лекция 23
advertisement
Лекция 23 Конспект лекций по дисциплине «Железобетонные и каменные конструкции ». Составлен Биленко В.А. 1 Лекция 23. ИНЖЕНЕРНЫЕ СООРУЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ ПРОМЫШЛЕННОГО И ГРАЖДАНСКОГО СТРОИТЕЛЬСТВА Промышленные и гражданские объекты, кроме одноэтажных и многоэтажных зданий производственного, административного, культурно-бытового и жилищного назначения, включают и различные инженерные сооружения: резервуары для хранения смазочных материалов, воды, нефти, керосина, бензина и других жидкостей; подпорные стены для благоустройства территории, удержания в проектном положении грунта и других сыпучих материалов; сооружения для прокладки инженерных коммуникаций, в том числе обеспечивающие транспортировку жидкостей, газов, теплоносителей (горячей воды, пара), переход людей через улицы в крупных городах; заглубленные в грунт каналы, тоннели и трубопроводы; сооружения башенного типа (водонапорные башни, обеспечивающие объекты водой, дымовые трубы, линии электропередач); бункера и силосы, используемые для хранения зерна и сыпучих материалов; подземные сооружения, возводимые без вскрытия дневной поверхности, гидротехнические, железно - и автодорожные тоннели, станции и тоннели метрополитенов, сооружения гражданской обороны — убежища, укрытия, узлы связи и т. п. Рассмотрим некоторые из них. 23.1. Железобетонные резервуары Железобетонные резервуары используют для хранения воды, нефтепродуктов и различных технических жидкостей. По расположению относительно дневной поверхности различают наземные и котлованные резервуары, которые могут быть сборными и монолитными, прямоугольного и круглого в плане очертания. Круглые резервуары. Круглые в плане резервуары (рис. 23.1) состоят из тонкой цилиндрической стенки, плоского днища и плоского или купольного (рис. 23.2) покрытия. Объем и размеры резервуаров унифицированы и на основе технико-экономического анализа разработаны типовые проекты. Например, принятые в нашей стране унифицированные параметры круглых в плане резервуаров приведены в табл. 23.1. Таблица 23.1 Параметры круглых резервуаров Объем, м Диаметр, м Высота, м 3 100 6,5 3,6 150 8 3,6 250 10 3,6 500 12 4,8 1000 18 4,8 2000 24 4,8 3000 30 4,8 6000 42 4,8 Лекция 23 Конспект лекций по дисциплине «Железобетонные и каменные конструкции ». Составлен Биленко В.А. 2 Купольные покрытия опираются непосредственно на стены по периметру резервуара. Плоские покрытия требуют дополнительных опор и чаще всего устраиваются в безбалочном исполнении. Колонны располагаются на расстоянии 3,5...4,5 м друг от друга. Для стен и днища резервуаров применяют тяжелый бетон классов В15...ВЗ0, марок по водонепроницаемости W4...WЗ0 и по морозостойкости F100...F150. Класс арматуры зависит от вида железобетонной конструкции: в обычных железобетонных конструкциях рекомендуется арматура класса А-III и Вр-1 (в качестве конструктивной и монтажной классов А-1, А-П); в предварительно напряженных — классов А1У...А-Ш, Вр-П. Для поддержания стационарного теплового режима внутри резервуара покрытие утепляют слоем грунта толщиной до 1 м или ячеистого (керамзитного) бетона. Рис. 23.1. Конструкции железобетонных резервуаров (размеры в м): а — монолитный; б, в, г — сборные цилиндрические; д — прямоугольные в плане; е — укладка панелей стен в пазы днища; ж, з — жесткое и подвижное соединения панелей стен с днищем; 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 восприятия изгибающего момента; 12 — бетон на мелком гравии; 13 — выравнивающий слой раствора; 14 — асбестоцементный раствор; 15 — битумная мастика; I — монолитный вариант; II — вариант со сборным балочным покрытием Лекция 23 Конспект лекций по дисциплине «Железобетонные и каменные конструкции ». Составлен Биленко В.А. 3 Конструкция резервуара зависит от способа изготовления. Монолитный резервуар (рис. 23.1, а) состоит из плоского безбалочного перекрытия, опирающегося на колонны с капителями в нижней и верхней частях, гладких цилиндрических стен и безреберного гладкого днища (плитного фундамента). Безреберное гладкое покрытие обеспечивает снижение расчетной высоты и создает лучшие условия для вентиляции. Рис. 23.2. Круглые резервуары с цилиндрической стенкой и купольным покрытием Сборные цилиндрические резервуары (рис. 23.1, б, в, г) состоят из круглой плиты днища, сборных колонн, укладываемых на них ригелей и ребристых прямоугольных или трапециевидных сборных плит перекрытия и сборных панелей стен, которые укладывают вертикально в паз между двумя кольцевыми ребрами днища (рис. 23.1, е) по периметру резервуара. Вертикальные швы между панелями заполняют бетоном, а затем, после набора бетоном 70 % проектной прочности, резервуар снаружи обжимают предварительно напряженной арматурой, которую после окончания процесса натяжения покрывают слоем торкретбетона. Соединение сборных стеновых панелей с днищем может быть жестким (рис. 23.1, ж), исключающим радиальные перемещения стены и угловой поворот в кольцевом пазу днища, и подвижным (рис. 23.1, з), допускающим указанные перемещения. Основы расчета резервуаров. Расчетное давление жидкости на стенки резервуара на расстоянии от днища x (рис. 23.3) равно px = H(1-x/H)ρ∙g∙γf (23.1) где H- высота резервуара; ρ — плотность жидкости (для воды ρ = 1); g – ускорение свободного падения; γf — коэффициент надежности по нагрузке от воды. Рис. 23.3. К расчету стенок цилиндрического резервуара (давление жидкости на стенки) Лекция 23 Конспект лекций по дисциплине «Железобетонные и каменные конструкции ». Составлен Биленко В.А. 4 Кольцевое растягивающее усилие на расстоянии х дна от гидростатического давления жидкости определяют по формуле Nx° = px R, (23.2) где R — внутренний радиус резервуара. При жестком закреплении стены в днище момент Мх и нормальная сила Nx (рис. 23.4, а) на расстоянии х от днища составляют: Рис. 23.4. Эпюры кольцевых сил и изгибающих моментов на стенки резервуара: а — сопряжение стены с днищем жесткое, б — то же, подвижное Nx = Nx°- po R[е-φcosφ + е-φsinφ(1-s/H)], (23.3) Mx = 0.5 po s2[(1-s/H)е-φcosφ - е-φsinφ], (23.4) где Nx° определяют по формуле (23.2); р0 — по (23.1) при х = 0; s — упругая характеристика стены, равная s 0.76 RH (23.5) В формулах (23.3)...