Типизация труб из МГК по основным конструктивным признакам

25.05.2016

Применение металлических гофрированных конструкций (МГК) в проектах водопропускных сооружении на автомагистралях зависит от многих факторов: гидрологических условий водотока - величины расчётного расхода, наличия ледохода, наледообразования, карчехода, заторов, селей, геологических условий - характеристик грунтов в основании будущего сооружения и др. Последний фактор влияет на назначение конструкции фундаментов и соответственно стоимость МГК.
В условиях горного рельефа, когда при проектировании продольного профиля назначаются наибольшие продольные уклоны, в целях безопасности движения автотранспорта нормативная база не рекомендует устраивать мостовые сооружения. В то же время баланс земляных работ соблюдать необходимо, поэтому появление высоких насыпей, пересекающих небольшие водотоки, неизбежно. Здесь и находят применение МГК. Они дают значительный экономический эффект по стоимости и срокам возведения сооружений по сравнению со стоимостью строительства малых и средних мостов на водотоках с расходом воды до 100...150 м3/сек. Для европейской части России МГК дешевле железобетонных мостов на 20...30%. Часто только при использовании гофрированных труб удается реализовать удачное конструктивное решение при пересечении автомобильных трасс на разных уровнях или ремонт (реконструкцию) моста без остановки транспортного потока.
Нормативная база по проектированию и строительству МГК существует во многих странах мира: в Северной Америке - США и Канада, в странах Западной Европы - Италия, Финляндия, Швеция, в Восточной Европе - Польша, Румыния, Литва, Беларусь, Украина. Применение металлических гофрированных труб в РФ регламентируется типовым проектом серии 3.501.1-184.03. «Трубы водопропускные отверстием 1,5-3 м из гофрированного металла с гофром 164x57 мм» и серии 3.501.3-187.10 «Трубы водопропускные круглые отверстием 0,5-2,5 м спиральновитые из гофрированного металла с гофром 68x13 мм и 125x26 мм», разработанным ОАО «Трансмост» (г. Санкт-Петербург), рассчитанным по нормативным документам и утвержденным Главным Управлением пути МПС. В стадии разработки у ОАО «Трансмост» находится типовой проект для МГК диаметром более 3-х метров. Продукция ряда производственных организаций выпускается по стандартам организаций (СТО), разработанных с учётом российских СНиПов и ГОСТов, указанных в Федеральном законе о «Техническом регулировании» №184-ФЗ и согласованных к применению ФДА РОСАВТОДОР и ГК АВТОДОР. Например, в 2015 г. согласованы на 3 года: СТО 86168631-02-2011. «Трубы стальные гофрированные цельновитые для водопропускных сооружений на автомобильных и железных дорогах» и СТО 33027391-2013. «Изделия строительные металлические из гофрированных листов для конструкций инженерных сооружений».
Основным преимуществом МГК является высокая прочность при сравнительно малой толщине металла - 2,5...7,0 мм. При этом они обладают повышенной сейсмостойкостью и сопротивлением к разрушению. Совместная работа конструкции и грунта засыпки обеспечивает восприятие неравномерных деформаций основания. Другие важные свойства МГК-долговечность, адаптивность и климатичность.
Использование эффективных антикоррозийных покрытий позволяет повысить стойкость МГК к агрессивным средам и тем самым продлить срок службы искусственных сооружений из МГК до 75 лет и более, в то время как железобетонные конструкции служат не более 25...30 лет. При сборке МГК не требуется использование сложной и дорогостоящей техники, а сроки строительства сооружений из МГК в 5...7 раз короче, чем из бетонных конструкций. Как показал опыт применения МГК, затраты на возведение объектов снижаются, по сравнению с прямоугольными железобетонными трубами, на 20...30%, мостами - до 50%. Кроме того, одним из важных отличий МГК от традиционных конструкций является значительное снижение или полное отсутствие материальных затрат на эксплуатацию сооружения.
Водопропускные сооружения для пропуска постоянных и временных водотоков под насыпью автомобильных дорог из металлических гофрированных труб (МГТ) позволяют получать более разнообразные и экономичные конструктивные решения в сравнении с сооружениями из бетонных труб.
Водопропускные гофрированные трубы по высоте поперечного сечения делятся на 3 категории: малые - до 3 м, средние - 3...6 м, большие водопропускные сооружения с эквивалентным диаметром 6...10 м. В соответствии с нормативными документами, для обеспечения условий эксплуатации и обслуживания отверстия труб из СМГК назначаются размером (ширина, высота, диаметр) не менее 1 м, а при длине труб свыше 20...30 м - не менее 1,5 м. Диаметр (пролет) МГТ составляет от 1 до 15 м. В рыбохозяйственной гидротехнике гофротрубы применяются диаметром от 1 до 7 м. Инновационный характер современных МГК даёт возможность перекрывать ими большие пролёты, например, грунтозасыпными мостами пролётом более 25 м. Однако наиболее распространённые сооружения - трубы диаметром 1...3 м, объём производства которых, по данным ЗАО «Гофросталь», составляет до 60...70% общего объёма производства МГК.
Типизация труб из МГК по основным конструктивным признакам
Типизация труб из МГК по основным конструктивным признакам

