Опоры линии электропередачи

Тема 14. КОНСТРУКЦИИ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ

 

 

Резервуары

 

В комплексах промышленных объектов помимо зданий производственного и административного назначения возводятся инженерные сооружения. К их числу относятся резервуары, водонапорные башни, бункера, силосы, подпорные стены, каналы и туннели для инженерных сетей и др.

● Резервуары предназначаются для хранения воды, технологических растворов, нефти, нефтепродуктов и т. п. По форме железобетонные резервуары бывают цилиндрическими и прямоугольными (рис. 14.1). Выбор формы определяется главным образом экономическим расчетом. При одинаковой емкости и высоте периметр стенок цилиндрического резервуара меньше, чем прямоугольного. Это дает экономию материала и сокращает смачиваемую поверхность, что приводит к уменьшению потере хранимой жидкости. Однако в стенках цилиндрические резервуаров растягивающие усилия от гидростатического давления возрастают пропорционально диаметру, а в прямоугольных — изгибающие моменты в стенах не зависят от размеров резервуаров в плане, что позволяет иметь одинаковую толщину стен в резервуарах разной емкости.

Рис. 14.1. Конструкции железобетонных резервуаров (размеры в м):

1 — капители; 2 — стенка; 3 — безбалочная плита покрытия; 4 — днище; 5 — сборные панели стенок; 6 — плита покрытия; 7 — монолитные участки; 8 — ригели; 9 — торкрет-бетон; 10 — напрягаемая кольцевая арматура; 11 — дополнительная арматура для воспринятия изгибающего момента; 12 — бетон на мелком гравии; 13 — выравнивающий слой раствора; 14 — асбоцементный раствор; 15 — битумная мастика; I — монолитный вариант; II — вариант со сборным балочным покрытием

 

Расчеты показали, что резервуары вместимостью до 2...3 тыс. м³ экономичнее круглой формы в плане, а более 5—6 тыс. м³ — прямоугольной. В соответствии с этим типовые цилиндрические резервуары для воды имеют вместимость до 6 тыс. м³, а прямоугольные — до 40 тыс. м³.

Железобетонные резервуары могут быть сборными, монолитными и сборно-монолитными. В сборных резервуарах сокращается расход бетона, продолжительность строительства и достигается экономический эффект 7 % стоимости сооружения. Резервуары бывают заглубленными и наземными, с покрытием и без него. В качестве опор покрытия используют стены, перегородки и колонны.

Днища резервуаров делают плоскими и коническими. В соединениях сборных элементов стенок рекомендуется применять герметики и бетон на расширяющемся цементе для более плотного заполнения швов и компенсации усадочных напряжений. Чтобы повысить водонепроницаемость резервуаров, их изнутри покрывают цементной штукатуркой, жидким стеклом или другими составами.

Следует избегать заглубления резервуаров ниже уровня грунтовых вод, поскольку при этом усложняется производство работ, утяжеляется конструкция днища (вследствие гидростатического давления воды снизу) и необходимо устройство оклеечной многослойной гидроизоляции резервуара.

Для стенок и днища резервуаров обычно используют тяжелый плотный бетон, характеризуемый классами по прочности на сжатие В15...В30 и марками по водонепроницаемости W4...W8 и по морозостойкости F100...F150. В конструкциях без предварительного напряжения применяют арматуру классов A-I, А-II, A-III, Вр-I; с предварительным напряжением (для цилиндрических стенок) — высокопрочную классов A-1V и выше.

■ Цилиндрические резервуары [14]. Покрытия круглых в плане монолитных резервуаров могут быть купольные и плоские. Купольные покрытия по затрате материалов более экономичны, но при возведении требуют сложной опалубки и не нашли широкого применения. Обычно монолитный резервуар включает плоское безбалочное покрытие, поддерживаемое колоннами с капителями вверху и обратными капителями внизу, гладкую стену цилиндрической формы и плоское днище (рис. 14.1, а). Безбалочное покрытие отличается малой конструктивной высотой и обеспечивает хорошую вентиляцию пространства над уровнем содержащейся жидкости.

Покрытия сборных резервуаров обычно выполняют в виде плоского балочного с шагом колонн 6×6 м из унифицированных элементов междуэтажных перекрытий промышленных зданий (рис. 14.1, б). Возможны и другие конструктивные схемы сборных покрытий (см. рис. 14.1, в, г).