(23.5) φ = s/H—безразмерная координата; h — толщина стенки; е-φ= 1. На уровне днища (при х = 0) максимальное значение изгибающего момента при защемлении стенки в днище будет равно Mmax = Mo = 0.5 po s2(1-s/H), (23.6) При подвижном сопряжении сборной цилиндрической стены с днищем, вследствие радиального перемещения стены по ее торцу, действует сила трения Qf = N μ1, (23.7) где N — нормальное давление по торцу стены от ее массы, передающейся от соответствующей части покрытия; μ1 — коэффициент трения торца стены о днище, равный 0,5. Кольцевое растягивающее усилие в стенке на расстоянии х от днища в этом случае будет равно Лекция 23 Конспект лекций по дисциплине «Железобетонные и каменные конструкции ». Составлен Биленко В.А. Nx = Nx° - 2(R/s) Qf е-φcosφ, 5 (23.8) а максимальный изгибающий момент, находящийся на высоте х1, определится из выражения Mmax = Mx1 = Qf s е-φsinφ, (23.9) Эпюры Мх в этом случае, а также Nx показаны на рис. 23.4, б. Заглубленные в грунт резервуары проектируют с учетом двух возможных случаев расчета: на действие внутреннего гидростатического давления жидкости в период испытаний или ремонта, когда внешнее давление от грунта отсутствует; на давление от грунта при опорожненном резервуаре. Усилия от гидростатического давления жидкости определяют согласно приведенным выше формулам в зависимости от конструкции сопряжения стены с днищем. Интенсивность расчетного значения горизонтального давления грунта на глубине (Н-х) от поверхности земли (или расстояния х от днища резервуара) определяют по формуле exg = (H-x)γgγfetg2(450-φ/2), (23.10) где γg и φ — соответственно плотность и угол естественного откоса грунта (обычно γg = 16... 19 кН/м3; φ = 30...450); γfe = 1,2 — коэффициент надежности по горизонтальному давлению грунта. Если на поверхности грунта приложена дополнительная нагрузка pred, то она приводится к весу эквивалентного слоя грунта высотой hred= pred/γg и учитывается в расчете. В простейшем случае наружная грань стены вертикальна, а поверхность грунта над стеной горизонтальна или имеет уклон менее 10°. Тогда, при отсутствии на поверхности дополнительной нагрузки, равнодействующую горизонтального давления грунта на 1 м длины стены можно определить по формуле Е =0,5H2γgγfetg2(450-φ/2), (23.11) Распределение давления грунта по высоте стены принимают линейным, поэтому равнодействующая Е принимается на расстоянии Н/3 от подошвы. Незаполненный резервуар должен быть проверен на всплытие согласно зависимости 0,9G≥1.1Apw, (23.12) где G — вес резервуара; А — площадь основания резервуара; pw — давление грунтовых вод на уровне подошвы фундамента. Расчет прочности стенки в кольцевом направлении производится как центральнорастянутого элемента, исходя из условия σs = Nxγn/As≤Rs, (23.13) где Nx — расчетное значение кольцевого усилия для каждого пояса высотой 1 м с учетом коэффициента надежности по назначению сооружения γn; Ах — площадь сечения арматуры. Лекция 23 Конспект лекций по дисциплине «Железобетонные и каменные конструкции ». Составлен Биленко В.А. 6 Расчет элементов конструкции резервуара по образованию трещин производится как растянутого предварительно напряженного элемента первой категории трещиностойкости на расчетные нагрузки с коэффициентом надежности по нагрузке γf > 1. Площадь сечения вертикальной арматуры стен рассчитывают от действия изгибающего момента Мтах (см. рис. 23.4) и размещают в нижней части стенки с защитным слоем бетона аb, = 15 мм; выше этого сечения предусматривают конструктивную арматуру. 23.2. Заглубленные в грунт каналы, тоннели и трубопроводы Каналы и тоннели на территориях промышленных и гражданских объектов возводят преимущественно котлованным способом на небольшой глубине. Каналами называют непроходные или полупроходные заглубленные в грунт сооружения с высотой в свету не более 1500 мм, предназначенные для прокладки наружных и внутренних инженерных сетей (трубопроводов, электрокабелей и т. п.). Котлованные тоннели возводят на территории промышленных предприятий и городов. Они предназначены для прохода людей, транспортирования материалов и изделий и других целей, поэтому их высота в свету в зависимости от назначения тоннеля должна быть не менее 1800...2000 мм. Тоннели оборудуют освещением, вентиляцией, сигнализацией и противопожарным устройством. Для стока случайных вод тоннели прокладывают с продольным уклоном i > 0,20 % и не реже чем через 100 м устраивают приямки со съемными решетками. В каналах высотой 1,3...1,7 м предусматривают люки не реже чем через 60 м по длине трассы, а также деформационные швы, заполненные битумом. Каналы незначительной протяженности устраивают из монолитного бетона или кирпичной кладки, а большой протяженности — из сборных железобетонных элементов (лотковых и плоских плит, рис. 23.5). Лотковые элементы изготовляют из плотного бетона класса В25, а плоские плиты — не ниже В15. Бетонные смеси приготовляют с добавкой суперпластификаторов. Элементы армируют сетками с использованием арматуры классов А-1, А-III и Вр-1. По назначению тоннели могут быть пешеходными, транспортными, коммуникационными, комбинированными (для транспортирования материалов и прохода людей) и воздуховодными. Высота пешеходных тоннелей должна быть не менее 2 м, ширина — не менее 1,5 м. Высоту других типов тоннелей принимают не менее 1,9 м. Их ширину определяют с учетом габаритов транспортеров и свободных проходов, составляющих не менее 0,7...0,8 м со стороны конвейера и 0,8...1 м между конвейерами. Для сборных элементов тоннелей принимают бетон класса В25. Элементы днищ тоннелей укладывают на подготовку из бетона класса В7,5, армированного по краям сетками из арматурных стержней D10мм А-1 с ячейками 150 х 150 мм. Наружные тоннели и каналы заглубляют из условия, чтобы расстояние от планировочной поверхности дороги до верха покрытия составляло не менее 0,7 м, а при пересечении с железнодорожным полотном — не менее 1 м до подошвы рельса. Лекция 23 Конспект лекций по дисциплине «Железобетонные и каменные конструкции ». Составлен Биленко В.