При строительстве сооружений с использованием МГК в нашей стране при диаметре трубы от 1,3 до 16 м и допустимой высоте насыпи 0,4...20 м применяются трубы с различной формой поперечного сечения (табл. 2.1): круглой (рис. 2.1), арочной (рис. 2.4б), эллиптической (горизонтальный или вертикальный эллипс) (рис. 2.2), полицентрической арочного типа (рис. 2.3), овоидальной (с шириной пролёта от 1,8 до 12 м и высотой от 1,5 до 8,5 м) и мосты-трубы (рис. 2.4а).
Типизация труб из МГК по основным конструктивным признакам

Форма сечения, которую имеет металлическая гофротруба, варьируется в зависимости от конкретного назначения возводимого объекта (табл. 2.1). При проектировании также учитывают подвижную нагрузку и другие местные характеристики водопропускного сооружения. Кроме того, форма гибкой конструкции арочного (рис. 2.5) или замкнутого сечения (рис. 2.6) определяется высотой насыпи, величиной пропускаемого расчётного расхода воды, эстетическими соображениями либо требуемой конфигурацией донной части сооружения.
Типизация труб из МГК по основным конструктивным признакам

Круглые и эллиптические МГТ (рис. 2.6) наиболее экономичны и имеют наибольшую конструктивную прочностью при восприятии нагрузок. Поэтому их целесообразно использовать при высоких насыпях (до 20 м) и выполнять в виде малых и средних арочных мостов-труб (рис. 2.7).
Типизация труб из МГК по основным конструктивным признакам

Горизонтально ориентированный эллипс целесообразно применять при невысоких насыпях, а вертикально ориентированный эллипс - при значительной разнице расчётных уровней.
Типизация труб из МГК по основным конструктивным признакам

Арки кругового очертания используются в качестве грунтозасыпного моста, а при ограниченной высоте засыпки над сооружением -двухрадиусные арки пониженного очертания (рис. 2.8). При необходимости обеспечения габаритов по высоте лучше применять арки повышенного очертания, из металлических листов, изогнутых по двум и более радиусам (рис. 2.9).
Типизация труб из МГК по основным конструктивным признакам

В мировой практике используют трубы с разнообразными формами поперечного сечения, а малые трубы сооружают в основном круглого сечения диаметром от 0,3 до 7,0 м (рис. 2.10). Использование специальных приемов (ребра жесткости, предварительное нагружение конструкций и др.) позволяет создать конструкции с пролетами до 10...12 м. Кроме стыков внахлестку, применяют фланцевые соединения листов, соединения встык, в паз и т.д.
Типизация труб из МГК по основным конструктивным признакам

В Японии водопроводящие сооружения из МГК круглой формы имеют диаметр от 0,3 до 4,5 м; овоидальные - с длинной осью от 2,0 до 6,0 м; арочные - с пролетом от 1,5 до 7,0 м. Для изготовления труб используют гофрированные листы или пластинчатые элементы толщиной 2,7...7,0 мм. При этом трубы делят на два типа: выполняемые из одноразмерных листовых элементов, изогнутых по полуокружности с волнами 67,7x12,7 мм, и из различных по ширине изогнутых пластинчатых элементов с волнами 150x48 мм. Трубы первого типа диаметром 0,3...1,8 м выполняют с фланцевыми продольными стыками и с продольными стыками внахлестку с пазами. Трубы второго типа выполняют из специальных пластинчатых элементов, соединяемых болтами в конструкции круглого, эллиптического, овоидального или арочного видов.
Сферу применения МГК расширяет возможность выбрать сечение, больше всего соответствующее гидрологическим особенностям конкретной местности. Предварительное назначение параметров МГК следует проводить по следующей схеме:
- сбор и анализ исходных данных;
- выбор варианта конструктивной схемы сооружения;
- уточнение формы и внутренних размеров сооружения из МГК;
- предварительное определение несущей способности (толщины гофролиста) с помощью упрощенных расчетов или разработанных графиков;
- определение ориентировочной массы и стоимости сооружения из МГК.
При этом следует учитывать, что МГТ сложных форм МГК, таких, как эллиптические и полицентрические, будут иметь заведомо большую толщину стали по сравнению с простыми.
Последовательность выбора варианта очертания МГС такова:
- рассматривается круглая труба или правильная круговая арка;
- проводятся гидравлические и статические расчёты, тщательный анализ исходных данных, предварительные экономические расчёты;
- делается анализ применения более сложных форм;
- принимаются сложные очертания с элементами усиления МГТ (рис. 2.5 и 2.11).
Типизация труб из МГК по основным конструктивным признакам

