ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ
ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

ПРЕДЛОЖЕНИЯ
ПО РАСЧЕТУ НЕЗАПОЛНЕННЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ
ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ОБОЛОЧЕК НА ВНУТРЕННЕЕ
ДАВЛЕНИЕ ЛЕДЯНЫХ ПРОБОК

Москва 1970

Содержание

ПРЕДИСЛОВИЕ

В практике строительства мостов и гидротехнических сооружений широкое распространение получили сборные железобетонные цилиндрические оболочки.

В начальный период массового внедрения оболочек в мостостроение их применяли только в фундаментах. В последние годы наметилась тенденция к дальнейшему расширению области их применения. Предложены более легкие, индустриальные в экономичные конструкции мостовых опор, в которых оболочки используют не только в фундаменте, но и в надфундаментной части. Однако, в надфундаментной части опор мостов на реках с ледоставом железобетонные оболочки, внутренняя полость которых в зоне льдообразования оставлена без заполнений бетоном, не применяли. До сих пор считалось, что такие оболочки в процессе эксплуатации неизбежно будут растрескиваться от воздействия льда, образующегося во внутренней полости. Поэтому их разрешалось применять только в верхних частях речных опор или в опорах на поймах, суходолах в периодических водотоках, где лед в оболочках не образуется. Заполнение оболочек бетоном только для того, чтобы исключить попадание волн во внутреннюю полость в ее последующее замерзание, приводило к увеличению стоимости строительства, к уменьшению сборности и не исключало опасности образований трещин в оболочках.

Предложения по расчету незаполненных цилиндрических железобетонных оболочек на внутреннее давление ледяных пробок составлены в дополнение к действующим методическим указаниям и нормативным документам [2, 3, 4, 6, 7, 8] по расчету опор мостов, имеют своей целью предупреждение появления трещин, и расширение области применения незаполненных оболочек.

В предложениях изложена методика оценки трещиностойкости типовых оболочек в зове образования ледяных пробок в любых климатических условиях. Рекомендуются также мероприятия, позволяющие повысить сопротивляемость оболочек давлению ледяных пробок.

Автором работы является старшей научный сотрудник В.П. Величко. Работа выполнена под руководством д.т.н. профессора В.С. Лукьянова. Она предназначается для организаций, занимающихся проектированием и строительством мостов.

Замечания по Предложениям просьба направлять по адресу: Москва, И-329, Игарский проезд, 2, ЦНИИС.

Заместитель директора Института                                        А. СМОЛЬЯНИНОВ.

Руководитель Отделения                                                        В. БУРНШТЕЙН

I. РАСЧЕТНЫЕ СЛУЧАИ

1. На основе обследований эксплуатируемых постоянных и временных опор постов, наблюдений на специально установленных опытных оболочках, экспериментальных и теоретических исследований температурного режима и напряженного состояния оболочек в зоне льдообразования установлено, что во многих случаях на реках без ледохода (лед тает на месте) или со слабым ледоходом можно применять в зоне льдообразования незаполненные оболочки.

В процессе эксплуатации во внутреннюю полость оболочки, оставленную незаполненной, так или иначе попадает вода (через неплотности бетона или фильтрующий грунт основания). При понижении температуры вся вода или часть ее замерзает, образуя ледяную пробку. При замерзании воды или в результате температурного расширения образовавшейся ледяной пробки оболочка подвергается внутреннему давлению и напряжениям, которые могут привести к образованию сквозных продольных трещин. Давление при замерзании воды в замкнутом пространстве с увеличением объема на 9% может быть чрезвычайно велико, но его легко устраните, обеспечив свободный уход воды через специальные отверстия в оболочке, расположенные ниже уровня промерзания, или через фильтрующий грунт основания.

Давление на оболочку, возникающее от расширения ледяной пробки при повышении ее температуры, может быть учтено в расчетах.

