автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Оболочка блок-камер смотровых колодцев (экспериментальные исследования, расчет и конструирование)

На правах рукописи

АКИМОВ Владимир Борисович

Г .1 О Л

/ 6 15!ОП Ь-З УДК624.074.437:624.012.35

ОБОЛОЧКА БЛОК-КАМЕРЫ СМОТРОВЫХ КОЛОДЦЕВ (экспериментальные исследования, расчет и конструирование)

Специальность 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения по техническим наукам

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владимир 1998

Работа выполнена во Владимирском государственном университете на кафедре строительного производства.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

A.С.Жив.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

B.С.Бартенев;

- кандидат технических наук

Л.А.Коробов.

Ведущая организация - Владимирский Промстройпроект.

Защита диссертации состоится _ ¿//СУ_1998 года

в /3°° часов на заседании диссертационного совета К 063.65.03 Владимирского государственного университета по адресу: 600026, Г.Владимир, ул.Горького, 87.

Справки по телефону: 27 -98 - 37.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по указанному адресу университета.

Автореферат разослан "_

ихО/тЯ_ 1998 года

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

/^-"^Л.А.Еропов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Применение тонкостенных пространственных конструкций при возведении подземных сооружений - сравнительно недавно появившееся направление в строительстве. Его развитие связано с крупномасштабной деятельностью по созданию новой и совершенствованию существующей инженерно-технической инфраструктуры городского хозяйства. Значительные объемы работ и большая рассредоточенность объектов создают предпосылки для применения объемно-блочного метода возведения сетевых сооружений, достоинства которого будут реализованы в полной мере при использовании эффективных нематериа-лоемких пространственных конструкций. Применение оболочек по новому функциональному назначению позволяет осуществлять из них все без исключения элементы сооружения. Объемный блок для камеры смотровых колодцев из тонкостенных панелей малых размеров работает в целом как единая система, обеспечивая требуемую прочность и жесткость при значительной экономии материалов по сравнению с традиционными решениями. При этом вопросы расчета, конструирования и экспериментального исследования новой конструкции становятся особо важными.

Цель диссертационной работы состоит в изучении поведения под нагрузкой оболочки объемного блока для смотровых колодцев, разработке рекомендаций по ее расчету и конструированию.

Задачи исследования:

- экспериментальное исследование на опытных образцах напряженно-деформированного состояния схем излома оболочки блок-камеры и ее отдельных панелей при действии нагрузки, распределенной по контуру центрального отверстия в покрытии;

- разработка расчета несущей способности указанных оболочек.

Научную новизну работы составляют:

- экспериментальные данные об особенностях напряженно-деформированного состояния оболочки блок-камеры;

- предложения по расчету несущей способности оболочки блок-камеры и составляющих ее панелей на основе кинематического метода предельного равновесия.

Автор защищает:

- результаты экспериментальных исследований оболочки блок-камеры и отдельной панели покрытия при нагрузке, приложенной по

контуру отверстия на всех стадиях работы вплоть до разрушения;

- данные экспериментов по напряженно-деформированному состоянию отдельной рядовой панели в упругой стадии работы при действии равномерно-распределенной нагрузки;

- оценку расчетов методом конечных элементов панелей оболочки в линейной стадии работы;

- кинематические модели пластических механизмов оболочки блок-камеры, ее отдельных панелей в стадии предельного равновесия и разработанные на их основе расчеты несущей способности.

Достоверность результатов работы обеспечена статистической обработкой экспериментально полученных данных, сходимостью результатов. Основные положения, рекомендации и выводы, изложенные в диссертации, находятся в соответствии с современными представлениями о расчете и проектировании тонкостенных пространственных конструкций и подтверждены результатами экспериментальных исследований на опытных образцах.

Практическое значение работы заключается в том, что на основании результатов исследований даны экспериментально и теоретически обоснованные предложения по конструированию и расчету новых высокоэффективных пространственных конструкций сетевых сооружений для подземных коммуникаций. Результаты работы использованы при проектировании и разработке рабочих чертежей блок-камер смотровых газовых колодцев и стальных опалубочных форм (исполнитель проектно-технологический институт "Владимирстройсистема" по заказу производственного управления "Владимироблгаз" ).