А. 7 Рис. 23.5. Каналы и тоннели: а, б, в – с применением лотков и плит; г - односекционный тоннель с уголковыми стеновыми элементами и плитами покрытия и днища; д — двухсекционный тоннель с уголковыми стеновыми элементами и промежуточными стоечными опорами; е — объемный блок; 1 — лоток; 2—плита покрытия; 3 — цементный раствор; 4 — песчаная или бетонная подготовка; 5 — зазор между лотками, заполненный песком; 6—стальная прокладка; 7 — подрезка ребра плиты; 8 — фундамент колонны; 9 — плита днища; 10 — стыковое соединение; 11 — колонна; 12 — уголковый стеновой элемент; 13 — продольный прогон; 14 — объемный блок (замкнутая бесшарнирная рама) В грунтах естественной влажности тоннели сверху покрывают оклеечной гидроизоляцией из двух слоев битумоизола и защищают ее сверху слоем цементного раствора толщиной 30 мм. Стены обмазывают горячим битумом. При наличии грунтовых вод устраивают оклеечную изоляцию днища, а также стен на высоту 0,5 м выше расчетного уровня грунтовых вод. Под днищем каналов и тоннелей грунт трамбуют и по нему для каналов устраивают песчаную подготовку, а для тоннелей — бетонную. Толщина подготовки 100 мм. Наибольшее распространение при строительстве каналов и тоннелей получили конструкции из сборного железобетона с унифицированными размерами. Приняты следующие размеры лотков: по ширине (внутри) — 300, 450,600,900,1200 и 1500 мм; по длине — 3000 и 6000 мм. Плоские плиты покрытий и днища назначают соответствующей ширины длиной 3000 мм. В необходимых случаях используют доборные элементы. Из лотков и плит компонуют односекционные каналы с размещением лотков ребрами вверх (рис. 23.5, а) или ребрами вниз, а также двухсекционные (рис. 23.5, б). Каналы более высокого габарита можно компоновать по схеме рис. 23.5, в, а также многосекционными, используя конструктивное решение рис. 23.5, б. Унифицированные сборные конструкции тоннелей разработаны для одно- и Лекция 23 Конспект лекций по дисциплине «Железобетонные и каменные конструкции ». Составлен Биленко В.А. 8 двухсекционных сооружений. Для конструкций с уголковыми стеновыми элементами предусмотрены следующие габариты тоннелей: по высоте —2100, 2400, 3000 и 3600 мм, по ширине— 1500, 1800, 2100 мм для односекционных; 2400, 3000, 3600 и 4200 мм для одно- и двухсекционных. Проекты тоннелей из объемных блоков выполнены с размерами по высоте 2100, 2400, 3000 мм и по ширине 1500...3000 мм при размещении их под автомобильными и железными дорогами на различных глубинах. Односекционные тоннели (рис. 23.5, г) состоят из двух уголковых элементов, стеновая часть которых имеет ребристое сечение, плит покрытия (ребристых) и днища (сплошного). Уголковые элементы и плиты днища объединяют в один элемент ребрами вверх с помощью жестких стыков, замоноличенных выпусками арматуры и бетоном класса В25. Плиты покрытия — ребристые с подрезками по опоре, воспринимающими боковую нагрузку, передаваемую через стены. Двухсекционные панели (рис. 23.5, д) образуются из уголковых панелей стен, плит покрытия, прогонов, колонны и фундаментных плит. Они могут быть скомпонованы также из двух рядом расположенных односекционных тоннелей по аналогии со схемой рис. 23.5, б. Номинальная длина стеновых блоков составляет 3000 мм. Тоннели из объемных блоков (рис. 23.5, е) с номинальной длиной 1500, 2400 и 3000 мм вдоль стен и днища сопрягаются в четверть, а вдоль покрытия — посредством шпонок. Каналы и тоннели возводят открытым способом. В этом случае нагрузки от грунта определяют по формулам: вертикальную расчетную нагрузку на 1 м2 покрытия (рис. 23.6, а) p1 = γfg h1∙γгр (23.14) где h1— расстояние от поверхности грунта до верха покрытия; γfg — коэффициент надежности по вертикальной нагрузке от грунта; горизонтальную нагрузку на уровне покрытия и подошвы е1 = γfg h1 tg2(45-φ/2)∙γгр (23.15 а) е2 = γfg h2 tg2(45-φ/2)∙γгр (23.15 6) В расчетах конструкций каналов и тоннелей учитывают временную (V) нагрузку на поверхности земли и от автотранспортных средств. Вертикальную нагрузку на покрытие с учетом временного давления V на поверхности определяют также по формуле (23.14), но вместо h1 принимают (h1 + hred) где hred = V/γfg. Горизонтальную нагрузку на уровне покрытия определяют по формуле (23.15 а), а на уровне подошвы — по формуле (23.15 6), где вместо h2 принимают (h2 + hred). Давление сосредоточенной нагрузки, расположенной на поверхности земли, распределяется в грунте под углом 30° к вертикали (рис. 23.6, б), в пределах толщины дорожного покрытия — под углом 45 °. Вертикальное давление при этом на глубине от поверхности земли Лекция 23 Конспект лекций по дисциплине «Железобетонные и каменные конструкции ». Составлен Биленко В.А. 9 определяется по формуле: при h < 1,2 м p1 = P/(ab) (23.16) где Р — сосредоточенная нагрузка на поверхности земли; а, b — размеры поверхности давления на уровне покрытия (рис. 23.6, б); при h > 1,2 м p1 = 20кН/м2 (23.17) Рис. 23.6. Схема нагрузок на каналы и тоннели; расчетные схемы и эпюры усилий: а — вертикальное и горизонтальное давления от грунта; б—вертикальное давление от временной нагрузки на поверхности земли при h<1,2; в — вертикальное и горизонтальное давления от автотранспорта при h>1,2; г — горизонтальное давление при тех же условиях; д, е — к расчету каналов и тоннелей в виде П-образной рамы соответственно с распоркой и без распорки; g1 — вертикальная нагрузка постоянная; v1 — то же, временная; еg и еv - горизонтальная постоянная и временная нагрузки; М - эпюра изгибающих моментов Расчетное значение р1 принимают с коэффициентом надежности от наземных транспортных средств γf =1,4. Горизонтальное давление определяют по формуле (23.15 а), где вместо h1∙γгр, принимается p1, которое находят по формуле (23.16) с γf = 1.4. Вертикальная нагрузка от перекрытия и стен уравновешивается отпором грунта снизу, который при расчете рассмотренных здесь конструкций принимают равномерно распределенным (рис. 23.6, д). Плиты покрытий каналов и тоннелей рассчитывают как изгибаемые элементы, работающие по балочной схеме. При уточненном расчете представляется возможным учесть влияние нормальных сил от бокового давления грунта. В этом случае необходимо расчет сечения произвести как для внецентренно сжатого элемента. Железобетонные трубопроводы, заглубленные в грунт, предназначены для пропуска Лекция 23 Конспект лекций по дисциплине «Железобетонные и каменные конструкции ». Составлен Биленко В.