Стенку резервуара выполняют из панелей, длина которых равна высоте резервуара (рис. 14.1, е). Панель устанавливают вертикально в специальный паз, образованный двумя кольцевыми выступами на днище, и заполняют швы между ними. Конструктивное решение сопряжения может быть жесткое и подвижное (рис. 14.1, ж, з). Стенку снаружи обжимают кольцевой предварительно напряженной арматурой (рис. 14.1, е), которую после натяжения защищают торкрет-бетоном. Натяжение проволочной арматуры производят с помощью навивочных машин, стержневой — электротермическим способом. Стеновые панели армируют одиночной или двойной сеткой, сечение стержней которой назначают из расчета прочности и трещиностойкости в период изготовления, транспортирования и монтажа. Выпуски арматуры (рис. 14.1, е) стеновых панелей сваривают между собой. В нижней части панели предусматривают дополнительные стержни для воспринятая изгибающих моментов, возникающих вследствие взаимодействия стены с днищем. Для опирания колонн в днище делают утолщения со стаканами. Пропуск колонн сквозь днище и установка их на самостоятельный фундамент не рекомендуется вследствие трудности обеспечения непроницаемости сопряжения днища с колонной.

Конструкции покрытия, колонн и днища рассчитывают на действие собственной массы, массы грунтовой засыпки и временных нагрузок, расположенных на покрытии. Стенки открытых наземных резервуаров рассчитывают на гидростатическое давление жидкости при заполнении резервуара; стенки заглубленных резервуаров — на вертикальные нагрузки, передаваемые на них конструкциями покрытия, и горизонтальные нагрузки: от внутреннего гидростатического давления, при отсутствии обсыпки; от горизонтального давления грунта при порожнем резервуаре. Кроме того, в ряде случаев конструкции рассчитывают на неравномерный нагрев или охлаждение (см. гл. 15).

Расчетное давление жидкости на стенки резервуара на глубине H — х (рис. 14.2, а):

где γ — удельный вес жидкости; γ_f =1,1 — коэффициент надежности по нагрузке.

Это давление вызывает в стенках резервуара (не имеющих связи с днищем) растягивающее усилие N  = p_xr, где r — радиус резервуара.

При воздействии кольцевых усилий и отсутствии сопряжения с днищем периметр стенок удлиняется, стенка свободно перемещается в радиальном направлении, изгибающие моменты не возникают. При жестком сопряжении стенки с днищем радиальные перемещения на уровне днища практически равны нулю. В результате этого стенка искривляется и в направлении образующей цилиндра возникают изгибающие моменты М_х и поперечные силы Q_x.

Рис. 14.2.К расчету стенок цилиндрического резервуара

 

Вырезанную из оболочки вертикальную полосу шириной, равной 1, можно рассматривать как балку, защемленную понизу и подпертую по всей длине упругими силами — радиальными составляющими кольцевых усилий. Расчетные формулы для определения М и N_k можно получить из решения дифференциального уравнения изгиба балки на упругом основании при соответствую­щих граничных условиях [24]. Например, при подвижном сопряжении сборной цилиндрической стенки е днищем (рис. 14.1, з) по ее торцу образуется сила трения, вызванная расчетной продольной силой N и препятствующая горизонтальному смещению стенки:

Q_f = Nμ,                                          (14.2)

где μ — коэффициент трения стенки о днище, μ = 0,5.

В этом случае кольцевые растягивающие усилия в стенке постоянной толщины на уровне х от днища (рис. 14.2, б) [13]

Максимальный момент будет в сечении Х_mах = 0,6 :

где φ=x/s — безразмерная координата; s=0,76 —упругая характеристика стенки; h — толщина стенки.

Площадь сечения кольцевой арматуры стенки определяют как в центрально растянутом элементе, отдельно для каждого пояса высотой 1 м по наибольшему кольцевому усилию в данном поясе:

Площадь сечения вертикальной арматуры стенок рассчитывают от совместного действия продольной силы N и изгибающего момента М_maх.

Стенки резервуаров относят к конструкциям 1-й категории трещиностойкости, поэтому расчет образования трещин проводят на действие N_k при расчетных нагрузках (с коэффициентом надежности по нагрузке γ_f>l).

Днища резервуаров при отсутствии подпора воды армируют конструктивно, поскольку нагрузка от днища и жидкости над ним уравновешивается подпором грунта, не вызывая изгиба днища. Исключение составляют участки, примыкающие к стенам и фундаментам колонн, где возникают местные изгибающие моменты. На этих участках днище усиливается местными утолщениями и дополнительной арматурой.

■ Прямоугольные резервуары. Конструкции покрытий прямоугольных резервуаров решаются аналогично конструкциям покрытий цилиндрических резервуаров (см. рис. 14.1, д). Стенки могут быть гладкими или ребристыми, монолитными или из сборных панелей. Стыки сборных панелей осуществляют шпоночными или путем сварки выпусков арматуры с последующим омоноличиванием. Днища сборных и монолитных резервуаров обычно делают монолитными.

Определение усилий в стенках прямоугольных резервуаров производят при тех же комбинациях нагрузок, что и цилиндрических. При этом усилия, возникающие в стенках, зависят не только от нагрузок, но и от типа резервуара (открытый, закрытый) и соотношения между высотой стенки резервуара и ее длиной (или расстоянием между вертикальными ребрами).