За рубежом запатентован ряд предложений по усилению МГТ (рис. 2.12).
Основным типом МГТ всё-таки являются круглые трубы, имеющие наиболее устойчивую форму сечения. Соединение листов труб выполняют болтами, болтами с крючкообразной головкой, болтами с проушиной. Комплектование осуществляется высококачественными оцинкованными метизами. Геометрические характеристики листов из гофрированного металла принимаются по техническим условиям завода изготовителя.
Типизация труб из МГК по основным конструктивным признакам

Поскольку границы применения МГТ устанавливаются при проектировании, то разделение по типам гофролиста может быть достаточно условным. Часто тип гофролиста, производимого компанией, определяет характеристики проектируемых мостов и труб. Например, дочернее предприятие холдинга ОАО «Опытный завод Гидромонтаж» - ЗАО «Гофросталь» рекомендует использовать при строительстве искусственных сооружений из МГК выпускаемые гофролисты с фиксированными в соответствии с каталогом параметрами гофра:
- водопропускные трубы диаметром 1...2 м; гофролист с параметрами волны 150x34 мм, диаметром 1,5...3 м - 152,4x50,8 и 200x55 мм;
- водопропускные трубы и переходы тоннельного типа с эффективным диаметром до 7...8 м из гофролиста 152,4x50,8 и 200x55 мм. В этом случае проектируются сооружения из конструкций замкнутого типа (см. табл. 2.1): TP, ЭГ, ЭВ, ПЦ и др., а также незамкнутого типа: AK, АН, AB (одно- и двухрадиусные), коробчатого типа и полицентрического очертания;
- из гофролиста с волной 380x140 мм (мостолист SuperCor). Пролеты сооружений из SuperCor могут достигать 25 м, при этом можно создавать конструкции с круговым диаметром более 3,2 м или специальных форм, включая непрерывно армированные прямоугольные галереи BOX с пролетами до 15 м.
Следует подчеркнуть, что форма гофрированного листа в МГК бывает двух видов: нормальный гофр и спиральный гофр (рис. 2.13).
Типизация труб из МГК по основным конструктивным признакам

