Требования к материалу труб из металлических гофрированных конструкций

25.05.2016

Гофролисты для МГТ

Конструкция гофрированной трубы (МГТ, трубы из СМГК или МГК) состоит из отдельных элементов - гофрированных листов (гофролист) размером от 0,9 до 2,6 м, изогнутых по заданному радиусу поперечного сечения в заводских условиях (рис. 2.19) и образующих между собой при соединении продольные (вдоль оси трубы) и поперечные (кольцевые) стыки. Параметры гофролиста принимаются в зависимости от характера пересекаемого препятствия.
Толщина гофрированных листов составляет в зависимости от ширины пролёта и высоты насыпи над водопропускным сооружением от 2 до 8 мм. МГК, выпускаемые в заводских условиях, должны соответствовать требованиям ОДМ 218.2.001-2009 «Рекомендации по проектированию и строительству водопропускных сооружений из МГС на автомобильных дорогах общего пользования с учётом региональных условий (дорожно-климатических зон)», качество гарантируется стандартом СТО 33027391-2009 «Изделия строительные металлические из гофрированных листов для конструкций инженерных сооружений».
Требования к материалу труб из металлических гофрированных конструкций

В отечественно и зарубежной практике существует несколько типов нормального гофра с размерами волны (длиной и высотой) (рис. 2.20): от 68x13 мм и до 400x150 мм. Меньшие значения принимаются для труб небольшого диаметра и относительно невысоких насыпей, большие - для труб значительных диаметров и арочных конструкций и насыпей высотой до 20...25 м.
Один из наиболее современных заводов РФ расположен в г. Пушкине под Санкт-Петербургом, где изготавливают гофр из листа толщиной от 3 до 8 мм с волной 164 на 57 мм. Одним из лидеров в области производства инновационных металлоконструкций на территории РФ и стран СНГ является промышленный холдинг «Опытный завод Гидромонтаж» в пос. Селятино (Наро-Фоминский район Московская область). Входящее в его состав подразделение ЗАО «Гофросталь» выпускает гофр с толщиной стенки от 2,5 до 7 мм, с размером гофра 152,4 на 50,8 мм и 34 мм, 200 на 55 мм, супергофра 381 на 140 мм и трапецеидального гофра.
Требования к материалу труб из металлических гофрированных конструкций

Ранее завод в г. Алексине выпускал трубы из гофра размером 130x32,5 мм и толщиной до 3 мм, который не допускался к применению на главных путях железных дорог. Поэтому с 2005 г. там было освоено производство МГК повышенной прочности с гофром 150х50 мм и толщиной стенки от 3 до 7 мм. Это позволило проектировать конструкции круглого сечения диаметром до 8 м и арочного сечения пролетом до 10 м. В первом полугодии 2014 года начато серийное производство МГК с гофром 381x142 мм и 381x140 мм. Толщина стенки металла 5...8 мм, размеры пролетов до 25 м, что позволяет сооружениям из МГК конкурировать с пролетными железобетонными мостами. На рынке представлены также шведско-норвежско-финский гофр концерна ViaCon 150x50 мм, канадский - фирмы Armtec - 200x100 мм, и 400х 200 мм. Для труб с отверстием до 3 м в России обычно применяют листы толщиной 2,5 мм с размерами гофра 152,4x50,8 мм и 200x55 мм (табл. 2.2 и рис. 2.21а).
Требования к материалу труб из металлических гофрированных конструкций

В некоторых производственных объединениях оцинкованные МГТ большого сечения некорректно называют «кульвертами» и изготавливают с разной длиной волны гофра (см. рис. 2.21) и толщиной листа от 3 до 7 мм. Необходимые толщины стенок МГТ при проектировании назначаются из условия обеспечения надежности конструкций при действующих нагрузках (давление грунта насыпи, собственный вес, различные временные нагрузки, сейсмичность района строительства и др.). Методика прочностного расчета металлических гофрированных труб имеет программное обеспечение.
МГК SuperCor, объединяя преимущества легковесной МГК с прочностью и долговечностью оцинкованной стали, представляет собой самую прочную, наиболее универсальную и экономичную гофрированную конструкцию, удовлетворяя в то же самое время современные требования в области охраны окружающей среды. Более крупные МГК из SuperCor обеспечивают девятикратную жесткость (запас прочности) по сравнению с обычным конструкционным листовым материалом (рис. 2.22).
Требования к материалу труб из металлических гофрированных конструкций