При отношении высоты стенки к ее длине H/l>3 стены делят по высоте на отдельные пояса высотой 1 м и рассчитывают как рамы, загруженные максимальным в пределах пояса давлением жидкости или грунта. Помимо возникающих изгибающих моментов должны учитывать­ся продольные силы в элементах пояса: растягивающие — от давления жидкости и сжимающие — от бокового давления грунта. По полученным значениям изгибающих моментов и продольных сил подбирают сечение горизонтальной арматуры стенок как во внецентренно растянутых или внецентренно сжатых элементах. При 3>H/l≥1/3 изгибающие моменты в стенках определяют как в плитах, работающих в двух направлениях. При H/l<1/3 стену рассчитывают только в вертикальном направлении как балку (двухопорную в закрытых резервуарах и консольную в открытых). В этом случае вертикальную арматуру стенок определяют расчетом, а горизонтальную принимают конструктивно.

 

Водонапорные башни

 

●Водонапорные башни предназначены для создания необходимого напора в водонапорной сети и обеспечения запаса воды во время остановки работы насосных станций. В состав конструктивной схемы водонапорной башни входят резервуар, опора и фундамент (рис. 14.3, а). Чтобы оградить резервуар от температурных воздействий, стены его утепляют, а над ним устраивают шатер (рис. 14.3, в).

Вместимость резервуара водонапорных башен 15...3000 м³, высота опорной части 6...50 м. При емкости резервуара до 50 м³ его устраивают стальным, при большем емкости — стальным или железобетонным. Наибольшей простотой отличается конструкция железобетонного резервуара с цилиндрической стенкой и плоским несущим днищем, расположенным на сплошном железобетонном перекрытии опоры (рис. 14.3, а). Резервуары со сферическим днищем более экономичны по расходу материала, но сложны в изготовлении. По сравнению с ними более простыми и достаточно экономичными по расходу материалов и стоимости являются резервуары с цилиндрической стенкой, переходящей внизу в коническую, с несущим днищем (рис. 14.3, б). Стенки железобетонных резервуаров для обеспечения требуемой трещиностойкости должны быть предварительно напряженными.

Железобетонная опора башен чаще всего выполняется в виде сплошной монолитной цилиндрической оболочки (рис. 14.3, г), возводимой в подвижной инвентарной опалубке, а также в виде сборных железобетонных пространственных конструкций рамной (рис. 14.3 д) или сквозной сетчатой системы (рис. 14.3, е). Последние являются более экономичными по расходу материалов.

Рис. 14.3. Конструкции (а...е) и схема расчета на опрокидывание

(ж) водонапорных башен: 1 - резервуар; 2 - опора; 3 - фундамент; 4 - шатер

 

Возможны и другие решения. Фундамент башни железобетонный, монолитный с кольцевыми ребрами по контуру ствола (рис. 14.3, г).

В водонапорных башнях расчету подлежат конструкции резервуара, опор, фундамента и шатра. Резервуар рассчитывают по прочности и трещиностойкости на давление содержащейся в нем жидкости. При расчете конструкции опоры основными нагрузками служат давление наполненного резервуара G₃, массы опоры G₂ и фундамента с грунтом на его уступах G₁, горизонтальное давление ветра на резервуар W₂ и на опору W₁ (рис. 14.3, ж). Опора в целом оказывается внецентренно сжатой от действия нагрузки G₃, G₂ и момента (от сил W₁, W₂). Помимо расчета прочности необходим расчет устойчивости башни на опрокидывание при пустом резервуаре. Коэффициент устойчивости против опрокидывания k=M₁/M₂ принимают не менее 1,5; M₁=∑G_ia; M₂=∑W_ih_i.

 

Бункера

 

●Бункером называют саморазгружающиеся емкости призматической или цилиндрической формы, предназначенные для хранения сыпучих материалов (зерно, цемент, песок, уголь, руда и т. п.). Загружение бункеров производят сверку, разгрузку — снизу. Поэтому днища у них устраивают с наклонными стенками в виде воронок. Угол наклона плоскостей днища — воронки должен быть на 5...10° больше угла естественного откоса сыпучего материала. Высота бункера h≤1,5а (где а>b) (рис. 14.4).

Железобетонные бункера строят монолитными и сборными, последние более индустриальны. В сборных бункерах вертикальные стенки делят на прямоугольные панели, а стенки воронок — на треугольные или трапециевидные (рис. 14.4, в). Все сборные элементы соединяются на монтаже с помощью сварки закладных металлических деталей, швы замоноличиваются.

Расчет бункеров включает определение давления сыпучего материала на отдельные плоскости конструкций бункера и вычисление изгибающих моментов и продольных усилий, возникающих в стенках бункера. Давление сыпучего материала на стенки бункера и воронки определяется на основе теории сыпучего тела, в соответствии с которой в любой точке стенки имеются две составляющие: вертикальное р_v и горизонтальное р_h давление (рис. 14.4,г). Зная давление на две взаимно перпендикулярные площади, можно определить нормальное и касательное давление на любой площадке, проходящей через рассматриваемую точку.

