CC BY
32
УДК 624.04
АНАЛИЗ РАБОТЫ ЛИВНЕВОГО КОЛЛЕКТОРА «ДРАЖНЯ»
В МИНСКЕ
Канд. техн. наук, доц. АРЕСТОВИЧА. И., инж. АРЕСТОВИЧ Д. А.
УП «ЦНТУС»
Ливневый коллектор «Дражня» состоит из железобетонных безнапорных труб, камер и колодцев. Среднее расстояние между камерами -50 м. Трубы использованы марки РТ-20Н круглого поперечного сечения, безнапорные со ступенчатой формой раструба (рис. 1).
На участке коллектора длиной 25 м были выявлены повреждения трубопровода в виде изменения диаметра. Так, внутренний горизонтальный диаметр Вгор = 227 см, а вертикальный ^верт = 160 см. На горизонтальной и вертикальной осях сечения образовались четыре пластических шарнира (рис. 2). Обрывов арматуры не наблюдалось.
Наружная часть трубки
Наружная часть трубки
Ф10 Б400 "Шаг 0 00
?Ф8 А-1
|Шаг 300
_Ф> 10 Б400 Шаг 100
Внутренняя часть труьки
Рис. 1. Труба канализационная марки РТ-20Н
С целью определения причин, приведших трубопровод в предельную стадию работы, было выполнено численное исследование напряженно-деформированного состояния участка трубопровода длиной 25 м на четыре загружения.
Загружение 1. Нагрузка от веса грунта и трубы. Трубопровод на спрофилированном ложе материкового грунта, угол обхвата 90° [1, с. 367, табл. 4.90].
Загружение 2. Нагрузка от веса грунта, трубы и бульдозера. Трубопровод на спрофилированном ложе материкового грунта, угол обхвата 90° (рис. 3 а).
Загружение 3. Нагрузка от веса грунта и трубы. Трубопровод на насыпном и частично на материковом грунте.
Загружение 4. Нагрузка от веса грунта, трубы и бульдозера. Трубопровод на насыпном и частично на материковом грунте (рис. 3б).
Вес грунта и трубопровода учитывался с коэффициентом надежности по нагрузке у/ = 1,35. Вес бульдозера - 60 т при у/ = 1,0 [2, с. 451]. Траншея на участке 15 м (рис. 3б) отрыта с «перебором» грунта на 37 см и проектная отметка достигается досыпкой грунта без уплотнения, а на двух участках трубопровода длиной по 5 м трубопровод укладывается на спрофилированное ложе. После монтажа трубопровода траншея засыпается. Засыпка может выполняться бульдозером. Загружения 3 и 4 предполагают движение бульдозера вдоль траншеи, когда одна из гусениц расположена над продольной осью трубопровода.
Рис. 2. Сплющивание труб коллектора
а
б
-\ ! 1 2
^ f [2,68 м
Рис. 3. Трубопровод: а - на материковом грунте (загружения 1, 2); б - на насыпном и частично на материковом грунте (загружения 3, 4)
Материковый грунт - это песок средней крупности, гравелистый или крупный. Модуль упругости материкового грунта Е = 39,2 МПа = = 4000 т-с/м2. Насыпной грунт имеет модуль упругости Е = 0,1 МПа = 10 т-с/м2. Коэффициент Пуассона грунтов ц = 0,28 [3, с. 12, табл. 1.4].
Класс бетона по прочности на сжатие труб В24 = С20/24. Модуль упругости бетона Е = = 29400 МПа = 3000000 т-с/м2. Расчетное сопротивление бетона по прочности: на сжатие fcd = =fck/jo = 19,2/1,5 = 12,8 МПа = 1305 т-с/м2; на растяжение fctd =fckJyc = 1,5/1,5 = 1,0 МПа = 102 т-с/м2. Коэффициент Пуассона бетона ц = 0,2.
Армирование трубы выполнено арматурой класса S400 диаметром 10 мм с шагом 100 мм. Расчетное сопротивление fyd = 365 МПа = = 37200 т-с/м2.
Расчет произведен по программе «Лира 9.4» [4]. Конечно-элементная модель трубопровода и грунта описана следующими конечными элементами (КЭ):
• бетон - КЭ типа 36, универсальный пространственный восьмиузловой изопараметри-ческий объемный элемент;
• арматура - КЭ типа 10, универсальный пространственный стержень;
• грунт материковый и насыпной - КЭ типов 34 и 36, универсальные пространственные шести- и восьмиузловые изопараметрические объемные элементы.
Сжимаемая толща грунта принята равной трехкратному диаметру трубы [3, с. 95]. В нижние узлы сжимаемой толщи в конечно-элементную модель устанавливались связи по трем направлениям декартовой системы осей координат. Боковое давление грунта считалось равным нулю на удалении также равном трехкратному диаметру трубы. В узлах КЭ, расположенных на контурных вертикалях, устанавливались связи по горизонтальному направлению.
Рис. 4 иллюстрирует объемный суперэлемент поперечника трубопровода и грунта конечно-элементной модели толщиной 0,1 м. Конечно-элементная модель состоит из 21750 КЭ и 37148 узлов. Порядок системы линейных алгебраических уравнений - 216250.
