изгибающие моменты Mx в стене на уровне, находящемся на расстоянии х от днища, определяют по формулам  где Nx — кольцевая сила, вычисленная для данного уровня стены по формуле (9.9); pl — гидростатическое давление внизу стены; ф = х/l — безразмерная координата; s — упругая характеристика стены  где h — толщина стены. На уровне днища при х = 0 значения ф = x/s = 0; е-ф = 1; sin ф = 0; cosф = 1. Из выражения (9.8) находят максимальный момент  Характерные эпюры для Nх и Mх приведены на рис. 9.9. При подвижном сопряжении сборной цилиндрической стены с днищем (см. рис. 9.8) по ее торцу действуют силы трения вследствие радиального перемещения стены  где N — нормальное давление торца стены на днище, от ее веса и примыкающей части покрытия с засыпкой; u = 0,5 — коэффициент трения стенки о днище. Кольцевая растягивающая сила в стенке на высоте х  Максимальный момент при этом  Он расположен на расстоянии от днища  На рис. 9.8 показаны эпюры Nx и Mx при подвижном сопряжении стены с днищем. Горизонтальное давление на стены от грунта определяют как для подпорных стен. Площадь сечения кольцевой арматуры стены определяют как в центрально-растянутом элементе по поясам высотой 1 м (начиная от днища) по формуле  Стены резервуаров относятся к конструкциям I категории требований к трещиностойкости. Площадь сечения вертикальной арматуры стен определяют как в изгибаемой плите, ее количество находят расчетом на момент Mx и размещают в нижней части стены с защитным слоем 15 мм; выше предусматривают конструктивное армирование. Днища круглых резервуаров выполняют из монолитного железобетона. При отсутствии грунтовых вод вес днища и воды в резервуаре уравновешивается отпором грунта, не вызывая изгиба днища, поэтому днище армируют конструктивно. Ho от веса покрытия, передающегося через колонны и обратные капители, в днище возникают местные изгибающие моменты (как в плитных фундаментах), и здесь в днище рассчитывают дополнительное армирование.  Монолитные прямоугольные резервуары выполняют с ребристым покрытием при сетке колонн 6x6 м, или с безбалочным покрытием при сетке колонн 4x4 м. Стены высотой до 4 м делают гладкими, при большей высоте — ребристыми. Сборные резервуары могут иметь плитно-балочное покрытие при сетке колонн 6x6 м, или безбалочное — при сетке колонн 4x4 м. В балочных покрытиях используют типовые ригели и ребристые плиты 1,5x3 м для перекрытий междуэтажных производственных зданий; во втором — ребристые панели. Панели стен имеют ширину 3 м, толщину 200 мм, их монтируют в щелевой стык в днище, после чего стык заполняют бетоном. Угловые участки стен выполняют из монолитного железобетона. Сборные колонны квадратного сечения монтируют в стаканы фундаментов с последующим бетонированием стыков. Днища выполняют из монолитного железобетона. Через 54 м предусматривают температурно-усадочные швы. Стены прямоугольных резервуаров рассчитывают, как и стены круглых резервуаров, на одностороннее гидростатическое давление при отсутствии обваловки, и на одностороннее боковое давление грунта без противоположно направленного давления воды. Плоские монолитные стены, и сборные стены со шпоночными стыками, рассчитывают как вертикальные консоли (полосы) шириной 1 м, высотой от верхней грани щелевого стыка до покрытия. Ребристые стены, опирающиеся на пилястры или колонны, рассчитывают, как плиты, опертые по контуру (рис. 9.9, 9.10). По граням пилястр и днища плиту принимают жестко защемленной, в уровне покрытия — шарнирно опертой. Расчет производят как плит, опертых по контуру. Площадь рабочей арматуры находят по наибольшим опорным и пролетным моментам как в изгибаемой плите прямоугольного сечения с одиночным армированием. Стены работают как плиты, опертые по контуру (рис. 9.10).  Выпуски арматуры стеновых панелей сваривают между собой в вертикальных швах с зазором; такие стыки воспринимают горизонтальные изгибающие моменты. Простые стыки в виде шпонок толщиной 30 мм, заполняемых раствором, не воспринимают моменты. Каналы и тоннели. Канал — это подземное протяженное закрытое непроходное сооружение в виде трубы, как правило, прямоугольного сечения, служащее для размещения коммуникаций. Высота каналов < 1700 мм. В канале прокладывают сети различного назначения, если это совмещение не противоречит нормам и правилам техники безопасности. Тоннель — такое же сооружение, но с проходом для обслуживающего персонала или для людей, высотой > 1800 мм (рис. 9.11).  