Точный расчет бункеров как пространственных систем сложен, поэтому для практических расчетов, когда по условиям эксплуатации в конструкции могут быть допущены трещины, используют метод предельного равновесия. Исследованиями установлено, что одиночный прямоугольный бункер может разрушаться по нескольким схемам [13] (рис. 14.4, д...з): вследствие изгиба стен из их плоскости, разрыва стен от горизонтального внутреннего распора, отрыва воронки, изгиба стенок бункера в их плоскости по нормальным или наклонным сечениям. Прочность против всех возможных видов разрушений должна обеспечиваться расчетом.

Рис. 14.4. К расчету бункеров:

а, б — конструктивные решения монолитных бункеров; в — то же, сборных бункеров; г — определение давления на наклонную стенку воронки; д...з — возможные схемы разрушения бункера; и — армирование стенок и воронки монолитного бункера

 

Моменты, возникающие в стенах вследствие изгиба из плоскости, находят как для плит, защемленных по контуру. Горизонтальные усилия разрыва на единицу высоты вертикальных стенок находят по формулам (рис. 14.4 а):

N_a = p_hb/2,    N_b = p_ha/2,

где N_a, N_b — усилия в стенках, имеющих соответственно длину а я b. Определение усилий в трапециевидных стенках воронок приведено в [13].

Армирование стенок осуществляется как для внецентренно растянутых прямоугольных элементов. Прочность воронок в месте возможного отрыва проверяют на усилия от массы содержимого бункера и собственной массы воронки. Кроме того, производят проверку прочности стенок бункера как однопролетных балок по нормальным и наклонным сечениям.

 

Силосы

 

●Силосами принято называть емкости для хранения сыпучих материалов, у которых соотношение глубины h и размеров в плане а и b отвечает условию h>1,5а (а>b). Силосы бывают отдельные (рис. 14.5, а) и групповые (рис. 14.5, б), объединенные в единую конструкцию. По форме силосы могут быть цилиндрические или призматические с четырьмя, шестью или восемью гранями. Для цилиндрических силосов оптимальный диаметр 6 м, для квадратных в плане размер стороны З...4м. Полная высота типовых силосов принята 15...42,6 м. Силосы сооружают монолитными и сборными. Монолитные возводятся в скользящей или переставной опалубке. Толщина стенок 180...240 мм. Бетон класса В15. Стенки армируют преимущественно арматурой класса А-II в виде сеток. Сборные элементы стенок призматических силосов могут быть гладкими толщиной 100 мм или ребристыми с толщиной стенки 60 мм (рис. 14.5, в).

Класс бетона не ниже В25. Цилиндрические сборные силосы возводят из кольцевых или сегментных элементов. Кольцевые элементы применяют при диаметре до 3 м, так как при больших размерах возникают трудности в транспортировании. Наибольшее распространение получили силосы из сегментных элементов. В этом случае каждое кольцо может собираться из 4-х, 6-ти или 8-ми элементов криволинейного очертания, соединенных на болтах или сваркой закладных деталей.

Рис. 14.5. Конструкции монолитных и сборных силосов:

1 — подсилосный этаж; 2 — днище; 3 — силосные банки; 4 — перекрытие; 5 — надсилосная галерея; 6 — фундаментная плита; 7...9 — сборные элементы призматических силосов; 10 — кольцевая рабочая арматура; 11 — вертикальная арматура; 12 — шпильки

 

При сборке колец большого диаметра целесообразно применять предварительное напряжение.

Расчет силосов включает расчет стенок, днища, колонн, фундаментов, элементов надсилосной галереи и покрытия.

Стенки силосных банок испытывают растяжение в горизонтальном направлении и внецентренное сжатие в вертикальном при действии нагрузок от собственного веса, давления сыпучего материала, веса конструкций покрытия и снеговой нагрузки на покрытие. Нужно также учитывать, что сыпучий материал создает как горизонтальное давление p_h, так и вертикальное, возникающее вследствие трения его о стенки, равное p_v = μp_n, где μ — коэффициент трения сыпучего о стенки силоса, μ = 0,4...0,8. Растягивающее усилие в стенках круглого силоса от давления p_h, нормально приложенного к поверхности, будет N=p_hr. В этом случае площадь сечения горизонтальной арматуры на единицу высоты стенки находят из выражения A_S=N/R_S. В вертикальном направлении расчет производят на действие сжимающего усилия от массы всех вышерасположенных конструкций и снега, а также усилия, вызванного в стенке трением сыпучего материала. Обычно наиболее опасным является сечение у воронки или у фундаментной плиты. Ячейку отдельного квадратного в плане силоса рассчитывают на каждом ярусе высоты как замкнутую раму при воздействии внутреннего давления p_h. Стенки в этом случае испытывают растягивающие усилия p_ha/2 и изгибающие моменты в углах M=p_ha²/12 и в пролете M=p_hа²/24. Армирование стенок силосов показано на рис. 14.5, г, д.