А. 10 ливневых и талых вод, подачи и отвода жидкостей. Их обычно проектируют сборными с кольцевым рабочим армированием. Однако при небольших протяженности и объемах работ могут найти применение и монолитные конструкции. Их заглубление от поверхности земли до верха трубы принимают в пределах H=0,7...0,8 м. Возможны два варианта опирания трубы: опирание в точке на уплотненное дно котлована (рис. 23.7, д) и опирание на грунт засыпки (рис. 23.7, л). Рис. 23.7. Конструктивные схемы безнапорных (а) и напорных (б, в, г) труб, а также их расчетные схемы (д, е) и эпюры усилий (ж, з, и, к) при опирании на дно котлована; л, м, н — то же, при опирании на насыпной грунт: 1 — кольцевая арматура; 2, 4 — продольная арматура; 3 — металлический сердечник; 5 — железобетонный сердечник По внутреннему давлению жидкости различают безнапорные и напорные трубопроводы при внутреннем давлении соответственно 0,06 МПа и выше. Безнапорные трубопроводы имеют длину 3...5 м, внутренний диаметр D1 = 0,3...3 м и толщину δ = 0,1 D1 но не менее 50 мм (рис. 23.7, а). Для их изготовления применяют бетон класса не ниже В25. Стенки трубы армируют двумя каркасами, расположенными у внутренней и наружной поверхности, из арматуры классов А-1, Вр-1, А-III диаметром 4...10 мм. Трубы малого диаметра D2 < 0,5 м) армируют одной сеткой, расположенной на расстоянии (0,4...0,5) δ от внутренней поверхности. Напорные трубопроводы выполняют, как правило, длиной 5 м, с необжатым и обжатым Лекция 23 Конспект лекций по дисциплине «Железобетонные и каменные конструкции ». Составлен Биленко В.А. 11 защитным слоем из бетона класса не ниже В40. Они могут быть с железобетонным или металлическим сердечником (рис. 23.7, б, в), а также изготовлены способом виброгидропрессования (рис. 23.7, г), получившим преимущественное применение, так как приводят к меньшим трудовым затратам и обеспечивают большую сплошность стенок. Эти трубы армируют напрягаемой арматурой — продольной диаметром 5 мм класса Вр-1 и спиральной диаметром 4...8 мм класса В-II. В последнее время получают все большее распространение самонапряженные напорные трубопроводы, изготовленные с применением бетона на расширяющемся цементе. При твердении такой бетон увеличивается в объеме и таким образом происходит предварительное обжатие стенок трубы, что надежно защищает конструкцию от образования трещин. Расчет трубопроводов производят по прочности и трещиностойкости на наиневыгоднейшее сочетание нагрузок. Учитываются следующие нагрузки: собственный вес трубы, внутреннее гидравлическое давление, давление напрягаемой арматуры и давление грунта. Расчетные нагрузки от грунта определяют в общем случае в зависимости от случаев расчета на действие нагрузки от грунта в пределах свода давления или всего столба грунта над трубопроводом (см. рис. 23.7, д). В слабых насыпных грунтах, что имеет преимущественное место при расчете трубопроводов, возводимых котлованным способом, нагрузка от грунта определяется весом столба грунта над трубой. В практических расчетах вертикальную нагрузку принимают равномерно распределенной с интенсивностью p1 = H∙γгр γf + hred γгр γfv +δ γb∙γfc (23.18) где Н— высота слоя грунта; hred — приведенная высота грунта от временной нагрузки V; δ γb∙γfc — соответственно толщина кольца, нагрузка от единицы объема бетона и коэффициент надежности по нагрузке от собственного веса кольца, равный 1,1 или 1,2 соответственно для сборного или монолитного железобетонного трубопровода. При расчете трубопроводов диаметром не более 1,5 м условно принимается расчетная схема по рис. 23.7, е. В этом случае в упругой стадии расчета кольца внутренние усилия определяют без учета отпора грунта по следующим формулам: M = Fr0(0.318-0.5 sinβ) (23.19) Q =-0.5 Fcosβ (23.20) N1 =-0.5 Fsinβ (23.21) N2 =-0.5 p0 r0 (23.22) где F=2p1r2 ; r0=(r1+r2); β— угловая ордината рассматриваемого сечения (рис. 23.7, д...к). На стадии раскрытия продольных трещин предварительное напряжение в кольцевой арматуре уменьшается, поэтому изгибающий момент с учетом частичного перераспределения усилий принимают равным M = Fr0(0.318-0.5 sinβ) (23.23) Расчет на прочность и трещиностойкость трубы в поперечном сечении производят как Лекция 23 Конспект лекций по дисциплине «Железобетонные и каменные конструкции ». Составлен Биленко В.А. 12 внецентренно растянутых или внецентренно сжатых элементов. 