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях и семинарах ВлГУ (1989-96гг.), на международных конференциях в Белгороде (1993г.), в Данди (Шотландия, 1993г.), конгрессе ИАСС в Торонто (Канада, 1992г.), на межвузовской (1996г.) и международной (1997г.) научно-технических конференциях во Владимире.

По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ.

Объем работы. Представленная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка использованной литературы из 142 наименований и содержит 198 страниц машинописного текста, включая 49 рисунков, графиков, фотографий и 8 таблиц.

Работа выполнена на кафедре строительного производства Владимирского государственного университета.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Современные трубопроводные системы, в том числе и газовые, включают в себя смотровые колодцы, предназначенные для ограждения установленного в них технологического оборудования. Анализ осуществленных конструкций показал, что наиболее широкое распространение из них получили круглые и прямоугольные в плане, построенные из кирпича или железобетонных колец и плит. Перенесение всего процесса возведения на строительную площадку и значительный расход материалов осложняют их применение в реальных условиях.

Дальнейшее развитие сетевых сооружений идет в направлении поиска новых форм, лучше соответствующих функциональному назначению сооружения, материалов (сталефибробетон, пластмассы), совершенствованию конструктивных и технологических решений, связанных с укрупнением монтажных элементов и переходом к объемно-блочному методу строительства. Одновременно происходит неуклонное расширение области применения пространственных конструкций, в том числе и для подземных сооружений. Составные оболочки, объединяющие в себе фрагменты разнообразных геометрических поверхностей, позволяют получить единую пространственную систему, универсально выполняющую ограждающие и несущие функции крыши, стен и дна как, например, в линзообразных и многогранных формах мобильных жилшц (ЛенЗНИИЭП).

Во Владимирском государственном университете разработан смотровой колодец в виде блок-камеры, представляющей собой сборную тонкостенную оболочку со встроенным на заводе оборудованием, имеющей объем, необходимьш для обеспечения нормальной работы двух человек. Исходная поверхность при этом для упрощения технологии изготовления может быть аппроксимирована элементами в виде оболочек или складок малых размеров на плоском опорном контуре, имеющих вид сомкнутых сводов, шатровых складок, гладких оболочек положительной гауссовой кривизны и т.п. Их стрелы подъема могут быть подобраны таким образом, что для обеспечения рациональной формы очертания средних сечений впишутся в окружность. В этом случае поверхность, образованная из шести подобных элементов, будет степенью приближения к сфере,и оболочку смотрового колодца можно условно считать шаровой. Пространственная работа панелей блок-камеры характеризуется наличием усилий распора, восприятие которых конструктивно решается устройством замкнутого опорного контура по периметру плана

и размещением в нем основной арматуры. Величина распора зависит от интенсивности действующих нагрузок и соотношения основных геометрических размеров - пролета и стрелы подъема.

Тонкостенные железобетонные пространственные конструкции на плоском опорном контуре использовались в качестве междуэтажных перекрытий и покрытий с середины 20-х гг. Для зарубежной (Э.Грубер, Г.Грюнинг, Г.Кремер, Г.Элерс) и отечественной (И.Г.Людковский, Б.Я.Слезингер) строительной практики того времени характерны преимущественно шатровые складки пролетом до 6 метров. Одно из современных направлений дальнейшего развития этих конструкций связано с ростом размеров перекрываемой ячейки и повышением уровня полезных нагрузок, другое - с применением в общественных и гражданских зданиях вспарушенных, ступенчато-вспарушенных и шатровых панелей, которые получили широкое распространение в 50 - 60 гг. Большой вклад в их разработку внесли Б.Н.Бастатский, Б.О.Геворкян.

A.М-Дубинский, Г.К.Хайдуков, Ю.Я.Штерман и др. Сборные элементы перекрытий двоякой кривизны и малых размеров находили применение в Индии, КНДР и США.

Важное значение в преодолении трудностей, связанных с расчетом тонкостенных пространственных конструкций, имели основополагающие труды В.З.Власова и П.Л.Пастернака. Теория расчета оболочек, цилиндрических и призматических конструкций получила развитие в исследованиях Н.П.Абовского, В.С.Бартенева, Б.С.Василькова,

B.И.Колчунова, Х.ХЛауля, Н.НЛеонтьева, В.Д.Райзера, И.Н.Слезингера, С.И.Стельмаха., С.И.Тимашова, Я.Ф.Хлебного, Ю.В.Чиненкова я др.