 

Подпорные стены

 

●Подпорные стены представляют собой инженерные сооружения, служащие для удержания в требуемом положении грунта или других сыпучих тел. По конструктивному решению подпорные стены делят на массивные и тонкие. Массивные, выполняемые из бетона и каменной кладки, воспринимают действующее на них давление грунта за счет собственной значительной массы. Железобетонные подпорные стены, являясь относительно тонкостенными конструкциями, воспринимают действующие на них усилия в основном за счет веса засыпки грунта, находящегося на нижней плите, специальных анкеров, препятствующих скольжению, и т. п. Различают железо-бетонные подпорные стены: уголковые, с контрфорсами анкерные (рис. 14.6, а...г) и др. [15].

Уголковые подпорные стены применяют, когда полная высота стены не превышает 4,5 м. При большей высоте экономичнее стены с контрфорсами или анкерные. Уголковые стены могут быть монолитными и сборными. Сборные стены при разрезке только вертикальными швами (через 2...3 м) по характеру работы не отличаются от монолитных. При разрезе вертикальными и горизонтальными швами сопряжение вертикальной плиты с фундаментной плитой осуществляют путем установки плит в специальный паз с последующим омоноличиванием (рис. 14.6, д).

Рис. 14.6. Конструктивные решения подпорных стенок (а...д)

и схема армирования уголковой подпорной стенки (е):

1 — контрфорс; 2 — анкер; 3 — тяж

 

В контрфорсных подпорных стенах давление грунта воспринимается стеновыми плитами и передается ребрам (контрфорсам), которые работают как консольные балки, жестко защемленые в фундаментной плите.

Анкерные подпорные стены применяют в двух вариантах: с устройством тяг, заанкеренных в грунт за пределами призмы обрушения (рис. 14.6, в), и устройством тяг, соединяющих верхний конец стенки с концом фундаментной плиты (рис. 14.6, г).

Встречаются и другие конструктивные решения подпорных стен: арочные — имеющие заполнения между контрфорсами в виде сводов; ряжевые — возводимые из отдельных брусьев, стены с разгрузочными площадками, снижающими активное давление грунта, и т. п.

На угловую подпорную стену действуют (рис. 14.6, е): боковое давление грунта F, нагрузка от собственной массы стены, грунта на уступах стены и фундаментной плиты G, временная нагрузка по верху стены и на поверхности грунта v. Боковое давление грунта F определяется по известным формулам механики сыпучих сред с учетом коэффициента надежности по нагрузке, равного 1,2. Путем сравнения вариантов выбирают оптимальное соотношение между шириной фундаментной плиты и высотой стены, а также вылет внешней консоли фундаментной плиты. При этом должны быть соблюдены условия, чтобы среднее давление по подошве фундамента от нормативной нагрузки р_m,n не было больше расчетного давления на грунт R: p_m,n =N_n/A≤R, а наибольшее краевое давление p_{max n} не превышало бы 1,2R; здесь А = b·1 — площадь подошвы нижней плиты. Кроме того, подпорная стена должна проверяться на устойчивость против опрокидывания и скольжения M₁/M₂ > 1,5, ∑Gμ/F>1,2, где μ — коэффициент трения бетона по грунту, принимаемый в зависимости от вида грунта 0,25...0,6. При определении M₁ расчетные постоянные удерживающие нагрузки вводятся с коэффициентом надежности по нагрузке γ_f = 0,9, а временные нагрузки не учитываются.

Расчет вертикальной плиты, загруженной горизонтальным давлением, производится как консольной балки, заделанной в фундаментной плите. Расчетную арматуру А_s1 устанавливают вертикально со стороны внутренней поверхности и обеспечивают надежную анкеровку ее в фундаментной плите. Распределительная арматура устанавливается горизонтально. Внешние и внутренние выступы опорной плиты рассчитывают как консоли. При том внешняя консоль будет загружена давлением грунта снизу, внутренняя— еще и грунтом, расположенным сверху плиты. Расчетное количество арматуры A_s2 и А_s3 размещают соответственно у нижней и верхней поверхности плиты (рис. 14.6, е).

 

Каналы и туннели

 

●Каналом называют сооружение для прокладки коммуникаций, но без прохода по нему людей.

●Туннелем называют подземное горизонтальное или наклонное протяженное сооружение, предназначенное Для размещения коммуникаций (трубопроводов, электро-кабелей) и оборудования (например, транспортеров) с проходом для обслуживающего персонала.

