автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Оболочка блок-камеры смотровых колодцев



Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

Владимирский государственный университет

АКИМОВ ВЛАДИМИР БОРИСОВИЧ

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

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

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

УДК 624.074.437:624.012.35

Научный руководитель д.т.н., профессор А.С.ЖИВ

Владимир - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ ..................... 5

1. ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ В ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЯХ. ОПЫТ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И СТРОИТЕЛЬСТВА. ОБЗОР МЕТОДОВ РАСЧЕТА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ .......... 11

1.1. Современные сетевые сооружения - новая область применения пространственных конструкций.................11

1.2. Опыт проектирования и строительства пространственных конструкций на

плоском опорном контуре.....,......22

1.3. Обзор исследований и методов расчета пространственных конструкций

на плоском опорном контуре ......... 30

Выводы...................45

2. КОНСТРУКТИВНОЕ РЕШЕНИЕ БЛОК-КАМЕРЫ СМОТРОВЫХ КОЛОДЦЕВ. МЕТОДИКА

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ........ 46

2.1. Влияние технологического процесса и объемно-планировочного решения на формообразование оболочки блок-камеры смотрового колодца ... 46

2.2. Условия работы и основные воздействия .... 54

2.3. Методика экспериментальных исследований ... 61 2.3.1. Задачи и объекты исследований. План

проведения испытаний ........... 61

2.3.2. Конструкция отдельных панелей, шаровой оболочки и их изготовление ........ 65

2.3.3. Стенд для испытаний и загрузочное устройство................73

2.3.4. Приборы для испытания и их расстановка. . . 77 Выводы...................84

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ИССЛЕДОВАНИЯ И РАСЧЕТ

ШАРОВОЙ ОБОЛОЧКИ И ЕЕ ОТДЕЛЬНЫХ ПАНЕЛЕЙ .... 88

3.1. Результаты испытаний панели без отверстия (рядовой панели) .............. 88

3.2. Результаты испытаний панели с отверстием. . . 95

3.3. Результаты испытаний шаровой оболочки .... 101

3.4. Основные результаты расчета методом

конечных элементов ............. 122

Выводы...................131

4. РАСЧЕТ СБОРНОЙ ШАРОВОЙ ОБОЛОЧКИ БЛОК-КАМЕРЫ СМОТРОВОГО КОЛОДЦА НА

ОСНОВЕ МЕТОДА ПРЕДЕЛЬНОГО РАВНОВЕСИЯ ..... 133

4.1. Основные предпосылки и расчет несущей способности шаровой оболочки блок-камеры

по общей схеме разрушения ........ . . 133

4.2. Расчет отдельной сплошной оболочки

сомкнутого свода..............142

4.3. Расчет отдельной оболочки сомкнутого

свода с отверстием ............. 152

4.4. Расчет отдельной оболочки сомкнутого свода,

примененной в качестве панели стены ..........162

4.5. Расчет шаровой оболочки с учетом

конструктивных особенностей ..................169

Выводы...................173

5. ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО ПРИМЕНЕНИЮ ОБОЛОЧЕК БЛОК-КАМЕР

И ИХ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ.....174

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ...................179

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ..................182

ВВЕДЕНИЕ

Эффективные тонкостенные пространственные конструкции широко вошли в практику строительства, позволив уменьшить расход материалов и трудозатрат при возведении зданий и сооружений и важнейшей задачей в настоящее время остается дальнейшее расширение диапазона их использования.

Сравнительно новым направлением в строительстве является применение оболочек при возведении подземных сооружений. Оно получило развитие в связи со значительными работами по созданию новой и совершенствованию существующей инженерно-технической инфраструктуры современного городского хозяйства. Широкая реализация жилищной проблемы и развитие промышленного производства выявили в 80-е годы существенное отставание ее мощностей от требуемых для нормальной эксплуатации. Территориально-пространственный рост городов и их структурная реорганизация потребовали значительных капитальных вложений в создание инженерно-технической инфраструктуры планируемых территорий. В крупных городах стоимость инженерного оборудования достигла 25-30% от общего объема затрат на жилищное строительство /15 /. Капитальные затраты на 1 км районных и городских магистралей в селитебных зонах больших и крупных городов ориентировочно составляли 1,8-2 млн. руб. (в ценах 1984 г.), эксплуатационные затраты - 10% от капитальных. Для промышленного строительства суммарная стоимость 1 км внешних коммуникаций зависила от отрасли и мощности предприятия, например, для отрасли "Строительство" - около

260 тыс.руб.(в ценах 1984 г.) / 97 /.