23.3. Сооружения башенного типа Общие сведения. К сооружениям башенного типа относятся радиотелевизионные и водонапорные башни, дымовые трубы различных сооружений и т. п. Главной конструктивной особенностью этих сооружений является наличие железобетонного ствола, в большинстве случаев представляющего собой оболочку вращения цилиндрической и конической формы с гладкими или ребристыми стенами. Их изготовляют из сборного и монолитного бетона. Последние бетонируют в переставной или скользящей опалубке. В большинстве случаев стволы имеют в плане круговую форму, что обеспечивает их эффективную работу при ветровой нагрузке любого направления. Башенные сооружения значительной высоты армируют напрягаемой канатной арматурой, помещаемой в каналах, которые после напряжения арматуры инъецируют специальными растворами под давлением. Для обеспечения совместной работы канаты через каждые 3...8 м прикрепляют к стене. Особенности расчета ствола. Расчетная схема ствола рассматриваемых сооружений представляет собой вертикальный стержень постоянного или переменного по высоте сечения, заделанный в фундамент. При статическом расчете ствола учитывают постоянные и временные преимущественно ветровые нагрузки, которые вызывают колебания конструкции. Перед определением ветровых нагрузок необходимо проверить соблюдение условия Т > 0,25с. (23.24) Если это условие выполнено, то ветровую нагрузку определяют с учетом динамического воздействия пульсации скоростного напора; в противном случае — без ее учета. В формуле (23.24) Т— период собственных колебаний (с), равный T H 2 A1 m /( gB1 ) (23.25) где ξ — коэффициент, зависящий от формы сечения ствола; H— высота ствола; А1, В1 = М/ρ1, ρm — соответственно площадь, изгибная жесткость сечения 1 — 1 (рис. 23.8) и средняя плотность материала ствола; g — ускорение свободного падения. Рис. 23.8. К расчету башенных сооружений: 1 — фундамент; 2 — ствол; 3 — обстройка Лекция 23 Конспект лекций по дисциплине «Железобетонные и каменные конструкции ». Составлен Биленко В.А. 13 Вследствие действия ветровой нагрузки, а также разницы температур на солнечной и теневой стороне ствол испытывает дополнительный прогиб, поэтому его рассчитывают по деформированной схеме. Для такого расчета следует, прежде всего, найти суммарное отклонение от вертикали i-й точки ствола: fi=fi1+fi2+fi3 (23.26) где fi1— перемещение (прогиб) ствола от действия горизонтальных нагрузок; fi2 — прогиб ствола вследствие крена фундамента: fi2=(zi+hf)θ (23.27) fi3 — прогиб от одностороннего нагрева солнечными лучами, θ — угол крена фундамента, принимается не более 0,004. Расчет прочности ствола производят на действие изгибающего момента и нормальной силы в рассматриваемом сечении. Максимальный момент в сечении I—I (рис. 23.8) равен Мmах = Мw + Мg = ∑Wi zi + ∑Gifi, (23.28) где Мw — изгибающий момент от ветровой нагрузки; Мg — дополнительный момент, возникающий вследствие отклонения оси ствола от вертикали; ∑Wi – сумма ветровых сил на горизонтальную ось; ∑Gi – сумма всех внешних сил на вертикальную ось. Устойчивость на опрокидывание определяется из условия K = М1 + М2 ≥1.5 (23.29) где М1 + М2 — удерживающий и опрокидывающий моменты относительно точки А (см. рис. 23.8) Радиотелевизионные башни представляют собой железобетонный ствол кольцевого сечения с внешней платформой и металлической антенной. Внутри ствола конической формы размещают лифты, аварийные лестницы и различные инженерные коммуникации. На внешней платформе в виде круглой в плане плиты находится техническое сооружение, которое используется в качестве кафе-ресторана и смотровой площадки. Внутри ствола в местах изменения его формы и толщины на взаимном расстоянии по высоте 30. ..50 м располагаются железобетонные диафрагмы жесткости. Толщина стенок ствола зависит от его высоты. Например, при высоте до 600 м толщина стенок находится в пределах 500... 1000 и 150. ..300 мм соответственно в нижней и верхней частях. Применяют в основном монолитный бетон класса не ниже В25. Армирование ствола осуществляют смешанной арматурой (напрягаемой и ненапрягаемой). Стволы высотных башен армируют высокопрочными канатами, а башен небольшой и средней высоты — стержневой арматурой класса А-П. В качестве кольцевой арматуры применяют арматуру класса А-1, воспринимающую растягивающие усилия от температурных деформаций, вызванных разницей температуры снаружи и внутри ствола. Дымовые трубы применяют для отвода продуктов сгорания от котельных и других тепловых объектов в атмосферу. Они могут быть кирпичными и железобетонными. Последние Лекция 23 Конспект лекций по дисциплине «Железобетонные и каменные конструкции ». Составлен Биленко В.А. 14 более рациональны, поэтому получили наибольшее распространение. Их возводят из тяжелого обычного бетона, а также из тяжелого и легкого жаростойкого бетона. Основные размеры труб определяют теплотехническим и прочностным расчетом с учетом обеспечения устойчивости. Их высота колеблется в пределах 20...500 м. Ствол из обычного бетона или кирпича имеет футеровку из шамотного или глиняного кирпича, а также из жаростойких бетонных блоков. Для защиты от коррозии футеровки и бетона ствола по его внутренней поверхности устраивают антикоррозийное покрытие. По способу приготовления стволы могут быть сборными и монолитными. Стволы сборных железобетонных труб имеют коническую или цилиндрическую форму. Последние более просты в изготовлении и монтаже. Их применяют при высоте трубы до 6 м. Такую трубу монтируют из отдельных жаростойких царг высотой 3...4 м, соединенных напрягаемой или ненапрягаемой арматурой (рис. 23.9). Царги изготовляют на заводах или строительной площадке диаметром соответственно З...3,5 или 5...6 м. Толщину стенок царг принимают с учетом конструктивного решения стыка продольной арматуры, но не менее 150 мм. Рис. 23.9. Сборная предварительно напряженная цилиндрическая труба из железобетонных жаростойких царг (а) и монолитная коническая труба из обычного железобетона с футеровкой (б): 1 — фундамент; 2 — ствол; 3 — отверстия для борова; 4 — металлическая лестница; 5 — светофорная площадка Монтаж труб производят в горизонтальном (при высоте до 40 м) или вертикальном (проектном) положениях. В последнем случае царги соединяют болтами и обжимают напрягаемой стержневой арматурой класса А-IV, помещаемой в каналах царг. Создание предварительного натяжения осуществляется натяжением арматуры на бетон с помощью муфт, расположенных по высоте ствола. При сборке труб в горизонтальном положении напрягаемую арматуру укладывают в каналы на всю высоту ствола. Ее подъем и установку на место осуществляют в полностью собранном виде. Лекция 23 Конспект лекций по дисциплине «Железобетонные и каменные конструкции ». Составлен Биленко В.