Рис. 14.7. Конструктивные решения (а...ж) и расчетные

схемы (з...л) каналов и туннелей: 1 — выпуски арматуры

 

На территории промышленных объектов проектируются преимущественно туннели и каналы неглубокого заложения, выполняемые открытым способом. Верх перекрытия таких сооружений обычно располагают на отметке 0,5...1,5 м ниже уровня земли, по длине устраивают деформационные швы.

Каналы и туннели проектируют одно-, двух- или трехпролетными. Высота каналов в свету 0,3...1,5 м, туннелей — 1,8...6 м, в том числе пешеходных — не менее 2 м. Ширина одного пролета каналов 0,3...3 м, туннелей — 1,5...6 м. Конкретные размеры каналов и ширину туннелей определяют технологическими соображениями. Каналы и туннели проектируют, главным образом, из сборного железобетона. Каналы выполняют из лотковых элементов и плит (рис. 14.7, а, б). При наличии производственной базы возможно применение сводчатых сборных элементов, более экономичных по расходу материалов (рис. 14.7, г). Туннели могут выполняться из лотковых (рис. 14.7, в), уголковых (рис. 14.7, д) и объемных (рис. 14.7, е) элементов. Бетон сборных конструкций В15...В30. Каналы и туннели из монолитного железобетона делают при высоких нагрузках на перекрытие (≥0,15 МПа) и при небольшой протяженности трассы. Элементы каналов и туннелей армируют сварными сетками из арматуры класса A-III и проволоки Вр-I (рис. 14.7, ж).

Конструкции каналов и туннелей рассчитывают на прочность, трещиностойкость и по деформациям на вертикальное p_v и горизонтальное p_h давление грунта, нагрузки от размещаемого внутри технологического оборудования, от колес подвижного состава транспорта и т, п. Давление грунта (рис. 14.7, з)

p_v  = γ_fγH₁  p_v  = γ_fγ(H₁+h),

р_h  = p_v tg²(45°-φ/2),

p_h  = p_v tg²(45°-φ/2),

 

где H — высота засыпки; γ — нагрузка от массы единицы объема грунта; γ_f — коэффициент надежности по нагрузке; φ — нормативны угол внутреннего трения грунта; h — высота сооружения.

Нагрузки от подвижного состава принимают по нормам проектирования транспортных сооружений. При наличии грунтовых вод учитывается также давление воды и возможность всплытия.

Каналы и туннели из лотковых и уголковых элементов рассчитывают методами строительной механики как упругие рамные системы. Вводимая в расчет ширина рамы принимается равной 1 м (вдоль трассы) или длине сборного элемента (1,5 или 3 м). Сопряжения лотков между собой и с плитами, а также уголков с плитами — шарнирные (рис. 14.7, и, к). Для периода строительства и ремонта лотковые элементы (рис. 14.7, а, в) рассчитывают элемента перекрытия (плиты или верхнего лотка), пели из объемных элементов и монолитные конструкции рассчитывают как рамы с жесткими узлами (рис, 14.7, л). Монолитные каналы и туннели, в случае пересечения их трассы дорогами и т. п. проверяют также на изгиб в продольном направлении как балки на упругом основании на нагрузки от массы дорожного полотна и подвижного состава.

 

Дымовые трубы

 

●Дымовые трубы применяют для отвода продуктом горения от котельных и различных тепловых объектов в верхние слои атмосферы. Дымовые трубы бывают кирпичные и железобетонные, сборные и монолитные, возводимые из обычного тяжелого бетона или тяжелого и легкого жаростойкого бетонам. В настоящее время, как прав вило, строят железобетонные трубы, которые менее трудоемки и при большой высоте экономичнее кирпичных. Высота железобетонных труб изменяется в пределах от 20 до 500 м. Основные размеры трубы определяют теплотехническим расчетом.

Ряс. 14.8. Железобетонные дымовые трубы:

1 — ствол; 2 — фундамент; 3 — зольник;

4 — световые площадки; 5 — молниеотвод; 6 — футеровка

 

Конструктивными элементами железобетонных дымовых труб являются: ствол, футеровка, фундамент и перекрытие над зольником. К стволу крепится металлическая лестница и световые площадки (рис. 14.8).

●Ствол сборных железобетонных труб высотой до 60 м имеет цилиндрическую форму. Его монтируют из отдельных железобетонных царг высотой до 3...4 м, соединенных по высоте напрягаемой или ненапрягаемой арматурой (пропускаемой в специально оставленных в царгах отверстиях). Царги диаметром 3.3,5 м изготовляют на заводах из бетона класса не ниже В25, большего диаметра — на стройплощадке. Толщину стен царг определяют с учетом конструкции стыка продольной арматуры, но не менее 150 мм. При высоте цилиндрической трубы до 40...45 м и применении напрягаемой арматуры можно мести сборку ствола, натяжение арматуры и инъецирование раствора в каналы в горизонтальном положении у места установки трубы. Подъем ствола и установка его и рабочее положение могут быть выполнены с помощью двух мачт или самоходного стрелового крана.