Основное отличие заключается в наличии угла спиральности (helix angle). У нормального гофра волна гофрированного листа ориентирована по диаметру трубы, а у спирального гофра - составляет острый угол. В России принято называть МГТ со спиральной формой гофра спиральновитыми (СМГТ). Угол спиральности влияет на гидравлические сопротивления и как следствие на формирующиеся в трубе глубины, которые регламентируются нормативными рекомендациями. По зарубежным данным, гидравлические сопротивления в спиральновитых гофрированных трубах меньше, чем в гофрированных трубах с нормальной формой гофра для однотипных видов гофра (например, используется как нормальный, так и спиральный гофр размером 68x1З мм).
Помимо наличия спиральности СМГТ имеют и ещё одно важное отличие от МГТ. Такие трубы выпускаются цельными, могут иметь любую длину. МГТ собираются из конструктивных элементов на болтах и поэтому имеют много стыковых соединений, через которые даже при качественном соединении все же может происходить утечка воды. СМГТ стыковых соединений по длине секции не имеют. Соединение секций осуществляется на бандажах, что не увеличивает местные сопротивления, положительно сказывается на пропускной способности трубы и её долговечности. Такое соединение труб является практически герметичным и быстро монтируется. Сборка спиральновитой водопропускной трубы длиной 25 м из двух секций занимает 1,5...2 часа.
СМГТ являются самыми инновационными конструкциями дорожных водопропускных труб, применяемых в РФ в настоящее время. Кроме высокой скорости монтажа, их отличает и простота строительства: монтаж металлических спиральновитых труб не требует применения тяжёлой строительной техники, а малый вес позволяет использовать ручной способ сборки конструкций. Спиральновитые трубы применяются во всех климатических районах РФ с сейсмичностью до 9 баллов и в любых сложных грунтово-гидрологических условиях (на слабых основаниях, в зонах избыточного увлажнения и т.д.).
В большинстве своем отечественные производители выпускают гофрированные трубы с нормальным гофром. Выпуск СМГТ в России и странах СНГ начат совсем недавно - с 2008 г., и первое время укладывались только импортные трубы. Такие трубы уже более 50 лет используются в США, где они и были изобретены. За рубежом применяется три размера спирального гофра: 68x13 мм, 75x25 мм и 125x25 мм (первый размер это длина волны гофра, а второй - его высота). На данный момент в РФ построены предприятия, выпускающие СМГТ, в Санкт-Петербурге, Рязани, Нижнем Новгороде и др. Однако отечественные предприятия выпускают гофрированный лист максимальной толщины 2 мм, который используется для изготовления труб с d < 1 м. Для изготовления СМГТ большего диаметр требуется гофрированный лист большей толщины, который в настоящее время приходится импортировать. Это один из моментов, который не позволяет существенно расширить применение таких труб в области строительства транспортных сооружений. В нашей стране выпускаются спиральновитые трубы по стандартам производящих организаций. Например, ООО МГК - с гофром 68x13 мм для изготовления труб диаметром 0,3...0,8 м, с гофром 125x25 мм для труб диаметром 0,8...3,6 м; ООО «Туборус» делает трубы SPIREL с гофром 125x25 мм диаметром 1,2...3,6 м (рис. 2.14). Учитывая, что на магистралях в качестве дорожных водопропускных труб используются трубы диаметром не менее 1 м, а наиболее распространены трубы диаметром 1...3 м (около 60...70%), то можно считать, что строящиеся на автодорогах СМГТ в большинстве случаев имеют гофр 125x25 мм и именно его принять в качестве базового при оценке гидравлической работы СМГТ и полноценности существующей расчётной нормативной базы.
Типизация труб из МГК по основным конструктивным признакам

Пропускная способность МГТ определяется как конструктивными особенностями сооружения, так и условиями её гидравлической работы: формой и размерами поперечного сечения, уклоном и длиной трубы, конструкцией входного оголовка, размерами и видом гофра, наличием и размерами гладкого лотка, укладываемого по дну трубы, режимом гидравлической работы (рис. 2.15).
Типизация труб из МГК по основным конструктивным признакам