По мере усовершенствования городского хозяйства и изменения мощности и видов транспорта, росли затраты на ликвидацию аварий и профилактический ремонт и замену устаревших конструкций.Вскрытие подземных коммуникаций общегородских и районных магистралей по данным ЦНШЭП инженерного оборудования суммарно составляло 1 раз в год на 1 км трассы / 97 Л стоимость разрытия и восстановления проезжей части при ликвидации аварии - 5-10 руб./м2 (в ценах 1984 года), а перебег городского транспорта усредненно оценивался в 36 тыс.руб. в год на 1 км трассы. Поэтому задачи повышения эффективности капитальных вложений, уровня индустриализации, качества строительства , экономичности и надежности инженерных сооружений приобретают все большую актуальность.

Значительные объемы работ при возведении целой системы сетевых сооружений - смотровых колодцев или камер, большая рассредоточенность подобных объектов, их малые габариты и сходность строительной конструкции создают предпосылки для применения объемно-блочного метода, достоинства которого будут реализованы в полной мере при использовании универсальных эффективных нематериалоемких пространственных конструкций. Применение оболочек по новому функциональному назначению делает возможным осуществление из них всех без исключения элементов единой пространственной формы сооружения. Объемный тонкостенный блок для камеры смотровых колодцев, собираемый из панелей малых рамеров, работает в целом как пространственная конструкция, обеспечивая требуемую прочность и

жесткость при значительной экономии материалов по сравнению с традиционными решениями. При этом становятся особо важными вопросы расчета, конструирования и экспериментального исследования самой такой конструкции и выявление особенностей работы составляющих ее элементов.

Цель диссертационной работы состоит в изучении поведения под нагрузкой оболочки объемного блока для смотровых колодцев, разработка 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.

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 блок-камеры в линейной стадии работы;

- кинематические модели пластических механизмов оболоч-

ки блок-камеры, ее отдельных панелей в стадии предельного равновесия и разработанные на их основе расчеты несущей способности.

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.

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 обоснованные предложения по конструированию и расчету новых высокоэкономичных 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 ПТИ "Владимирстройсистема").

Материалы исследований могут быть положены в основу оценки вновь разрабатывамых оболочек покрытий на плоском

плане, имеющих центральное отверстие, при действии нагрузки распределенной по его контуру.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы, включающего наименования.

Во введении отражены цели, задачи и назначение работы, ее выходные данные.

В первой главе - на основании имеющихся публикаций проведено обобщение опыта проектирования и исследований оболочек на плоском квадратном плане и определена новая область их применения при строительстве подземных сетевых сооружений.

Во второй главе рассмотрено влияние технологического процесса, условий работы и основных воздействий на формообразование и конструктивное решение блок-камеры. Описана методика исследований шаровой оболочки и отдельных ее панелей. Даны сведения об испытательных стендах и загрузочных устройствах, применяемых материалах, приборах и приемах обработки экспериментальных данных.

В третьей главе приведены результаты испытаний, касающиеся прочности, жесткости и трещиностойкости отдельной рядовой панели при действии равномерно распределенной нагрузки, панели покрытия и шаровой оболочки - при нагрузке, приложенной по контуру отверстия. Даны результаты их расчета в упругой стадии методом конечных элементов.

В четвертой главе отражены предпосылки и положения расчета методом предельного равновесия шаровой оболочки по общей схеме разрушения и отдельных панелей.

Пятая глава посвящена предложениям по применению пространственных конструкций на плоском квадратном плане для блок-камер смотровых колодцев, их проектированию, изготовлению и технико-экономической эффективности.

В заключении сформулированы основные выводы и рекомендации, сделанные в работе. В диссертации содержится материал, отражающий объем и характер внедрения результатов исследований.

1. ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ В ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЯХ. ОПЫТ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И СТРОИТЕЛЬСТВА. ОБЗОР МЕТОДОВ РАСЧЕТА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Современные сетевые сооружения - новая область применения пространственных конструкций

Основным сооружением на инженерных сетях являются смотровые колодцы и камеры (большие колодцы прямоугольной формы) для ограждения установленных в них регулировочных и запор-но-предохранительных устройств и доступа для обслуживания в процессе эксплуатации без раскопок грунта. Они представляют собой искусственно созданный объем, сообщающийся с поверхностью земли посредством лаза в виде вертикальной шахты.

Своим появлением смотровые камеры и колодцы обязаны усложнению инженерного обеспечения городов и применению трубопроводных и кабельных систем /58 /. Из отечественной истории строительства /47/ известен факт прокладки подземного самотечного водопровода в Новгороде еще в конце XI - начале XII вв. с устройством по его линии смотровых колодцев из срубов размером 1,13 х 1,17 метра. В стены были врезаны трубы из парных долбленых бревен. Форма, конструктивное решение, материалы и технология возведения, само название, примененные по новому назначению, были приняты по аналогии с водозаборными колодцами.