Ствол монолитной трубы имеет цилиндрическую или коническую форму. Цилиндрические трубы возводят в скользящей опалубке, дающей возможность производить непрерывное бетонирование со скоростью до 150...200 мм/ч, конические — в переставной инвентарной опалубке, позволяющей изменять толщину стенки ствола и его диаметр. Уклон образующей ствола конической трубы принимают 0,02...0,025.

Конические монолитные железобетонные дымовые трубы имеют большую жесткость, меньший расход бетона и лучший внешний вид. Однако они более сложны в изготовлении и при высоте до 50...60 м оказываются менее экономичными. Минимальная толщина стенки вверху монолитной трубы 160 мм при внутреннем диаметре до 5 м, 180 мм — при диаметре 5,1...7 м и 200 мм — при диаметре 7,1...9 м. Класс бетона монолитной трубы не менее В20. Арматура чаще ненапрягаемая класса A-III, в виде отдельных стержней, стыкуемых по высоте трубы внахлестку. Применение напрягаемой арматуры в монолитных трубах связано с трудностями производства работ и увеличением сроков строительства.

●Футеровку ствола выполняют из шамотного или керамического кирпича, а также из мелких жаростойких бетонных блоков. Между футеровкой и стволом остается зазор 30...50 мм, который заполняют теплоизоляционным материалом из расчета, что температура на внутренней поверхности трубы из обычного бетона не должна превышать 200 °С. При этом предельная температура газов 500°С. На внутренней поверхности трубы им жаростойкого бетона температура может достигать 700 °С.

На ствол дымовой трубы действует горизонтальная ветровая нагрузка, а также вертикальная — от веса трубы (ствола, футеровки, световых площадок) и температурный перепад, образующийся за счет разности температур на внутренней и наружной поверхностях ствола.

В горизонтальных кольцевых сечениях ствола, расположенных с наветренной стороны, в результате совместного действия нагрузки и температурного перепада возникает внецентренное растяжение, а в частях горизонтального сечения, расположенных с подветренной стороны, внецентренное сжатие. В вертикальных сечениях в результате температурного перепада возникаем изгибающий момент, вызывающий в сечениях сжимающие напряжения с внутренней стороны, а растягивающие — с наружной.

Толщину стенки ствола и вертикальную арматуру определяют из расчета горизонтальных сечений, а кольцевую арматуру — из расчета вертикальных сечений стенки. Расчет горизонтальных и вертикальных сечений производят по прочности и трещиностойкости, при этом расчетные сопротивления бетона и арматуры, а также модули упругости принимают с учетом снижения их в условиях воздействия высоких температур [8]. Все цилиндрические, а также конические трубы, имеющие уклон наружной поверхности ствола до 1%, рассчитывают c учетом пульсационной составляющей ветровой нагрузки [2].

 

Опоры линии электропередачи

 

●Линии электропередачи (ЛЭП) предназначаются для распределения и транспортирования электрической энергии, вырабатываемой электрическими станциями, к местам потребления. Железобетонные опоры экономичней стальных при напряжениях в сети до 500 кВ. По сравнению со стальными они обладают более высокими эксплуатационными качествами, требуют меньшего расхода стали, меньшую строительную стоимость, трудоемкость, а также более долговечны.

●По конструктивному решению железобетонные опоры ЛЭП могут быть одностоечные для линии с напряжением до 220 кВ (рис. 14.9, а) и портальные для линий с напряжением 320 и 500 кВ (рис. 14.9, б). При больших усилиях, действующих на опору, устраивают оттяжки (рис. 14.9, е). По назначению опоры делят на промежуточные, анкерные, делящие линию на отдельные участки, и угловые, устраиваемые в местах поворота линий.

Высота опор зависит от напряжения передаваемой энергии, величины натяжения, диаметра проводов, нагрузки от ветра и т. п. Полная высота типовых опор, включая фундаментную часть, для ЛЭП напряжением 1...10 кВ составляет 10,5... 15 м, напряжением 35...110 кВ составляет 14—25 м, напряжением 330...500 кВ составляет 26...30 м. Для напряжений 35...110 кВ пролеты линий 85...115 м, для напряжений 220...500 кВ достигают 400 м.

 

Рис. 14.9. Железобетонные опоры ЛЭП:

а — одностоечная; б — портальные с внутренними связями; в — анкерно-угловая на оттяжках; г — расчетная схема опор; д — схема деформирования одностоечной опоры

 

Основными конструктивными элементами опор ЛЭП являются стойки, траверсы, гирлянды изоляторов и тросостойки для крепления грозозащитного троса.