Алгоритм проектирования сооружений из МГК и технико-экономическое обоснование принятой конструкции МГК основываются на техническом проекте, учитывающем предполагаемую нагрузку, гидрологические условия и требуемые габариты. Можно выделить несколько этапов проектирования:
- выбор варианта конструктивной схемы сооружения и размеров трубы в зависимости от проектируемой функции объекта;
- проектирование проектной линии сооружения;
- уточнение формы и внутренних размеров сооружения из МГК;
- выбор антикоррозийной защиты трубы в зависимости от агрессивности окружающей среды и проектируемой прочности объекта;
- выбор толщины листа трубы;
- расчет общей длины объекта;
- предварительное определение несущей способности;
- определение ориентировочной массы и стоимости сооружения из МГК.
Для сооружений из МГК проводят гидравлические и прочностные расчёты. Особенностям гидравлических расчётов труб из МГК посвящена глава 3, а прочностные расчёты сооружений из МГК и методы конструирования совместной системы «труба - грунтовая обойма» условно МГТ можно разделить на три группы: 1) малые водопропускные трубы диаметром до 3-х м при сейсмичности до 8 баллов; 2) средние водопропускные трубы и арки диаметром (пролётом) 3... 6 м при сейсмичности до 7 баллов; 3) водопропускные сооружения с эффективным диаметром 6...10 м. Понятие «эффективный (либо эквивалентный или расчетный) диаметр» вводится потому, что поперечное сечение трубы может отличаться от окружности (эллиптическое, полицентрическое) и площадь его сечения приводится к площади круга, диаметр которого и назван эквивалентным.
Работа малых труб достаточно изучена и понятна. Для них разработано множество решений: с использованием упрощённых формул, в том числе и типовых проектов; нелинейный анализ с использованием современных программных комплексов. Часто подход к расчётам таких труб и грунтовых обойм, их проектированию и строительству упрощённый, что не всегда оправданно и корректно, особенно в условиях сейсмичности. Кроме того, существует ряд более сложных методик расчёта МГТ: динамический с научным обоснованием в сложных случаях (сейсмичность 9 баллов, оползнеопасные склоны, неустойчивые насыпи и т.п.); специальные (теплотехнические, расчеты осадок и др.); натурные и модельные испытания сооружений из МГК и пр.
Представляется, что МГК с пролетами более 6 м и при высоте насыпи более 10 м должны рассчитываться индивидуально в зависимости от местных условий, так как это уже мостовая арочная конструкция как замкнутая, так и незамкнутая, работа которой зависит от правильно запроектированного фундамента, расчет которого всегда выполняется индивидуально.
Для средних водопропускных труб, опыт строительства которых на территории России не велик (примерно последние 10...15 лет), нормативами ужесточены требования как к методам расчета, так и к методам проектирования и введены требования к конструкции армогрунтовой обоймы. Рекомендациями разрешено применение труб диаметрами от 4...5 м в условиях наледеобразования и карчехода. Для круглых труб диаметром до 8 м, имеются типовые решения. Ho в связи с наличием других более эффективных очертаний область применения типовых решений ограничена.
Ранее отмечалось, что характерной особенностью водопропускных труб из металлических гофрированных структур, представляющих собой гибкую конструкцию, является их совместная работа с окружающим грунтом. Вертикальная нагрузка, воспринимаемая металлической конструкцией, через боковые поверхности передаётся окружающему сооружение грунту. Если оно не выдержит этого силового воздействия, то вся конструкция получит недопустимые деформации, потеряет устойчивость и разрушится. Поэтому, помимо гидравлического расчёта конструкции МГТ, выполняется и её прочностной расчёт совместно с грунтовой обоймой. Для обеспечения совместной работы водопропускного сооружения с окружающим грунтом насыпи трубчатое сооружение из МГК должно проектироваться одновременно с грунтовой засыпкой.
Расчёт МГК с целью обеспечения прочности и устойчивости конструкции должен выполняться для периода строительства и периода эксплуатации по следующим параметрам:
- расчёт конструкции по предельному статическому равновесию;
- проверка общей устойчивости поперечного сечения;
- расчёт стыковых соединений;
- ограничение гибкости трубы по требованию транспортировки и установки;
- расчёт осадки трубы.
Основные принципы и последовательность расчётов МГК и грунтовой обоймы подробно рассмотрены в специальной литературе.
Предварительный подбор варианта и технических параметров водопропускного сооружения из МГК можно выполнить по рекомендациям специалистов ЗАО ДЗМК METAKO либо ЗАО «Гофросталь». Исходная информация должна содержать сведения о расчётных расходах и уровнях водотока, требуемых габаритах для пропуска транспорта, высоте засыпки над сооружением, величине и характере подвижной нагрузки (автомобильной или железнодорожной), грунтовых условиях площадки строительства. Конструктивная схема сооружения из МГК и его внутренние размеры в зависимости от расхода воды или по заданным габаритам, с учётом продольного и поперечного профилей, можно выбрать с помощью таблиц. Затем в соответствии с назначением уточняется форма сечения будущего сооружения из МГК. Предварительно толщина гофролиста может быть определена в зависимости от величины засыпки, характера подвижной нагрузки и габаритов сооружения по графикам несущей способности, приведённым в каталогах выпускаемых соответствующим заводом МГК.
Для крупных водопропускных транспортных сооружений с эквивалентным диаметром более 6 м методика проектирования скорее всего относится к малым мостам. Из-за многообразия климатических, техногенных и других факторов при проектировании таких сооружений целесообразен только индивидуальный подход. Поэтому обязателен целый комплекс (например, программный комплекс СКАД) специальных расчетов на стадии проектирования, монтажа, поэтапного возведения засыпки и стадии эксплуатации (рис. 2.16).
Статический расчет методом конечных элементов производится в соответствии с требованиями, а для сооружений с пролетом более 3 м требуется нелинейный анализ совместной работы структуры из МГК и грунтовой обоймы. При этом оценивается также напряжённо-деформированное состояние армогрунтовой обоймы (рис. 2.17).
Типизация труб из МГК по основным конструктивным признакам