Расчет незаполненных цилиндрических железобетонных оболочек на внутреннее давление ледяных пробок следует производить только для мостов, расположенных севернее и восточнее границ, которые проведены на карте (рис. 1), и только в случаях, когда опора находится в русле реки.

Первая граница (для рек с регулируемым уровнем воды в период ледостава) почти совпадает с изолинией среднемноголетней толщины ледяного покрова 0,3 м и проходит на севере между Ригой и Калининградом. Опускаясь на юг близ западной границы Советского Союза около Каменец-Подольского, она меняет свое направление на восточное, проходя у Днепропетровска, Ростова-на-Дону, Астрахани, а затем, поворачивая на юго-восток к Ташкенту, пересекает северную часть Каспийского и Аральского морей.

Вторая граница (для незарегулированных рек) проходит в 200-600 км северо-восточнее от первой и во многих местах совпадает с изолинией среднемноголетней толщины ледяного покрова 0,5 м.

Эти границы определены для типовых оболочек диаметром 60 см и более.

Рис. 1.

2. При расположении опоры на пойме где лед в оболочке образуется ниже поверхности окружающего оболочку грунта (типы 4, 5, 6 на рис. 2), или при установке оболочки в водоеме, уровень воды в котором в период ледостава не изменяется (тип. I на рис. 2) давление льда незначительно, и поэтому при расчете может не учитываться.

3. Расчетное давление ледяной пробки при ее температурном расширении возникает в результате мгновенного затопления ледяной пробки и оболочки водой при условии, что перед этим уровень воды в реке понижался (типы 2 и 3 на рис. 2), и затоплению предшествовало медленное длительное похолодание, в ходе которого бетон и лед остыли до температуры, близкой к температуре наружного воздуха, а напряжения и трещины в ледяной пробке и на контакте ее с оболочкой не возникли.

Характерные типы льдообразования в оболочках.

Рис. 2

Примечания:

* При сравнении толщины ледяной пробки с толщиной ледяного покрова реки предлагается набольшее значение последней (при отсутствии снежного покрова).

** Изменение уровня воды считается скачкообразным, если оно происходит со скоростью, превышающей 1,5 см/сут.

II. МЕТОДИКА РАСЧЕТА

4. Методикой расчета предусматривается:

а) определение расчетной толщины ледяной пробки;

б) определение расчетной температуры ледяной пробки;

в) определение расчетного давления льда на оболочку;

г) определение напряжений в оболочке;

д) оценка трещиностойкости оболочки;

5. Предполагаемая толщина ледяной пробки и положение ее во внутренней полости оболочки определяются приближенно. Зная расположение оболочки на местности и общий характер изменения уровня воды в реке в период ледостава, можно по рис. 2 установить ожидаемое льдообразование в оболочке, а затем определись предполагаемую толщину ледяной пробки h по формуле:

                                                   (1)

где λ = 2,0 - коэффициент теплопроводности льда, ккал/м. час. град;

t - температура воздуха над поверхностью льда, град;

τ - расчетное время льдообразования, час;

Q = 73600 - скрытая теплота льдообразования, ккал/м³;

с = 460 - объемная теплоемкость льда, ккал/м³. град;

S - толщина эквивалентного слоя льда, термическое сопротивление которого равно сопротивлению теплоотдаче с поверхности, м.

Температура воздуха над поверхностью льда (t) численно равна средней зимней температуре. Последняя определяется по табл. I СНиП II-А.6-62 [5]. Толщина эквивалентного слоя S принимается по формуле

где α =20 - коэффициент теплоотдачи с поверхности льда в естественных условиях, ккал/м².час. град.

В отдельных случаях необязательно точно знать ожидаемую толщину ледяной пробки; При оценке трещиностойкости оболочек диаметром 60 см, когда известно, что в процессе эксплуатации могут образоваться ледяные пробки толщиной более 120 см, за расчетную толщину можно принять h = 120 см. При оценке трещиностойкости оболочек диаметром 80 см и более, когда известно, что ледяные пробки могут быть толще 70 см, достаточно произвести проверку для h = 60-70 см.