По назначению тоннели делят на пешеходные (для прохода людей); конвейерные (для транспортирования материалов); коммуникационные (для прокладки трубопроводов различного назначения); кабельные (для прокладки электрических кабелей); комбинированные (совмещающие указанные выше функции); воздуходувные. Каналы и тоннели проектируют сборными из унифицированных железобетонных элементов: каналы — из лотковых элементов и плит, тоннели — из лотковых элементов; с уголковыми стеновыми элементами, и из объемных элементов. Каналы, в которых плита располагается в уровне подошвы, служат для прокладки тепловых и других сетей с изоляцией. Допускается применение каналов из сводчатых железобетонных элементов, если освоено их производство. Применение сборно-монолитных конструкций каналов с монолитными стенами и днищем и сборными плитами, а также со стенами из бетонных блоков допускается при ограниченной протяженности каналов и отсутствии лотковых элементов. Конструкции тоннелей (см. рис. 9.11) со съемными перекрытиями или лотками позволяют монтировать трубопроводы и оборудование сверху при строительстве и эксплуатации. Стеновые элементы и плиты перекрытий в зависимости от размеров тоннелей и нагрузок проектируют гладкими или ребристыми с внутренней стороны. Двухпролетные монолитные тоннели выполняют со средней продольной балкой и колоннами. В местах проемов перекрытия усиливают железобетонными балками или утолщением перекрытия. В коммуникационных каналах и тоннелях устраивают опоры с подвижным и неподвижным закреплением на них трубопроводов: опоры с подвижным закреплением рассчитывают на вертикальные нагрузки от трубопроводов и на горизонтальные силы от трения трубопроводов по опорам при температурных деформациях; с неподвижным — кроме того, на горизонтальные силы от компенсаторов. Каналы и тоннели армируют унифицированными сетками (плоскими и гнутыми) шириной до 3 м, и каркасами с шагом рабочих стержней 100...200 мм. В плитах лотковых элементов при необходимости предусматривают поперечную арматуру в виде каркасов. Расстояния между температурно-усадочными швами определяют расчетом. Температурно-усадочные швы допускается не предусматривать в сборных и монолитных тоннелях и каналах, расположенных ниже уровня промерзания грунта (включая перекрытие), в отапливаемых зданиях и при постоянном поддержании в тоннелях положительных температур; в сборных тоннелях и каналах, состоящих из блоков, не имеющих связей, которые могут передавать растягивающие усилия по длине. Каналы и тоннели рассчитывают с учетом горизонтальных и вертикальных нагрузок от технологического оборудования и трубопроводов, вертикального и горизонтального давления грунта, гидростатического давления грунтовых вод, от подвижного состава железных дорог и на автомобильных дорогах, а также внутрицехового транспорта (электро-и автопогрузчики, электрокары). Временные вертикальные подвижные нагрузки при расчете каналов и тоннелей, расположенных под железнодорожными путями и автомобильными дорогами, принимают в соответствии с указаниями норм. Эквивалентные равномерно распределенные вертикальные расчетные нагрузки на уровне верха канала или тоннеля рекомендуется округлять: 30, 50, 80, 100 (120) и 150 кН/м2. Каналы и тоннели рассчитывают по предельным состояниям первой группы (по несущей способности) на прочность элементов конструкций и узлов соединения; по предельным состояниям второй группы (по пригодности к эксплуатации) проверяют элементы конструкций на допустимые значения деформаций и ширину раскрытия трещин. Предельно допустимые прогибы перекрытий каналов и тоннелей от нормативной нагрузки принимают равными 1/150 соответствующего размера в осях. Вертикальное давление грунта (с учетом дорожного покрытия) на покрытия каналов и тоннелей определяется от веса вертикального столба грунтовой засыпки над покрытием. При расчетах конструкций тоннелей и каналов учитывают двух- и одностороннее загружение их временными вертикальными нагрузками с учетом упругого отпора грунта, который в вертикальном направлении под днищем определяют в зависимости от модуля деформации грунта ненарушенного сложения E (грунта основания). При симметричном загружении изгибающий момент в нижнем узле тоннеля с шарнирным опиранием плит покрытия (рис. 9.12).  Усилие в верхней распорке  где N1 — нормальная сила; k — коэффициент, учитывающий изменение момента в нижнем узле за счет его поворота;  где wM и wN — коэффициенты, определяемые по формулам:  где a — показатель гибкости днища;  v3 и v4 — коэффициенты, учитывающие изменение толщины стены по высоте, принимаемые по табл. 4.9 в зависимости от толщины стены в верхней t1 и нижней t2 частях тоннеля; Eb — модуль упругости бетона; Iv — момент инерции 1 м сечения днища. Усилие в стене определяют, как для балки, лежащей на двух опорах с нагрузкой рн, pv, реакцией на верхней опоре и опорным моментом на нижней опоре M1. Усилие в днище определяют, как для балки, лежащей на упругом основании с модулем деформации Е, загруженной симметричными силами N1 и моментами M1 (см. рис. 9.12, а). Каналы и тоннели шириной > 3 м рекомендуется рассчитывать с использованием компьютерных программ. В каналах и тоннелях из лотковых элементов при переменной толщине стены, когда толщины стены понизу t2 и поверху t1 отличаются не