Для установки SuperCor требуется намного меньше болтов, чем для обычного МГК, они могут собираться рядом с монтажной площадкой и затем устанавливаться на место с использованием относительно легкого оборудования. Это позволяет уменьшить время закрытия дорог, снизить затраты и, если позднее возникает необходимость в расширении дороги, то возможно легко удлинить МГК с помощью дополнительных панелей.
Анализ сооружений, построенных из МГК как в РФ, так и за рубежом, показывает, что из всех типов гофра наиболее распространён гофр 152,4x50,8 мм с толщиной стенки до 7 мм, применяемый при возведении искусственных сооружений диаметром (пролётом) от 1 м до 7 м всех типов сечений. Гофр 152,4x34,0 мм толщиной 2,5...3 мм относится к облегчённому типу и оптимален при диаметрах труб от 0,8 м до 3,0 м. Гофр 200,0x55,0 мм является усовершенствованным типом и легче на 10...15% по сравнению с гофром 152,4x50,8 мм при сопоставимой стоимости и характеристикам. Такой гофр оптимален при строительстве МГТ диаметром от 3 м до 10 м с толщиной стенки до 7 мм для всех типов сечений. Для труб, строящихся на автодорогах I...III класса, минимальную толщину листа следует принимать 2,5 мм, а для труб, применяемых в районах с расчетной минимальной температурой воздуха ниже минус 40°С и с вечной мерзлотой, - 2,75 мм. Обычно такие трубы бывают спроектированы при высотах насыпи до 13 м, реже 20 м. За рубежом гофрированные трубы выпускают с минимальной толщиной стенки 4,3 мм, что позволяет использовать их при высоте насыпи до 20 м.
Требования к материалу труб из металлических гофрированных конструкций

Материалом для труб, предназначенных для обычных природно-климатических условий, служит медистая сталь марки 15 СП, а для труб в северном исполнении при температуре воздуха ниже минус 40° - низколегированная сталь марки 09Г2Д с болтами, гайками и шайбами из сталей марок 35Х и 38ХА. Допускается также применение болтов, гаек и шайб из сталей марок 20, 30 или 35, а шайб, кроме того, из стали марки СтЗ. Крайние элементы окаймляются уголком 45x45x4 мм. Основным типом соединения стандартных элементов между собой для труб с отверстием 1,5 м и более является стык внахлестку на болтах (рис. 2.23). Для труб диаметром 1...1,5 м на автомобильных дорогах рекомендуется на продольных стыках применять конструкции, обеспечивающие возможность постановки болтов на наружной поверхности трубы (например, фланцевые стыки).
Требования к материалу труб из металлических гофрированных конструкций

За рубежом используются трубы с несколько другими параметрами кольцевого гофра (рис. 2.24), а кроме стыков внахлестку, используют фланцевые соединения листов, соединения встык, в паз и др.
Требования к материалу труб из металлических гофрированных конструкций

Отклонения фактических размеров изготовленных элементов конструкций от проектных для труб диаметром до 3,0 м не должны превышать значений, указанных в табл. 2.3.
Требования к материалу труб из металлических гофрированных конструкций

Общая длина МГС определяется по формуле
L = N*h

где L - длина структуры; h - полезная ширина одного стального листа; N - количество листов.
Конструкция труб с круглым отверстием должна обеспечивать возможность их укрупненной сборки, транспортировки и последующего объединения отдельных блоков и секций на стройплощадке (рис. 2.25 и 2.26).
Требования к материалу труб из металлических гофрированных конструкций