А. 15 Стволы монолитных железобетонных труб имеют коническую или цилиндрическую форму, их возводят соответственно в переставной или скользящей опалубке. Минимальная толщина стенки (t = r2 - r1) вверху монолитного ствола зависит от внутреннего диаметра D1 и составляет 160, 180 или 200 мм соответственно при D <5м, 5 м < D < 7 м или D > 7 м. Класс бетона, обычного или жаростойкого, принимается не ниже В 15; напрягаемая арматура — класса А- VI. Расчет дымовых труб производят на действие ветровой нагрузки, веса трубы, с учетом отклонения трубы от вертикального положения и температурного перепада. Расчет по прочности и трещиностойкости проводят для горизонтальных и вертикальных сечений, расположенных по высоте на расстоянии не более 40 м. Толщина стенки и площадь сечения вертикальной арматуры определяют из расчета прочности горизонтальных кольцевых сечений, а площадь сечения кольцевой арматуры — из расчета прочности вертикальных сечений стенки ствола. При этом расчетные сопротивления бетона и арматуры, а также модули упругости материала принимают с учетом их снижения в условиях воздействия высоких температур. Водонапорные башни служат для регулирования напора воды в водопроводной сети и обеспечения бесперебойного снабжения водой. Главная технологическая часть башни — резервуар. В соответствии с режимом водопотребления и эксплуатации насосной станции устанавливают его вместимость, а на основе расчетного значения напора — высоту подъема резервуара. Водонапорные башни по высоте опорной части могут быть 6.. .50 м, а по вместимости — 15..3000 м3. По конструкции различают водонапорные башни: шатровые и бесшатровые, с одним или несколькими резервуарами (рис. 23.10). В результате технико-экономического анализа установлены типовые параметры башен: вместимость, м3 : 25, 50, 150, 500 и 1000; высота опорных частей: 9...27 м с шагом 3 м при вместимости резервуаров 25 и 50 м и 12...24м с шагом 6 м при 150...1000 м3. Более экономичны водонапорные бесшатровые башни, которые получили преимущественное распространение. Рис. 23.10. Разновидности водонапорных башен: а —шатровые; б — бесшатровые; в — с несколькими резервуарами; 1 — резервуар; 2 - шатер; 3 — опорные конструкции По материалу резервуары могут быть железобетонными и стальными, а по опиранию на опорную площадку — с цилиндрической стенкой и не несущим днищем, а также со стенкой цилиндрической вверху, конической внизу и несущим плоским днищем (рис. 23.11). Первые более распространены при железобетонном исполнении. Лекция 23 Конспект лекций по дисциплине «Железобетонные и каменные конструкции ». Составлен Биленко В.А. 16 Рис. 23.11. Разновидности резервуаров водонапорных башен: а — с цилиндрической стеной и несущим днищем; б — со стеной цилиндрической вверху, конической внизу и плоским несущим днищем Опорные конструкции водонапорных башен выполняют преимущественно железобетонными, но при малой вместимости резервуара (25...50 м ) они могут быть металлическими или кирпичными. Железобетонные опоры башен могут быть из монолитного бетона (рис. 23.12), в виде сборных железобетонных пространственных конструкций рамной или сквозной сетчатой системы. 3 Рис. 23.12. Водонапорная башня с монолитной сплошной железобетонной опорой (а) и с железобетонной рамной опорой (б): 1 — крыша резервуара; 2 — утепление стены резервуара; 3 — железобетонный резервуар; 4 — полушатер (тепловая галерея); 5 — железобетонная опора башни; 6 — железобетонный фундамент При проектировании водонапорной башни рассчитывают конструкции резервуара, опоры, фундамент и шатер (при наличии). Расчет элементов башни осуществляют в соответствии с методикой, изложенной в предыдущих главах. При расчете конструкции опоры и фундамента учитывают действие следующих нагрузок (рис. 23.13): вертикальное давление резервуара и жидкости F1; вес опоры F2 и фундамента с грунтом на его уступах F3; горизонтальное давление ветра на резервуар (шатер) p1 и опору p2. Резервуар рассчитывают по методике расчета круглых в плане резервуаров наземного Лекция 23 Конспект лекций по дисциплине «Железобетонные и каменные конструкции ». Составлен Биленко В.А. 17 типа с учетом особенностей опирания его днища. Толщину оболочки железобетонного монолитного резервуара (см. рис. 23.11) принимают по производственным соображениям не менее 150 мм, поэтому при расчете прочности она считается заданной и определению подлежит лишь площадь сечения арматуры элемента кольцевого сечения. Расчетные усилия определяют для места примыкания опоры к фундаменту. Расчет фундамента осуществляют согласно известной методике. Предварительные размеры подошвы фундамента определяют исходя из зависимости Мv / Мh ≥1.5 (23.30) где Мv и Мh — удерживающий и опрокидывающий моменты относительно точки А (рис. 312), равные Мv=∑Fi a, Мh =∑Wihi. (23.31) Ветровую нагрузку принимают с коэффициентом надежности ∙γf = 1,3, а вес конструкции (резервуар может быть пустым) — с наименьшим значением коэффициента ∙γf = 0,9. Рис. 23.13. К расчету водонапорной башни 23.4.Подпорные стены Подпорные стены предназначаются для удержания насыпного грунта в вертикальном положении. Конструкция подпорных стен обычно принимается уголкового сечения из гладких плит или из плит с ребрами (контрфорсами). Гладкие вертикальные стены применяют при относительно небольшой высоте удерживаемого грунта - примерно до 4 - 4,5 м. При большей высоте рекомендуется со стороны грунта устраивать в стене контрфорсы. Горизонтальные плиты уголковых стен выполняются гладкими или с так называемой шпорой, то сеть с ребром, выступающим вниз вдоль всей горизонтальной плиты. Подпорные стены могут выполняться монолитными или сборными. Гладкие вертикальные элементы монолитных подпорных стен уголкового вида Лекция 23 Конспект лекций по дисциплине «Железобетонные и каменные конструкции ». Составлен Биленко В.