6. Расчетная начальная температура ледяной пробки t₀ определяется следующим образом. Вначале по табл. 1 определяется время τ₀, которое необходимо для того, чтобы ледяная пробка заданных размеров охладилась от 0° до температуры, близкой к температуре воздуха.

Таблица 1

Время охлаждения (τ₀) ледяных пробок, сутки

Затем, пользуясь таблицей I СНиП II-A.6-62 [5], для заданного пункта определяется средняя температура воздуха наиболее холодного периода длительностью τ₀. При этом строится вспомогательный график, на котором по оси абсцисс откладывается время в сут., а по оси ординат температура в град.: в начале координат - абсолютный минимум, в точке с абсциссой 1 - средняя температура наиболее холодных суток, в точке с абсциссой 5 - средняя наиболее холодной пятидневки и в точке с абсциссой 30 - средняя наиболее холодного месяца. По графику находится средняя температура воздуха, наиболее низкая для периода заданной длительности τ₀. За расчетную начальную температуру ледяной пробки t₀ приближенно принимается средняя температура воздуха.

7. Далее, по расчетным значениям h и t₀, для оболочки заданного диаметра d_нар определяется расчетное среднее давление ледяной пробки по эмпирической формуле

                                  (2)

В реальных условиях давление может быть меньше величин, полученных по формуле (2). При этом необходимо учитывать тип льдообразования (рис. 2). Самым опасным - является тип 3. Толщина ледяной пробки в этом случае в отдельные годы может оказаться равной толщине окружающего ледяного покрова, а резкие колебания уровня воды могут явиться причиной возникновения наибольшего давления. Именно такому случаю соответствуют данные формулы (2). Тип 2 льдообразования менее опасен. Расчетное давление в этом случае меньше. Оно может быть определено путем умножения полученных по формуле (2) значений на поправочный коэффициент 0,5 ≤ К ≤ 1, определяемый в зависимости от величины отношения толщины ледяной пробки к диаметру оболочки.

(3)

При h/d_нар ≤ 0,3-К=0,5;

При h/d_нар ≥ 2-К=1.

В интервале 0,3<h/d_нар<2 понижающий коэффициент определяется интерполяцией.

8. Определяется максимальное растягивающее тангенциальное напряжение, действующее по касательной к окружности и вызывающее трещины вдоль образующих цилиндрической оболочки, по формуле

σ_max=q·δ⁽¹⁾_h/2, кг/см²                                                                        (4)

где q - расчетное среднее давление ледяной пробки, кг/см²,

σ⁽¹⁾_h/2 - тангенциальное напряжение от единичной нагрузки на уровне середины толщины ледяной пробки (по табл. 2).

9. Полученное по формуле (4) напряжение от давления ледяной пробки необходимо сложить с напряжениями от других воздействий в сочетаниях, соответствующих табл. 6 СН 200-62 [7] и сравнить суммарное напряжение с предельно допустимым.

Исследованиями НИИЖБа [1] установлено, что существуют пороговые растягивающие напряжения, ниже которых существенно влияние напряженного состояния на появление трещин в конструкциях и на долговечность материала. Установлено, что для суровых условий эксплуатации величина их может быть принята равной 50% от нормативного предела прочности бетона на растяжение. Для бетона марки 400, из которого обычно изготовляются оболочки, нормативный предел прочности на растяжение составляет 25 кг/см². Соответственно, предельно допустимое напряжение; растяжения для бетона оболочек в зоне льдообразования, сохранив некоторый запас (исследования НИИЖБа относятся к более суровым условиям эксплуатации), можно принять напряжение, равное 12,5 кг/см². При дальнейшем уточнении критерия трещиностойкости имеющийся запас прочности может быть снижен.