Ниже приведем некоторые результаты расчета поперечника с трубопроводом на подсыпке, соответствующие загружению 4. Изополя вертикальных перемещений поперечника на L/2 приведены на рис. 5.
Изополя вертикальных перемещений трубы показаны на рис. 6.
Загру жение 1
0,1м
->х
-1700,790 -141:5,909 -1132,727 -849545 -56(5,363 -2835,182 -16,9992 0
Загружение 2
Изополя перемещений по Z(G) Единица измерения - мм
Z
А
^.........рф \ V * ''' / . / / / / / Ж/ / / < ' /' / / \ \ \ \ \
Рис. 4. Суперэлемент конечно-элементной модели Рис. 5. Изополя вертикальных перемещений поперечника с трубо-
трубопровода в грунте
проводом на подсыпке с нагрузкой от бульдозера при L/2
Из рис. 6 следует, что максимальное вертикальное перемещение трубопровода составляет 46,655 мм.
Изополя главных напряжений Ы1 и N в трубе показаны на рис. 7 и 8 соответственно.
Эпюра продольных усилий в арматуре представлена на рис. 9.
Загружение 2
Изополя перемещений по Х(^) Единица измерения - мм
-46,655 -42,287 -37,966 -33,645 -29,324 -25,003 -20,662
Ал
Рис. 6. Изополя вертикальных перемещений трубопровода на насыпном грунте с нагрузкой от бульдозера
-6,852 -0,068 0,068 255,613 511,226 766,839 1022,452 1278,065 1535,212
Литера Загружение 2
Изополя главных напряжений N
Средний слой
Единица измерения - т/м2
А
'--> г
Рис. 7. Изополл главных напряжений N1 трубы на насыпном грунте с нагрузкой от бульдозера на Ь/2
Рис. 8. Изополя главных напряжений трубы на насыпном грунте с нагрузкой от бульдозера на L/2
Загружение 2
Миксимальное у силие 0,172408
Рис. 9. Эпюра продольных усилий в арматуре на насыпном грунте с нагрузкой от бульдозера на L/2
Анализ рис. 7, 8 свидетельствует о том, что максимальное значение М = 1535,212 тс/м2 > > = 102 тс/м2. На вертикальной оси сечения (внизу) образуется зона разрушения бетона, которая распространяется на нижнюю половину трубы (рис. 7). Зона разрушения бетона появляется в верхней части трубы, так как |-3| = = 1372,279 тс/м2 > ^ = 1305 тс/м2. Напряжения в арматуре: • сжатой ^ = 0,231/0,000157 = 1471 тс/м2 < < У = 37200 тс/м2;
Результаты р
• растянутой с+ = 0,172/0,000157 = 1096 тс/м2 < < ^ = 37200 тс/м2.
Результаты расчетов трубопровода по различным вариантам загружения (с нагрузкой от веса бульдозера и без нее) с разными вариантами укладки трубопровода на грунт (на спрофилированное ложе материкового грунта с углом обхвата ~90° и на подсыпку толщиной 37 см) представлены в табл. 1.
Таблица 1
трубопровода
Нагрузка Трубопровод Арматура
Вертикальное перемещение, мм Главные напряжения, тс/м2 Усилия, тс Напряжения, тс/м2
N1 N2 N3 -^тах ^тт ^тах
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Грунт Материк Вес грунта и трубы -22,228 184,744 трещины на вертикальной оси на неполную толщину стенки 89,00 -145,419 -0,148 0,030 942,7 191,1
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Материк Вес грунта, трубы и бульдозера -22,83 221,197 трещина на вертикальной оси (внизу) на неполную толщину стенки 96,186 -165,748 -0,164 0,038 1044,5 242,0
Грунт й Вес грунта и трубы -44,998 1425,068 разрушение бетона нижней части трубы 72,792 -1258,891 -0,212 0,158 1350,3 1006,4
л о « о с Вес грунта, трубы и бульдозера -46,655 1535,212 образование зон разрушение бетона в нижней и верхней части трубы 86,061 -1372,279 -0,231 0,172 1471,3 1095,5
В Ы В О Д Ы
1. Разрушение бетона подземного трубопровода имеет место, когда траншея отрывается с «перебором» материкового грунта и проектная отметка достигается досыпкой нового грунта без уплотнения.
2. Обратная засыпка траншей бульдозером может привести к переходу трубопровода в предельное состояние (на горизонтальной и вертикальной осях сечения трубы образуются четыре пластических шарнира).
3. При устройстве траншей под трубопроводы «перебор» материкового грунта и досыпка нового грунта без его уплотнения до состояния материкового грунта недопустимы.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Справочник проектировщика. Сборные железобетонные конструкции. - М.: Гос. изд-во лит-ры по строительству, архитектуре и строительным материалам, 1959. -604 с.
2. Справочник проектировщика. Типовые железобетонные конструкции зданий и сооружений для промышленного строительства. - М.: Стройиздат, 1974. - 398 с.
3. Справочник проектировщика промышленных, жилых и общественных зданий и сооружений. Основание и фундаменты / НИИ оснований и подземных сооружений Госстроя СССР. - М.: Стройиздат, 1964. - 268 с.
4. Программный комплекс «ЛИРА-Wmdows». - Киев: Факт, 1997. - 137 с.
Поступила 08.12.2010