Железобетонные стойки опор могут быть кольцевого, двутаврового и прямоугольного сечения. Стойки кольцевого поперечного сечения изготовляют способом центрифугирования, а двутаврового и прямоугольного — вибрированием. В стойках кольцевого сечения продольная арматура распределяется равномерно по периметру сечения, поэтому их сопротивление механическим воздействиям в любом направлении одинаковое. Кроме топя такие стойки хорошо сопротивляются кручению.

Железобетонные стойки одностоечных опор без оттяжек бывают конической и реже цилиндрической формы. Из стоек цилиндрической формы строят опоры на оттяжках и портальные. Стойки армируют продольной напрягаемой высокопрочной арматурой. Поперечную (спиральную) арматуру выполняют из стали класса Вр-I диаметров 4...5,5 м. Непосредственно у торцов шаг этом арматуры уменьшают до 40...50 мм. Для стоек применяют бетон класса В35 и выше, марки F100. Толщина стенок стоек должна быть такой, чтобы надежно защитить арматуру (δ≥50...60 мм). Траверсы одностоечных опор металлические, а портальных — железобетонные.

Опоры ЛЭП рассчитывают на нормальный и аварийный режим эксплуатации. Основной горизонтальной нагрузкой при нормальном режиме для промежуточных опор является ветровая, действующая перпендикулярная направлению трассы на провода, тросы и опору. Вертикальная нагрузка на опоры состоит из собственного веса опоры, проводов, гирлянд изоляторов и гололеда на проводах и тросах.

Все угловые и анкерные опоры, кроме того, получают нагрузку от тяжести проводов. Последняя действует на анкерные опоры по направлению трассы, а на угловые — по биссектрисе внутреннего угла поворота трассы.

При аварийном режиме учитывают обрыв провода или троса, вызывающий в стойке дополнительный изгибающий и крутящий моменты (рис. 14.9, г). Кроме того, опоры проверяют на нагрузки, возникающие при транспортировании и монтаже.

Расчетную схему опоры принимают в соответствии с ее конструкцией: одностоечные опоры без оттяжек рассчитывают, как консольные балки, заделанные в грунте; портальные опоры — как заделанные в грунте рамы в предположении жесткой связи стоек с траверсой при монолитном стыке между ними и в предположении шарнирного соединения при болтовом стыке. Соединение одностоечных и портальных рам на оттяжках с фундаментом — шарнирное.

При большой гибкости вертикальная нагрузка создает дополнительный изгибающий момент вследствие изгиба стойки от горизонтальных и несимметрично приложенных вертикальных нагрузок, а также вследствие поворота ее в грунте (рис. 14.9, д). Поэтому условия, действующие в одностоечных и портальных системах без оттяжек при нормальном эксплуатационном режиме, определяют по деформированной схеме, с учетом указанного дополнительного момента. При аварийном режиме работы стойки опор ЛЭП должны рассчитываться на действие изгибающего и крутящего моментов, возникающих при обрыве проводов; расчет стоек производят приближенным методом, на основе принципа независимости действия сил.

При воздействии солнечных лучей сторона, обращенная к солнцу, нагревается больше по сравнению в противоположной теневой стороной. Вследствие этого ствол прогибается в теневую сторону. Этот прогиб также следует учитывать при определении дополнительных изгибающих моментов очень высоких сооружений.

Для опор ЛЭП без оттяжек специальные фундаменты не устраивают. Железобетонные стойки заглубляют в грунт на 3 м. Для стоек кольцевого сечения отрывают котлован диаметром на 100...120 мм больше диаметра стойки. После установки стойки котлован засыпают смесью песка и щебня с плотной трамбовкой. При закреплении стоек в нарушенном грунте устраивают дополнительно один или два железобетонных бруса-ригеля, стойки опор на оттяжках шарнирно соединяют со свайным или грибовидным фундаментом. Оттяжки крепят к грибовидным фундаментам, работающим на выдергивание.

Опоры ЛЭП должны быть устойчивы против опрокидывания:

где М₁ — удерживающий момент; М₂ — опрокидывающий момент.

 

 

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Конструктивные решения железобетонных цилиндрических резервуаров. 2. Определение нагрузок и усилий в стенках цилиндрических резервуаров.

3. Конструкции и принципы расчета в прямоугольных резервуаров.

4. Конструктивные решения и основы расчета водонапорных башен. Особенности расчета башен на опрокидывание.

5. Основы конструирования и расчета бункеров.

6. Принципиальные конструктивные решения силосов. Определение нагрузок и усилий в стенках круглых и квадратных силосов.

7. Типы железобетонных подпорных стен.

8. Расчет уголковых подпорных стен. Схема армирования.

9. Конструктивные решения каналов и туннелей.

10. Определение нагрузок в каналах и туннелях. Расчет элементов.

11. Конструктивные решения и принципы расчета дымовых труб.

12. Конструкции и основные принципы расчета опор ЛЭП.