А. 18 конструируют обычно переменной толщины. При этом вверху толщину назначают не менее 100 мм, а внизу принимают по расчету. Горизонтальные плиты также выполняют, как правило, переменной толщины. Рис. 23.14. Схема армирования подпорных стен самонесущими арматурными блоками а - при раздельном бетонировании подошвы и стенки; б - при одновременном бетонировании подошвы и стенки; 1 - арматурный блок; 2 - уголковая рабочая стыковая сетка; 3 плоская стыковая сетка; 4 - шов бетонирования Толщина защитного слоя бетона для рабочей арматуры подпорных стен при отсутствии грунтовых вод принимается для вертикальных элементов не менее диаметра рабочей арматуры и не менее 30 мм, а для горизонтальных плит - как в фундаментах. Армирование подпорных стен высотой 3 м и более рекомендуется осуществлять пространственными арматурными каркасами (рис. 23.14). При высоте стенок до 3 м арматуру рекомендуется конструировать, предусматривая навешивание сеток непосредственно на опалубку. Для экономии арматурной стали при конструировании гладких протяженных подпорных стен армирование вертикальных плит этих стен рекомендуется выполнять двумя зонами. При этом на всю высоту стены устанавливается сетка с вертикальной рабочей арматурой, которая требуется в верхней зоне. В нижней зоне устанавливается дополнительная сетка также с вертикальными рабочими стержнями. Площадь сечения рабочей арматуры в обеих сетках устанавливается в соответствии с требованиями расчета нижней зоны стены. Сечение, где обрываются стержни вертикальной арматуры нижних сеток, устанавливается расчетом. Горизонтальные плиты, как правило, армируются сетками без обрыва стержней. Пример армирования гладкой подпорной стены см. на рис. 23.15. Монолитные подпорные стены с ребрами (контрфорсами), как правило, выполняются с постоянной толщиной вертикальной горизонтальной плиты. Эти плиты конструируются по правилам конструирования плит, опертых по трем сторонам, которые изложены выше. Ребра армируют продольной (наклонные рабочие и боковые вертикальные конструктивные стержни) и поперечной (горизонтальные хомуты) арматурой в виде отдельных стержней или сварных сеток. Пример подпорной стены с контрфорсами приведен на рис.23.16. Лекция 23 Конспект лекций по дисциплине «Железобетонные и каменные конструкции ». Составлен Биленко В.А. 19 Рис. 23.15. Схема армирования монолитной гладкой подпорной стены: а - отдельными стержнями; б - сварными сетками; 1 - 5 арматурные стержни; С-1 - С-5 - сварные сетки Примечание. Стержень поз. 3 и сетку С-3 ставить при толщине сетки более 150 мм Рис. 23.16. Пример конструирования монолитной подпорной стены с контрфорсами: а - опорные сетки; б пролетные сети; в армирование контрфорса; 1 - вязаная арматура; 2 сварные сетки Лекция 23 Конспект лекций по дисциплине «Железобетонные и каменные конструкции ». Составлен Биленко В.А. 20 23.5. Тоннели Тоннели предназначаются для подземной прокладки различных коммуникаций и подразделяются на проходные и непроходные. По способу производства строительных работ они могут быть сборными и монолитными. Сборные железобетонные тоннели могут конструироваться составными из отдельных элементов - стен, днища и крышки; из элементов П-образного сечения - днища с нижними участками стен и перекрытия с верхними участками стен или из элементов, представляющих собой одну стенку с участками днища и перекрытия. Разрезка может быть и по другой, экономически обоснованной схеме. При небольших размерах поперечного сечения (с точки зрения удобства изготовления и транспортировки) тоннели могут конструироваться из цельных замкнутых блоков длиной 1 - 3 м. При конструировании монолитных тоннелей, которые всегда представляют собой замкнутые рамы, необходимо назначать армирование и места стыков стержней с учетом максимального удобства строительных работ. Тоннели рекомендуется армировать самонесущими пространственными каркасами и гнутыми сетками (рис.23.17). Для стыкования распределительной (противоусадочной) арматуры могут быть использованы типовые сетки по действующим ГОСТам. Рис. 23.17. Схема армирования тоннеля самонесущими арматурными блоками а - сечение тоннеля; б - раскладка угловых сеток вдоль тоннеля; 1 - армоблок; 2 - угловая сетка; 3 - стыковая сетка; 4 - шов бетонирования Лекция 23 Конспект лекций по дисциплине «Железобетонные и каменные конструкции ». Составлен Биленко В.А. 21 Каркасы собираются из сеток и поддерживающих устройств, которые фиксируют сетки в рабочем положении и обеспечивают общую пространственную жесткость (рис.23.18). При армировании тоннелей, в которых первоначально бетонируется только нижняя плита, для стыковки каркасов стен с днищем следует предусматривать специальные гнутые стыковые сетки. Армирование участков тоннелей со сложной конфигурацией (места различных примыканий, углы поворота и т.п.) возможно осуществлять плоскими и гнутыми сетками. Элементы сборных тоннелей армируются цельными спорными сетками или каркасами и снабжаются выпусками арматуры или закладными деталями для соединения со смежными элементами. Рис. 23.18. Самонесущий пространственный каркас (армоблок) 1 - сетки; 2 - поддерживающие каркас фиксаторы Армирование монолитных тоннелей отдельными стержнями показано на рис.23.19. Рис. 23.19. Пример армирования монолитного тоннеля отдельными стержнями 1 - 5 - номера позиций арматуры Лекция 23 Конспект лекций по дисциплине «Железобетонные и каменные конструкции ». Составлен Биленко В.А. 22 23. 