Для сборки многолистовых гофрированных секций используют гальванизированные болты диаметром 16...20 мм, изготовленные из стали, подверженной специальной температурной обработке. Длина болтов зависит от толщины гальванизированных листов. Номинальные размеры круглых отверстий в продольных стыках должны быть на 3 мм, а в поперечных стыках - на 5 мм больше номинального диаметра болтов.
Требования к материалу труб из металлических гофрированных конструкций

Соединение элементов в продольном и поперечном направлении осуществляют внахлестку, причем установку болтов осуществляют изнутри свода трубы, а закрепление гайками - снаружи. В лотковой части трубы крепление выполняют в обратной последовательности.
При проектировании стыков металлических гофрированных труб принимают во внимание, что вследствие низкой продольной жесткости гофрированной конструкции соединения элементов в поперечных швах не испытывают существенных усилий, а поэтому могут быть назначены конструктивно (рис. 2.27). Продольные стыки, воспринимающие значительные усилия от поперечных нагрузок, должны обеспечивать равнопрочные с основной конструкцией соединения, для чего их необходимо рассчитывать на совместное действие осевой сжимающей силы и изгибающего момента.
Требования к материалу труб из металлических гофрированных конструкций

Расчет болтовых соединений продольных стыков листов внахлестку выполняют в предположении равномерного распределения сжимающего усилия между всеми болтами поровну и без учета трения по контактным поверхностям соединения. Как правило, волнистые листы соединяют внахлестку с постановкой болтов одного диаметра -16 мм. Продольный стык состоит из двух рядов болтов, расположенных на гребнях и впадинах волн (рис. 2.28).
Требования к материалу труб из металлических гофрированных конструкций

Подробная инструкция по сборке конструкции (рис. 2.29) и схеме расстановки болтов обычно прилагается к поставляемому фирмой-производителем комплекту элементов труб (рис. 2.30). Поперечные стыки следует назначать конструктивно с однорядным расположением болтов и постоянным расстоянием (шагом) между отверстиями под болты.
Продольные стыки смежных звеньев следует располагать со взаимной сдвижкой на 1...4 шага, принятой для болтов поперечных стыков. Сдвижка должна быть постоянной для каждой отдельной трубы (рис. 2.30). Длина болтов должна назначаться исходя из количества и толщины соединяемых гофрированных листов, но быть не менее 35 мм.
Требования к материалу труб из металлических гофрированных конструкций

Помимо преимуществ МГТ имеют и недостатки:
- подверженность коррозии;
- абразивное разрушение;
- повышенные гидравлические сопротивления.
Для защиты МГТ от коррозионного разрушения на поверхность гофра наносятся разнообразные защитные покрытия (грунт, краска, горячая оцинковка толщиной более 80 мкм; горячая оцинковка и эпоксидная покраска с толщиной слоя более 200 мкм; горячая оцинковка и износостойкая покраска плотно-пористой краской при толщине слоя более 400 мкм, алюминиевое, полимерное, битумное и др. виды покрытий, асбест, смола и пр.), которые обеспечивают надежную защиту на срок до 100 лет. Именно такой срок указывается в рекламе разных видов полимерного покрытия. Однако это возможно только при условии защиты полимерного покрытия от абразивного разрушения водным потоком. Иначе защитное покрытие вместе с МГТ достаточно быстро разрушается взвешенными частицами песка, транспортируемого водным потоком. В некоторых случаях на поверхность гофротрубы после строительства слоем 120...150 мм наносится мастика «Гермокрон», что увеличивает срок её эксплуатации до 50 лет.
Отечественный и зарубежный опыт строительства показал, что простым и эффективным способом защиты от абразивного разрушения водным потоком гофрированной трубы является укладка по её дну гладкого бетонного или асфальтобетонного лотка. Допустимо также использование крупного камня или габионных структур. По данным исследований, выполненных в США, устройство гладкого лотка по дну увеличивает срок безаварийной эксплуатации МГТ на 25 лет.
Количество слоев мастики, наносимой на поверхность, определяется степенью агрессивности окружающей среды. При небольшой и средней агрессивности среды внутри трубы можно ограничиться устройством лотка из цементобетона или асфальтобетона, а по наружной поверхности устроить грунтовочный слой и один слой мастики, например, битумно-резиновой (МБР) по ГОСТ 15836-70 или битумоминеральной (битуминоль) марок Н-1 и Н-2, состоящих из битума, наполнителя и пластификатора и т.д. В случае повышенной агрессивности с внутренней стороны трубы устраивают асфальтобетонный лоток и наносят по металлу один слой грунтовки и мастики, а по наружной -грунтовку и два слоя (по 2 мм) мастики. Условия применения дополнительных защитных покрытий в зависимости от степени коррозионной активности грунта и воды и расчетных температур воздуха приведены в табл. 2.4.
Требования к материалу труб из металлических гофрированных конструкций