Расширение возможностей современного математического аппарата в сочетании с прогрессом в области вычислительной техники способствовало дальнейшему совершенствованию вариационных методов механики, одним из которых является метод конечных элементов, реализованный в большом количестве программ для ПЭВМ. Его применение к расчету пространственных конструкций получило развитие в работах А.С.Городецкого, В.С.Здоренко, А.Ф.Смирнова, А.П.Филина, Н.Н.Шапошншсова, А.Кабира, Р.Клафа, А.Скорделиса, В.Шнобриха, Дж.Эйбела и др.

Метод предельного равновесия позволяет обойти сложный анализ упругопластического состояния и отвечает на основной вопрос о несущей способности статически неопределимых систем, испытывающих в стадии разрушения пласгичесхие деформации. Основные принципы теории

предельного равновесия были заложены в работах А.А.Гвоздева, который сформулировал и доказал основные теоремы об экстремальных свойствах предельных нагрузок. А.А.Марков, Д.Друкер, В.Прагер, Х.Гринберг распространили основные вариационные принципы -статический и кинематический на случай сплошной среды. Значительный вклад в развитие теории предельного равновесия внесли Д.Д.Ивлев, С.М.Крылов, А.М.Проценко, А.Р.Ржаницын, В.Койтер, М.Нильсен, Р.Хилл, Ф.Ходж и др. Анализу несущей способности жесткопластичных армированных оболочек и теоретическим исследованиям на базе метода предельного равновесия посвящены работы Н.В.Ахвледианн, В.А.Архипова, М.Ш.Варвака, Б.О.Геворкяна, А.М.Дубинского, А.С.Дехтяря, М.И.Ерхова, Я.Ш.Исхакова, Л.И.Кривелева, А.М.Овечкина, А.М.Проценко, А.О.Рассказова, Г.К.Хайдукова, Ю.В.Чиненкова, В.В.Шугаева и др.

Большой вклад в развитие методов расчета конструкций шатрового типа и вспарушенных панелей внесен Г.К.Хайдуковым, применившим на основании результатов обширных экспериментальных исследований к их расчету кинематический метод предельного равновесия. Вопросы расчета вспарушенных панелей исследованы в работах Б.Н.Бастатского, Н.Г.Барабадзе, А.М.Дубинского, Э.М.Магеррамова, М.АЛнкелевича и др. Несущая способность пологих прямоугольных в плане оболочек с отверстием рассмотрена М.Ш.Варваком, А.С.Дехтярем, Л.А.Коробовым,

A.О.Рассказовым. Предложения по расчету объемных блоков в целом и составляющих их панелей содержатся в работах Ю.В.Монфреда,

B.И.Резниченко, С.С.Кротовского, Н.В.Морозова.

Пространственные конструкции на плоском плане впервые экспериментально изучены М.С.Боришанским, А.С.Щепотъевым и В.И.Мурашовым под руководством А.А.Гвоздева в 1933 г. Дальнейшие исследования выполнялись Г.К.Хайдуковым, В.В.Шугаевым, Г.В.Авдейчиковым, А.М.Дубинским, Л.И.Кривелевым, Б.С.Соколовым, А.В.Шапиро и др.

В диссертационной работе исследована конструкция составной шаровой оболочки (рис.1). Она собирается из однотипных панелей малых размеров в виде круговых сомкнутых цилиндрических сводов на плоском квадратном плане (1,5x1,5 м). Стрела подъема составляет 1/5 размера стороны отдельной панели, а очертания средних сечений оболочки блок-камеры вписываются в окружность. Толщина поля принята переменной с утолщением к опорному контуру. Места перелома поверхности по диагоналям квадратного плана усилены вутами. В панели покрытия

предусмотрено круглое отверстие диаметром 0,7 м, окаймленное по контуру ребром. Сопряжение смежных панелей дна, стен и покрытия производится по прямым. Наружные грани опорного контура имеют скосы, пазы и выступы, образующие при замоноличивании швов шпонки. Вертикальные и нижние горизонтальные стыки решены при помощи петлевых выпусков, сквозь которые пропущены арматурные стержни.