6. Особенности конструирования железобетонных конструкций, подверженных воздействию динамических нагрузок Динамические нагрузки по характеру воздействия на конструкцию могут быть периодическими и импульсными, а по повторяемости - многократно повторяющимися и немногократно повторяющимися. К периодической динамической относится нагрузка с величиной амплитуды силы более 100 кгс/с. К импульсной относится нагрузка с величиной эквивалентного мгновенного импульса более 100 кгс/с. К многократно повторяющейся относится нагрузка, при которой конструкция испытывает более 106 циклов силовых воздействий, а коэффициент условий работы арматуры mа1 < 1 (табл. 25 гл. СНиП II-21-75). При конструировании железобетонных конструкций, подверженных воздействию динамических нагрузок, следует кроме указаний рекомендуемых при расчете железобетонных конструкций, не подверженных воздействию динамических нагрузок использовать ниже приведенные указания. Очертания железобетонных конструкций, рассчитанных на динамические нагрузки, следует принимать простыми: без резких перепадов отметок, без изломов элементов и резкого изменения сечений. В местах сопряжения элементов конструкций (например, ригеля с колонной), а также изменения сечений элементов более чем в 1,5 раза следует, как правило, устраивать вуты, скругления входящих углов и т.п. Отверстия рекомендуется устраивать круглыми, а при необходимости устройства прямоугольного отверстия углы его следует скруглять. Для железобетонных элементов, рассчитываемых на воздействие динамической нагрузки, рекомендуется принимать проектную марку бетона не ниже М200; для сильно нагруженных элементов (например, для колонн, воспринимающих значительные крановые нагрузки, элементов рам фундаментов под машины и т.п.) - не ниже М300. Монтажные набетонки по верху конструкции следует назначать из бетона марки не ниже М200. При выборе расчетной арматуры преимущество следует отдавить арматуре класса А-III. Применение арматуры класса Ас-II более эффективно в конструкциях, подверженных воздействию многократно повторяющейся нагрузки при коэффициенте асимметрии цикла ρ a < 0,7 (табл. 25 главы СНиП II-21-75). В этом случае допускается также применение арматуры классов А-II и А-I. В конструкциях, подверженных воздействию, немногократно повторяющихся нагрузок, допускается применение арматуры классов B-I и Вр-I. Для поперечной арматуры линейных элементов для конструктивной и монтажной арматуры в основном следует применять арматуру классов A-II и A-I. Сварку арматуры и закладных деталей конструкций, подверженных динамической нагрузке, следует производить с учетом указаний инструкции по сварке соединений арматуры и закладных деталей железобетонных конструкций. Лекция 23 Конспект лекций по дисциплине «Железобетонные и каменные конструкции ». Составлен Биленко В.А. 23 При стыковании растянутых стержней внахлестку в зоне перепуска необходимо устанавливать дополнительную поперечную арматуру. Минимальная площадь сечения продольной арматуры μ, % площади сечения бетона в железобетонных элементах конструкций, подверженных воздействию многократно повторяющихся нагрузок, принимается: μ = 0,2 % - для арматуры А балок, плит и других изгибаемых, а также внецентренно растянутых элементов; μ = 0,25 % - для арматуры А и АI колонн и других внецентренно сжатых элементов. Расстояния между продольными стержнями в плитах, балках, колоннах и других конструкциях, а также хомутами (поперечными стержнями) в колоннах не должны превышать 300 мм. Расстояния между стержнями боковой арматуры балок не должны превышать 300 мм. Минимальный диаметр этих стержней при высоте балки h 1500 мм 12 мм, при большей высоте - 16 мм. Арматуру ригелей и балок, подверженных воздействию многократно повторяющихся нагрузок при коэффициенте асимметрии цикла ρa < 0,7 следует конструировать вязаной с рабочей пролетной арматурой сверху и снизу и замкнутыми хомутами. Колонны во всех случаях армируют симметричной арматурой, причем каждые 3 - 5 стержней должны обхватываться хомутами или шпильками. Заделку рабочей арматуры ригелей и балок в колонии следует предусматривать по типу жестких рамных узлов. При интенсивных динамических нагрузках следует поперечное армирование узлов железобетонных рам (рис. 23.20). предусматривать усиленное Рис. 23.20. Пример армирования узла сопряжения железобетонного ригеля с колонной при интенсивных динамических воздействиях 1 - арматура колонны; 2 - арматура ригеля; 3 дополнительные вертикальные стержни; 4 дополнительные горизонтальные хомуты Рамный узел в зоне пересечения ригеля с колонной необходимо армировать дополнительными хомутами и стержнями диаметром 8 - 10 мм соответственно с шагом 70 - 100 Лекция 23 Конспект лекций по дисциплине «Железобетонные и каменные конструкции ». Составлен Биленко В.А. 24 мм, а также усиленной поперечной арматурой на примыкающих участках ригелей и колонн с шагом, вдвое меньшим, чем требуется по расчету на статические нагрузки, но не более 100 мм. По свободным граням массивных конструкций следует устанавливать противоусадочную арматуру из стали класса A-I из стержней диаметром 12 мм при толщине плиты hп 1,5 м; 16 мм при 1,5 < hп < 3 м; 20 мм при hп 3 м. Армирование выполняется и виде сеток или каркасов. Шаг арматуры в обоих направлениях назначается 200 - 300 мм. Независимо от требований расчета все проемы при размере сторон более 300 мм надлежит окаймлять противоусадочной арматурой из стержней диаметром 12 мм из стали класса А-I, заделанных в массив на величину lн. При назначении размеров опорных поверхностей конструкций, воспринимающих динамические нагрузки от оборудования, расстояние от грани колодцев анкерных болтов до наружной грани конструкции следует принимать: для болтов диаметром до 35 мм - не менее 100 мм и для болтов большего диаметра - не менее 150 мм. Кроме того, в случае применения болтов с анкерными плитами расстояние от оси болта до края конструкции следует принимать равным не менее четырех диаметров болта. При невозможности соблюдения этого условия между болтом и гранью конструкции устанавливают дополнительную арматуру. Если закладная деталь рассчитана на восприятие знакопеременных нагрузок, следует предусматривать установку нахлесточных анкеров, работающих на осевое растяжение отдельно в каждом их этих направлений, а также установку упорных пластинок или стержней (рис. 23.21). Рис. 23.21. Закладная деталь при сдвигающей динамической знакопеременной нагрузке 1 - стальная пластина; 2 - нормальный анкер; 3 - наклонный анкер; 4 - упор из стальной пластин