более чем в 1,5...3 раза, допускается в расчет вводить постоянную толщину стены t = (2t2 + t1)/3. Расчетный пролет равен расстоянию между центрами тяжести опорных площадок стен лотковых элементов. Трубы (трубопроводы), заглубленные в грунт, предназначены для пропуска воды или другой жидкости. Железобетонные трубопроводы могут иметь круглое, овоидальное, прямоугольное поперечное сечение. Круглые трубы обычно проектируют сборными с кольцевым рабочим армированием. Однако при небольшой протяженности и малом объеме работ могут найти применение и монолитные конструкции. Их заглубление от поверхности земли до верха трубы принимают в пределах H=0,7...0,8 м. Возможно опирание труб на плоское уплотненное дно котлована (в точке), на железобетонную плиту, на выровненное по форме трубы дно котлована, или на грунт засыпки (рис. 9.13). Наименее экономичен первый вариант, так как реакция грунта передается на трубу в виде сосредоточенной силы, тогда как оболочки хорошо работают на распределенную нагрузку.  Применяют безнапорные и напорные трубопроводы при внутреннем давлении > 0,06 МПа. Трубы для безнапорных трубопроводов выпускают длиной 3...5 м, внутренним диаметром D = 0,3...3 м, толщиной 5 не менее 50 мм. Для их изготовления применяют бетон класса не ниже В25. Стенки трубы армируют двумя каркасами, расположенными у внутренней и наружной поверхности, из арматуры классов А400 диаметром 4...10 мм. Трубы малого диаметра D < 0,5 м армируют одной сеткой, расположенной на расстоянии (0,4...0,5)5 от внутренней поверхности. Трубы для напорных трубопроводов изготовляют длиной 5 м, из бетона класса не ниже В40; они могут иметь железобетонный или стальной сердечник. Высокую сплошность стенок обеспечивает метод виброгидропрессования труб. Трубы армируют напрягаемой арматурой: продольной диаметром 5 мм и спиральной диаметром 4...8 мм. Получают распространение самонапряженные напорные трубопроводы, изготовленные на бетоне на расширяющемся цементе. Расчет трубопроводов производят по прочности и трещиностойкости на самое невыгодное сочетание нагрузок; в нагрузки входит собственный вес трубы, внутреннее гидравлическое давление, давление напрягаемой арматуры, давление грунта с учетом пригруза на его поверхности (например, от автотранспорта). Расчетные нагрузки от грунта находят в зависимости от заглубления трубы как вес грунта над трубопроводом, или в пределах свода давления. Обычно при расчете трубопроводов, возводимых траншейным способом, нагрузка от грунта — это вес объема грунта над трубой. В практических расчетах вертикальную нагрузку принимают равномерно распределенную с интенсивностью (рис. 9.14)  где H — высота слоя грунта над трубой; hred — приведенная высота грун- та от временной нагрузки v; b, уb и уfc — соответственно толщина кольца, собственная масса единицы объема бетона и коэффициент надежности по нагрузке от собственного веса кольца, равный 1,1 и 1,2 соответственно для сборного или монолитного трубопровода. При расчете трубопроводов диаметром < 1,5 м условно принимают расчетную схему с введением сосредоточенной силы F. В этом случае в упругой стадии расчета кольца внутренние усилия определяют без учета отпора грунта по следующим формулам:  где F = 2p1r2, r0 = 0,5(r1 + r2); в — угловая ордината рассматриваемого сечения (см. рис. 9.14). На стадии раскрытия продольных трещин предварительное напряжение в кольцевой арматуре уменьшается, поэтому изгибающий момент с учетом частичного перераспределения усилий принимают равным  Расчет на прочность и трещиностойкость трубы в поперечном сечении производят как внецентренно растянутых или внецентренно сжатых элементов. Расчет бесшарнирного трубопровода, опирающегося не на дно котлована, а на насыпной грунт, и имеющего диаметр более 1,5 м, ведут по схеме на рис. 9.14. При расчете конструкции на давление грунта учитывают вертикальное р1 и горизонтальное е2 активные давления грунта, принимая их равномерно распределенными. Основное допущение при этом заключается в том, что не учитывается пассивный отпор грунта, что допустимо для достаточно жестких железобетонных колец, возводимых в насыпных грунтах. Суммарные значения усилия получают, складывая результаты двух указанных случаев расчета. При больших диаметрах и толщинах трубы нужно учитывать усилия от собственного веса конструкции. Вертикальную равномерно распределенную нагрузку р1 находят по формуле (9.23). Отпор грунта снизу принимают равномерно распределенным с интенсивностью р1. Внутренние усилия определяют по формулам: Изгибающие моменты  где а = 0,25; 0,125; -0,125; -0,25 соответственно при ф = 90, 60, 30 и 0°; а = -0,25cos 2ф; ф — угол между горизонтальной осью и радиусом, проходящим через рассматриваемое сечение.  Нормальные силы  При ф = 90, 60, 30 и 0 ° соответственно в = 0; 0,25; 0,75 и 1; в = cos2ф. Трубы армируют в соответствии с расчетом (рис. 9.15). |