Шаровая оболочка блок-камеры при всех возможных модификациях срединной поверхности составляющих ее панелей-оболочек представляет собой пространственную систему взаимодействующих между собой элементов, подвергаемую сложному внешнему воздействию. Вариант установки блок-камеры под проезжей частью автомобильных дорог позволяет выявить характерные схемы нагружения. Для всех случаев особо интенсивно загружены панели дна и покрытия, а наибольшими из нагрузок для них являются соответственно реактивное давление грунта и наезд колеса транспортного средства на люк отверстия. За наиболее неблагоприятное для шаровой оболочки в целом принято нагружение горловины плиты покрытия при малой величине или отсутствии бокового давления на стенки. Опытная конструкция блок-камеры

0700

Рис.1. Блок-камера смотрового колодца

разработана под сосредоточенную нагрузку Ру=88,81 кН, соответствующую действию полос АК (к=11) согласно СНиП2.05.03-84 при заглублении в грунт до 3 метров.

Предварительные расчеты конструкций шаровой оболочки и ее отдельных панелей на ЭВМ с использованием "Пакета прикладных программ для автоматизированного проектирования железобетонных конструкций (ППП АПЖБК-87)" (НИИАСС, версия 2.0) позволили провести анализ и подтвердить правильность выбора неблагоприятного сочетания нагрузок, проверить допустимость заданных сечений для наиболее напряженных областей. Расчетная схема метода конечного элемента принята упрощенной в виде целой сплошной шаровой оболочки и представляет собой совокупность треугольных и прямоугольных элементов, моделирующих поле, и пространственных стержневых элементов для опорного контура и подкрепляющего ребра отверстия. Расчеты выполнялись при разработке проекта опытной конструкции шаровой оболочки и методики ее экспериментальных исследований с последующим уточнением схемы метода конечных элементов на основе анализа результатов испытаний. Предельные нагрузки для панелей предварительно находились методом предельного равновесия в предположении реализации для элементов днища и покрытия шатровой схемы излома.

Для изучения работы, выявления фактических схем разрушения и разработки на их основе расчета несущей способности были проведены экспериментальные исследования шаровой оболочки (ШО) и отдельных панелей покрытия (П-1) и рядовой (П-2), выполненных на натурных железобетонных образцах. В качестве материала принят мелкозернистый бетон класса В20. Основной арматурой являлся непрерывный сварной пояс опорного контура диаметром 0,01 м (сталь класса А-Ш). Частые сетки в полке панелей выполнены из проволочной арматуры Вр-1.

Испытания шаровой оболочки производились на специальном гидравлическом стенде. Панель днища устанавливалась в лоток на песчаное основание толщиной 0,5 м, спрофилированное с углом контакта 90°. Загружение осуществлялось при помощи рычажной системы тяг и траверс, а также специального распределительного устройства, передающего нагрузку, эквивалентную давлению колеса транспортного средства, на кольцевое ребро по контуру отверстия через 8 шаровых опор.

Отдельные панели П-1 и П-2 имели шарнирное опирание по сторонам на жесткую железобетонную раму. Образец П-1 нагружался аналогично шаровой оболочке, П-2 - с помощью распределительного

устройства, имитировавшего давление грунта, и передающего его на конструкцию в 32 точках. Измерения перемещений осуществлялись механическими приборами, регистрация деформаций - электротензодат-чиками. Наблюдения за шириной раскрытия трещин велись с помощью микроскопа МПБ-2. Основную часть приборов ставили по главным осям симметрии вдоль ребра, окаймляющего отверстие лаза, и в промежуточных точках одного из квадратов шаровой оболочки или 1/8 поля для П-1 иП-2.

В результате испытаний получены данные о распределении внутренних усилий в линейной стадии работы конструкции.