Применение металлических труб на автомагистралях в сильноагрессивных средах не разрешается, а в средах среднеагрессивных допускается по специальному проекту, согласованному с заказчиком. При слабой агрессивности среды на автомобильных дорогах следует наносить дополнительные защитные покрытия на наружную и внутреннюю поверхность элементов труб резинобитумной мастикой «Bitumast», МБР-Х-90 или другой марки (табл. 2.5) с характеристиками, указанными в табл. 2.8. Для труб северного исполнения применяют в основном эмали. В районах вечной мерзлоты необходимы дополнительные защитные покрытия на основе полиуретановых материалов.
Требования к материалу труб из металлических гофрированных конструкций

Дополнительное антикоррозионное покрытие обязательно делают на концах трубы на 1 м вглубь насыпи в её нижней части выше среднего уровня воды на 0,5 м (рис. 2.31).
Наличие антикоррозионного защитного покрытия и его состояние в значительной мере влияют на срок безаварийной работы СМГК.
Требования к материалу труб из металлических гофрированных конструкций

Зарубежный опыт строительства и эксплуатации МГТ и расчеты показывают следующие сроки их службы:
- оцинкованные МГТ - средний срок службы 50 лет, если 6,0 < pH < 10,0, сопротивление < 10 000 Ом-см;
- МГТ с алюминиевым покрытием - минимальный срок службы 75 лет, если 5,0 < pH < 9,0, сопротивление ≥ 1500 Ом см;
- МГТ с полимерным покрытием - минимальный срок службы 100 лет, если 5,0 < pH < 9,0, сопротивление ≥ 1500 Ом см; минимальный срок службы 75 лет, если 4,0 < pH 750 Ом-см; минимальный срок службы 50 лет, если 3,0 < pH < 12,0 сопротивление ≥ 250 Ом-см.
Спиральновитые металлические гофрированные трубы

Основное отличие спиральновитых металлических гофрированных труб (далее СМГТ, СГМТ или ГСМТ) (рис. 2.32 и табл. 2.6) от МГТ заключается в наличие острого угла спиральности (helix angle). Величина этого угла в определенных диапазонах может влиять на гидравлическое сопротивление и как следствие на условия движения водного потока в СМГТ и её гидравлическую работу. Оптимальный угол спирали зависит от диаметра трубы. Чем больший диаметр трубы, тем меньший угол спирали она имеет, поэтому коэффициенты шероховатости СМГТ большого диаметра и труб с кольцевой формой гофров такой же формы и размеров практически одинаковые.
СМГТ не имеет швов и болтовых соединений, которые увеличивают гидравлические сопротивления, что положительно сказывается на её гидравлической работе и долговечности. По зарубежным данным, наличие спиральности приводит к подавлению турбулентности и снижению гидравлических сопротивлений, испытываемых водным потоком.
Требования к материалу труб из металлических гофрированных конструкций