Таблица 2

Максимальные тангенциальные напряжения σ⁽¹⁾_h/2 от единичной нагрузки (безразмерная величина)

Примечание: d_вн - внутренний диаметр оболочки, см.

10. Для повышения трещиностойкости оболочек, подвергающихся давлению ледяных пробок, рекомендуются следующие мероприятия: увеличение толщины стенок, применение оболочек более крупного диаметра, повышение предельно допустимого растягивающего напряжения в бетоне оболочек и применение напряженной спиральной арматуры. Эффективность каждого из этих мероприятий может быть проверена с помощью изложенной методики.

III. ПРИМЕР РАСЧЕТА

Пусть требуется проверить и сравнить трещиностойкость полых оболочек диаметром 60 см, которые предполагается установить в русле реки Оби в районе города Сургута. Режим уровня реки в период ледостава в течение всего срока службы моста относительно спокойный (река не зарегулирована - волны попуска ближайшей ГЭС на Оби не доходят до моста). Из этого следует, что нижняя поверхность ледяной пробки всегда будет соприкасаться с водой. На реке возможны заторы и подъем уровня, в результате которых предварительно остывшая ледяная пробка может внезапно затопляться водой, т.е. возможно возникновение давления на оболочку.

а) Ожидаемое льдообразование в данных условиях может быть отнесено к типу 2 (рис. 2). Наибольшая толщина ледяной пробки h ориентировочно по формуле (I) равна 110 см.

б) По табл. 1 интерполяцией находим, что время τ_o , необходимое для остывания ледяной пробки толщиной 110 см в оболочке диаметром 60 см до температуры, близкой к температуре окружающего воздуха, равно 0,76 суток. Наиболее низкую среднюю температуру воздуха за такой период в районе Сургута находим интерполяцией между абсолютным минимумом и температурой самых холодных суток по табл. I СНиП II-А 6-62 [5].

Итак, расчетная начальная температура ледяной пробки t_о = -47º.

в) По формуле (2) находим

Найденная величина давления была бы расчетной для льдообразования типа 3, в нашем же случае для типа 2 необходимо учесть поправочный коэффициент К=0,95

Следовательно, q'=q К=0,95·11,46=10,89 кг/см².

г) Максимальное напряжение от единичной нагрузки, найденное интерполицией между соответствующими табличными значениями (табл. 2), составит

σ⁽¹⁾_h/2=2,994.

Максимальное напряжение oт расчетной нагрузки по формуле (4) составит

σ_max=10,89·2,994 = 32,6 кг/см².

д) Полученное напряжение в 2,6 раза больше предельно допустимого, поэтому не исключена возможность образования в оболочке диаметром 60 см трещин от внутреннего давления ледяной пробки.

ЛИТЕРАТУРА

1. инструкция по повышению долговечности бетона в конструкциях морских гидротехнических сооружений, М., 1962.

2. Методические указания по проектированию искусственных сооружений. Вып. 13. Условия рационального применения оболочек для фундаментов и опор мостов (Рекомендации по наиболее эффективному применению оболочек в фундаментах и опорах мостов). Гипротрансмост, ротапринт, М., 1965.

3. Предложения по проектированию и технологии строительства сборных и сборно-монолитных опор мостов. ЦНИИС, ротапринт, М.,1966.

4. Рекомендации по повышению трещиностойкости сборных и монолитных бетонных и железобетонных опор мостов, ЦНИИС, ротапринт, М., 1969.

5. СНиП II-А.6-62, Строительная климатология и геофизика. Госстройиздат, М.,1963.

6. Технические указания по проектированию и строительству фундаментов и опор мостов из сборных железобетонных оболочек (ВСН 110-64). Оргтрансстрой, М.,1965.

7. Технические условия проектирования железнодорожных, автодорожных и городских мостов и труб (СН-200-62), Трансжелдориздат, М.,1965.

8. Указания по определению ледовых нагрузок на речные сооружения (СН-76-66), Госстройиздат, М.,1967.