Напряженно-деформированное состояние отдельной, шаряирно опертой по контуру, рядовой панели П-2, испытываемой на действие эквивалентной вертикальной равномерно распределенной нагрузки, качественно совпадало с наблюдаемым в оболочках положительной гауссовой кривизны с деформируемыми вдоль контура опорными брусьями. Максимальные значения главных продольных и поперечных сил в диагональном сечении были смещены от угла в глубь оболочки. Непрерывный арматурный пояс плоского опорного контура воспринимал растяжение вдоль сторон и в углах оболочки.

Обжатие панели дна шаровой оболочки опорными реакциями по торцам контурного элемента снижало напряжения растяжения в его основной арматуре от реактивного давления грунта и приводило к двухосному сжатию приконтурных зон. Оболочка испытывала двузначное напряженное состояние на приопорном участке диагонального сечения.

Центральное отверстие диаметром, равным половине пролета, и приложение нагрузки по окаймляющему его кольцевому ребру существенно меняли характер работы панели в виде кругового сомкнутого свода на плоском квадратном плане. Напряженно-деформированное состояние отдельной панели П-1 в среднем меридиональном сечении характеризовалось двухосным растяжением приконтурной зоны. Ограничение линейных перемещений опорного контура для панели покрытия в шаровой оболочке приводило к продольному обжатию. Диагональные зоны в обоих случаях испытывали двузначное напряженное состояние. Передача внешней нагрузки в отдельной панели на опорный контур осуществлялась вдоль диагональных ребер при значительной концентрации в них сжимающих напряжений.

Панели дна и покрытия в составе шаровой оболочки находились в более благоприятном положении, нежели отдельные, следствием чего

может быть уменьшение площади сечения арматурного пояса их контурных элементов.

Напряженное состояние поля панели стены характеризовалось сжатием в вертикальном направлении и растяжением продольными моментами наружной поверхности в зонах примыкания к горизонтальным стыкам с дном и покрытием. В горизонтальных сечениях моменты вызывали растяжение внутренней поверхности приконтурных зон, примыкающих к вертикальному стыку. Арматура контура панели испытывала слабое продольное сжатие и не включалась в работу при этом виде загружения.

Результаты испытаний на данном этапе были учтены при разработке расчетных моделей метода конечных элементов для панелей шаровой оболочки. В вариантах с симметричным действием нагрузки рассчитывалась 1/4 часть исследуемой конструкции. На границах этого фрагмента, отсекаемого ортогональными плоскостями симметрии, ставились однородные граничные условия по соответствующим перемещениям. При асимметричности нагрузки расчеты производились для целой конструкции. При корректировке расчетной схемы метода конечных элементов изменение условий на опорном контуре отдельных панелей выполнялось путем наложения системы связей на его узлы, учащением сетки конечных элементов. В расчетной схеме шаровой оболочки наличие стыков учитывалось путем объединения соответствующих перемещений парных узлов смежных панелей. Расчет с использованием вычислительного комплекса ППП АПЖБК-87 (версия 2.0) лает хорошее совпадение с опытными данными и в целом отражает работу сплошных и с отверстием оболочек на плоском плане.

Проведенные исследования показали высокую жесткость, трещино-стойкость конструкций, выявили схемы разрушения элементов. Схемы образования трещин для панелей покрытия, испытываемых отдельно и в составе шаровой оболочки, имеют много общего. Первые трещины в П-1 появились при нагрузке 18,24 кН/м. Они располагались на внутренней поверхности параллельно диагоналям в зонах, примыкающих к опорному контуру. При 26,34 кН/м, соответствовавшей нормативному проектному значению, ширина их раскрытия составила 0,06 мм. Дальнейшее загружение привело к появлению кольцевой трещины у горловины и вдоль предполагаемой границы центрального диска. Наиболее деформируемыми были зоны у контура отверстия. Разрушение произошло при нагрузке 62,6 кН/м, превышающей проектную расчетную в 1,75 раза, на участке диагонального сечения, примыкающем к одному из углов. При

достижении арматурой пояса опорного контура напряжений, составляющих 90,3% от предела текучести, резкое раскрытие диагональных трещин сопровождалось одновременным выключением из работы бетона при образовании лещадок.

В панели покрытия шаровой оболочки трещин меньше, первые появились при нагрузке 22,45 кН/м. При 63,6 кН/м на угловом приопорном участке произошло мгновенное разрушение, сопровождавшееся отслоением лещадок. Учитывая низкий уровень напряжений в арматуре пояса -166 МПа, причиной ее разрушения и шаровой оболочки в делом следует считать достижение бетоном диагональной полосы между трещинами в приконтурной зоне <тъ г Ль.