Для периода возникновения этого вида сетевых сооружений характерны единичные случаи строительства и малые объемы работ с ориентацией на местные материалы, способные противостоять размоканию грунта под воздействием грунтовых вод, разрушению от нагрузок, создаваемых проезжающим транспортом. На рубеже XIX и XX веков этим требованиям удовлетворяли традиционный хорошо обожженный красный кирпич и новый для той поры материал - железобетон.

Применение мелкоштучного кладочного материала позволяет учитывать особенности сооружения в каждом конкретном случае, но соответствует низкому уровню индустриализации, сопряжено с большими затратами труда, сезонностью, повышенным расходом материалов, не отвечает требованиям унификации и ограничения номенклатуры применяемых решений. Бетонирование в построечных условиях или применение отдельных железобетонных элементов также не разрешает этих проблем.

С начала века и по настоящее время широко распространены кирпичные колодцы с перекрытием из железобетонных плит, а иногда сводчатые, если они большого размера, или - в виде усеченного конуса. Конструкция перекрытия зависит от размеров колодца в плане и величины предполагаемых внешних нагрузок. В большинстве случаев основания колодцев в плане имеют вид прямоугольника или круга (овала). Размеры их внутреннего пространства обеспечивают удобство производства работ и возможность эвакуации в случае необходимости / 16, 43, 99/.

Строительство колодцев из железобетона изначально было ориентировано на максимальную сборность. В качестве основно-

го элемента стен принято кольцо. Размеры деталей ограничивались уровнем развития транспортных средств и грузоподъемных механизмов. В связи с чем и в более позднее время предпринимались попытки перенесения форм и конструктивных решений, присущих кирпичным и даже деревянным колодцам, в условия применения железобетона. Колодец Мосподземпроекта (1960 г.), прямоугольный в плане, собирался из стеновых блоков как сруб и перекрывался малыми по размеру и весу плитами / 18 /.

В каталоге выставки строительных материалов и принадлежностей, состоявшейся в 1892 году в Соляном Городке (г.С-Петербург).фирмой В.В.Гюртлера были представлены армированные бетонные строительные детали колодцев /132/. В некоторых губерниях земскими мастерскими было освоено изготовление бетонных звеньев для сборных дымовых и канализационных труб в деревянной опалубке. В мастерских Полтавского земства, кроме того, были разработаны металлические формы, в которых изготовлялись цилиндрические бетонные звенья для сборных колодцев, имевшие внутренний диаметр 0,89 м, высоту 0,56-0,62 м и толщину стенок около 0,09 м, оснащенные монтажной арматурой /132/.

Прокладка инженерных сетей в России в первые десятилетия XX века проводилась в ограниченных масштабах, носила случайный характер, не имела единой нормативной базы. Работы по составлению подробного плана подземных сооружений г.Москвы были начаты только в 1930 году. В 1931 г. был опубликован первый проект "Технических условий и норм на прокладку подземных сооружений по улицам и площадям городов и

населенных пунктов СССР" /131/. Наряду с выполнением возросших объемов работ по благоустройству городов, в 30-е годы продолжались значительные научно-исследовательские и экспериментальные работы. Однако, вопросы устройства колодцев при форсированном решении проблем прокладки инженерных сетей имели второстепенный характер.

Период массового развертывания строительства трубопроводов и сетевых сооружений приходится на послевоенный период (с 1946 г.) /16/. Развитие индустрии сборного железобетона, увеличение количества и грузоподъемности строительных кранов позволили максимально укрупнить элементы и унифицировать конструктивные решения. В ГОСТ 8020-56 были приведены сортамент и технические параметры изделий для круглых железобетонных сборных колодцев. Типовые проекты были составлены институтами Водоканалпроектом и Гипрокоммунводоканалом, Укр-гипрогорпромгазом. Колодцы из сборных элементов заводского изготовления позволили сделать их конструкцию удобной для монтажа и эксплуатации. Рабочую часть колодцев изготавливали также из отдельных либо монолитно соединенных между собой плоских или ребристых плит, образующих лотковые, П- и Г-образные элементы. Однако, анализ прямых затрат (табл.1.1) по ведомственному прейскуранту /74/ показывает, что при равном объеме необходимого рабочего пространства они уступают круглым в плане кирпичным или железобетонным и сопоставимы лишь с прямоугольными кирпичными камерами больших размеров (сравнение выполнено в ценах 1984 г., обозначение материала стен: "к" - кирпичные; "ж/б" - сборные железобетонные).

Таблица 1.1

Размеры в плане, м Высота, м Материал Прямые затраты, руб.

0 1,5 к 298

0 1,5 1,8 ж/б 280

1,5x1 к 371

1, 5x1,2 ж/б 448

0 1,5 к 327

0 1,5 2,1 ж/б 300

1,5x1 к 412

1,5x1,2 ж/б 482

0 2 к 470

0 2 1,