Панели стен воспринимали реактивные усилия в контуре панели покрытия, имели трещины с малой шириной раскрытия вдоль горизонтальных образующих снаружи и вдоль вертикальных - изнутри.

В стыках трещины образовались при нагрузках, превышающих нормативное проектное значение. В вертикальных стыках перед разрушением происходило отслоение и последующее выкрашивание бетона заполнения у наружной поверхности, при этом шпонки продолжали работать. Для лучшей передачи нормальных усилий в стыке и уменьшения их эксцентриситета целесообразно скос у наружной поверхности контурного элемента не делать, увеличив тем самым площадь стыка в плоскости нормали.

Предложения по расчету несущей способности оболочки смотрового колодца и составляющих ее отдельных панелей в виде круговых сомкнутых сводов на плоском квадратном плане разработаны па основе кинематического метода теории предельного равновесия. В соответствии с экспериментально полученной картиной расположения основных трещин, сложившейся к моменту разрушения, и характером распределения усилий для шаровой оболочки принята кинематическая модель пластического механизма, возникающего в стадии предельного равновесия от действия вертикальной нагрузки, равномерно распределенной по кольцевому ребру, окаймляющему центральное отверстие в панели покрытия. В общем случае она представляет собой систему из взаимодействующих между собой локальных кинематических механизмов панелей, составляющих оболочку блок-камеры, в предположении одновременного достижения ими состояния предельного равновесия (рис. 2). Все перемещения их элементов поставлены в зависимость от одного параметра - виртуального перемещения центрального диска 1. При этом каждая пара смежных боковых дисков, примыкающих к горизонтальным

стыкам (19 и 12, 22 и 30), составляет единый жесткий диск, а угловые блоки (9, 15 и 33 или 16, 27 и 35) не связаны между собой. Для анализа такой дисково-связевой системы дополнительно введены особые, не совпадающие с нейтральной, плоскости осей взаимного поворота, а под схемой излома понимается пространственная фигура, каждая грань которой совпадает с первоначальной плоскостью плана соответствующей панели и является схемой излома последней. Наличие плоскостей осей взаимного вращения и схем излома у каждой панели при знании перемещений краев ее дисков, совпадающих с опорным контуром, в состоянии предельного равновесия позволяет представить работу внутренних сил всей шаровой оболочки W как сумму этих работ дня составляющих ее панелей и связей. Эквивалентные кинематические схемы деформирования существенно упрощают запись уравнений предельного

Работа внешней нагрузки Т для шаровой оболочки найдена как произведение общей нагрузки на люк на величину возможных перемещений центрального диска в панели покрытия, так как отверстие и нагрузка по его контуру находятся в его пределах.

Искомая минимальная величина предельной интенсивности нагрузки и соответствующая ей наиболее вероятная схема разрушения конструкции согласно кинематическому принципу теории предельного равновесия определяются из уравнения, записанного в форме равенства работ \У=Т для каждой возможной комбинации параметров схемы излома шаровой оболочки.

Как входящие в общую, рассмотрены возможные схемы излома сплошных оболочек в виде кругового сомкнутого свода для различных случаев опирания по контуру. Получены формулы для величины предельной нагрузки при реализации девятизвенной схемы разрушения для свободного опирания оболочки по всему периметру, для которого характерно приподнимание угловых блоков.

С результатами экспериментов для панели-оболочки дна совпадали параметры шатровой схемы разрушения, в которую преобразуется более общая девятизвенная.

Выявлены особенности реализации этой схемы разрушения и получены уравнения работ Ти¥на виртуальных перемещениях для оболочки на плоском квадратном плане с центральным отверстием в зависимости от условий на опорном контуре, от размеров проема, наличия подкрепления по его кромке и приложения нагрузки на части поверхности. Для панели покрытия, испытываемой в составе шаровой оболочки, экспериментальным данным соответствовал случай расположения отверстия в пределах центрального октагонального диска. Для отдельной оболочки границы этого диска определяло кольцевое ребро, окаймляющее отверстие. При опирании на шаровые опоры девятизвенная схема излома дополняется промежуточными дисками, переходными от краевых к угловым блокам. В этом случае при выходе линий излома на контур между соседними крайними опорами углы оболочки без отрыва перемещаются по направлению диагоналей, а стороны краевых дисков на контуре приподнимаются. На величину разрушающей нагрузки для таких оболочек существенное влияние оказывает изгиб контурного элемента.

Предложена новая возможная девятизвенная схема излома оболочки, примененной в качестве панели стены, для которой имело место образование центрального диска, относительно которого перемещались краевые, включающие в себя соответствующие приконтурные зоны, одни из которых, увлекаемые перемещением панелей дна и покрытия, взаимно сближались и обжимали горизонтальные стыки, а другие, вертикальные, напротив, поворачивались наружу. Взаимные перемещения всех звеньев

кинематического механизма определены как функции поступательного опускания центрального диска панели покрытия шаровой оболочки из рассмотрения траекторий движения точек угловых блоков. Для упрощения формул использованы эквивалентные способы задания перемещений горизонтальных участков контура, граничащих с дном и покрытием. Работа внутренних сил будет слагаться из работ в горизонтальных и вертикальных пластических шарнирах, а также в криволинейных линиях излома с предельными усилиями сжатия бетона.

Анализ предельного равновесия по общей схеме излома, реализация которой предполагает системное разрушение всей шаровой оболочки, позволяет получить решения и для ряда частных случаев, связанных с локальным разрушением ее отдельных элементов, в том числе и при аварийном воздействии. Углы оболочки сомкнутого свода должны быть проверены на нормальную силу сжатия. Расхождение опытной разрушающей нагрузки с расчетной теоретической не превышало 4%.

Пятая глава посвящена предложениям по применению пространственных конструкций на плоском квадратном плане для блок-камер смотровых колодцев, их проектированию, изготовлению и технико-экономической эффективности. Приведено описание проектной разработки, в которой использованы панели в виде шатровых складок со стороной 1,5 метра. Рабочие чертежи элементов газового колодца и стальных опалубочных форм разработаны по заказу ПУ "Владимироблгаз" в ПТИ "Владимирстройсистема" при участии автора. Комплекты панелей опытной конструкции изготовлены ТОО лри владимирском заводе ЖБИ. Опробованы варианты армирования сетками и комбинированный с их частичной заменой стальной профилированной фиброй.

Технико-экономический анализ выполненных проектных разработок показал, что применение блок-камер объемом 5,6м3 из панелей со стороной 1,5 м взамен типовых диаметром 1,5 м, высотой 1,8 м и объемом 3,2 м3 из колец, плоских плит дна и покрытия при равных трудозатратах на изготовление комплекта конструкций на один колодец дает экономию арматуры до 5%, бетона - 42%, причем эффективность возрастает с увеличением внутреннего объема. В типовой конструкции диаметром 2 м, высотой 1,8 м и объемом 5,6 м3 расход стали и бетона по сравнению с новой выше уже почти в 2 раза.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основании проведенных исследований и проектных проработок предложена оболочка объемного блока для смотрового колодца из тонкостенных элементов малых размеров, общим конструктивным признаком которых является наличие плоского опорного контура и поля, выпуклостью направленного в сторону грунта.

2. Экспериментально исследовано напряженно-деформированное состояние опытного образца оболочки блок-камеры и отдельных панелей в упругой стадии работы. Полученные данные показали хорошее совпадение с результатами расчета методом конечных элементов и подтвердили возможность создания на основе пологих оболочек на плоском плане объемно-блочных пространственных систем.

3. В результате экспериментальных исследований установлен совместный характер работы составляющих оболочку блок-камеры панелей, выражающийся в изменении взаимных перемещений элементов их индивидуальных схем излома в стадии предельного равновесия и образовании единого для всей конструкции общего кинематического механизма с составными дисками, включающими фрагменты смежных панелей.

4. Разработан расчет несущей способности оболочки блок-камеры на основе кинематического метода предельного равновесия. Выявлена целесообразность представления ее единой дисково-связевой системы в виде взаимодействующих между собой отдельных кинематических моделей пластических механизмов соответствующих панелей.

5. Обоснована девятизвенная схема излома панели стены. Взаимные перемещения всех звеньев ее кинематического механизма определены как функции поступательного опускания центрального диска общей системы, выделенного в панели покрытия.

6. На основе опытных данных для панели-оболочки на плоском квадратном плане установлено, что основное влияние на особенности реализации девятизвенной схемы разрушения оказывают условия на опорном контуре, размеры центрального проема и его подкрепления. Рекомендована проверка углов оболочки на нормальную силу сжатия. Результаты расчета показали совпадение величины несущей способности и экспериментально полученной разрушающей нагрузки.

7. Пространственный характер работы оболочки смотрового колодца, подтвердившийся в результате проведенных исследований, в

сочетании с объемно-блочным методом возведения сетевых сооружений позволяет достичь высокой экономичности и рекомендовать блок-камеры смотровых колодцев для применения как вне проезжей части, так и под автомобильными дорогами, на которых возможно движение транспортных средств, создающих нагрузку в виде полос АК (К—11> согласно СНиП 2.05.03-84. Выполнение блок-камеры из тонкостенных элементов позволит снизить в два раза расход арматуры и бетона, ограничит номенклатуру используемых сетевых сооружений, повысит технологичность работ по их возведению на строительной площадке, облегчит обслуживание в период эксплуатации и расширит область применения пространственных конструкций.

Основные положения диссертационной работы нашли отражение в следующих научных публикациях:

1. Пространственные железобетонные конструкции в подземных инженерных сооружениях: Информ. листок о науч.-техн. достижении № 415-84 / В.И.Тарасенко, А.С.Жив, В.Б.Акимов; Владим. межотраслевой территор. центр науч.-техн. информ. и пропаганды. - Владимир, 1984.

2. Хайдуков Г.К., Акимов В.Б. Сборная шатровая оболочка блок-камеры смотровых колодцев подземных коммуникаций // Исследование железобетонных тонкостенных пространственных конструкций. - М.: НИИЖБ, 1991.-С. 37 - 46.

3. Акимов В.Б. Блок-камера смотрового колодца для подземных инженерных сетей // Повышение эффективности использования техники и совершенствование технологии строительных работ: Сб. науч. трудов. -Владимир, 1992. - С. 8 - 11.

4. Хайдуков Г.К., Акимов В.Б. Экспериментальные исследования сборной шаровой оболочки блок-камеры смотровых колодцев подземных коммуникаций // Пространственные конструкции зданий и сооружений: Исследование, расчет, проектирование: Сб. статей. Вып.7. - М.:НИИЖБ, ЦНИИСК, 1992.-С.182- 189.

5. Khaidukov G., Zhiv A., Akimov V. The prekast chamber-shell for the manholes of the underground communications using steel fibrconcrete// IASS/CSCE Intem. Cong., Toronto, Canada, 1992, pp.887-893.

6. Reinforced Concrete Shells of Intricate Design Configuration / A.S.Zhiv, V.B.Akimov// "Concrete 2000", Intern. Conf., Dundee, Scotland, 1993.

7 .Акимов В.Б. Исследование работы панели покрытия блок-камеры смотрового колодца // Пути повышения эффективности строительства: Сб. науч. трудов. - Владимир, 1994. - С. 13 - 15.

8. Акимов В.Б. Совершенствование способов возведения сетевых сооружений // Проблемы строительно-инвестиционного комплекса: Материалы Междунар. науч.-техн. конф. - Владимир, 1997. - С. 14 - 16.

9. Акимов В.Б. Синергетический аспект определения несущей способности оболочек: Тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф.- Владимир, 1998.-С. 16-18.

Изд. лиц. № 020275 от 13.11.96. Подписано в печать 15.06.98. Формат 60x84/16. Бумага для множит, техники. Гарнитура Тайме. Печать офсетная. Усл. печ. л. 0,93. Уч.-изд. л. 1,02. Тираж 100 экз. С -99

Владимирский государственный университет. Подразделение оперативной полиграфии Владимирского государственного университета. Адрес университета и подразделения оперативной полиграфии: 600026, Владимир, ул. Горького, 87.

Заказ И&Ч-90.