Применение СМГТ на автомагистралях в настоящее время осуществляется по разработанному проектным институтом ОАО «Трансмост» типовому проекту серии 3.501.3-187.10 «Трубы водопропускные круглые отв. 0,5...2,5 м спиральновитые из гофрированного металла с гофром 68x13 и 125x25 мм» (рис. 2.33). Однако предлагаемые в проекте конструктивные решения не обосновываются гидравлическим расчетом СМГТ, что является грубым и недопустимым нарушением существующих нормативных рекомендаций, согласно которым любой проект МГТ должен обязательно содержать раздел, в котором выполняются гидравлические расчеты, обосновывающие её размеры, конструктивные решения, условия гидравлической работы, глубины, скорости, пропускную способность. Тот факт, что такие расчеты СМГТ в проекте не выполнялись, обусловлено тем, что в России ещё не проводились гидравлические исследования таких водопропускных труб и поэтому отсутствует методика их гидравлического расчета. В главе 3 монографии приведены результаты первых гидравлических исследований СМГТ в РФ, которые проводятся в лаборатории кафедры гидравлики МАДИ. Тем не менее в России использование СМГТ в качестве дорожных водопропускных многими компаниями по этому проекту осуществляется (ДорГеоТех, МГТ Проект, Туборус, ВиаКон и др.) (рис. 2.34).
Классификация спиральновитых МГК в зависимости от формы гофра, размеров и антикоррозийного покрытия, используемых в разных организациях РФ, приведена в табл. 2.6.
Требования к материалу труб из металлических гофрированных конструкций

Наиболее широкое применение из спиральновитых МГК в РФ нашли гофротрубы SPIREL (стандарт разработан ООО Туборус) из стали S250GD (табл. 2.7) и ГСМТ из аналогичной оцинкованной стали (стандарт разработан ООО ДорГеоТех), имеющие круглое сечение.
Требования к материалу труб из металлических гофрированных конструкций

Особенностью технологии спиральновитых трубы (рис. 2.35) является создание ГСМТ заданного диаметра путем непрерывной формовки (гофрирования) листовой стали с антикоррозионной защитой и её спиральной навивки. Соединение листовой стали во время изготовления выполняется двойным запрессовыванием соединяемого стального листа (рис. 2.36). Таким образом, в процессе формовки на окружности трубы создается фальц (рис. 2.37), который дополнительно придает трубе жёсткость и объединяет её корпус в единое целое.
Требования к материалу труб из металлических гофрированных конструкций

Для защиты металлической трубы из МГК от истирания взвешенными в водном потоке песчаными частицами нормативные рекомендации предписывают по дну трубы устраивать гладкий бетонный лоток. Однако в настоящее время используются технологии обработки спиральновитых металлических гофрированных труб, позволяющие избежать устройства бетонного лотка. Технология заключается в нанесении полимерных оболочек, которые обволакивают внутреннее пространство трубы и препятствуют истиранию и появлению коррозии. В этой связи спиральновитые трубы, выпускаемые по стандарту соответствующих организаций, например, СТО 37840315-001-2013 ДорГеоТех, делают ГСМТ из предварительно оцинкованной рулонной стали двух видов: с покрытием цинком от 80 мкм (например, DX51D с покрытием Z600) (рис. 2.38а) или цинк + полимер HDPE (например, стали DX51D Z600 с дополнительным покрытием полиэтиленом низкого давления «TrenchCoat» толщиной не менее 250 мкм) (рис. 2.38б).
Требования к материалу труб из металлических гофрированных конструкций

В трубах возможно применение и других марок стали, если химические и механические свойства её в соответствии с местными условиями оговорены при заказе труб. В этом конструктивном решении противокоррозионое покрытие труб ГСМТ выполняется из сплава алюминия и цинка. Антикоррозионный слой цинка может быть дополнительно усилен обмазкой трубы полимерными составами. Ламинирование оцинкованного металла слоем полиэтилена высокой плотности HDPE 250 мкм типа TrenchCoat - ТС2 является новым методом противокоррозионной защиты СМГТ. Покрытие ТС2 наносится на горячий цинк в процессе производства металла (сырья) по всей поверхности листа и происходит спаивание цинкового слоя с дополнительным защитным слоем HDPE (рис. 2.39). Этот слой может быть использован не только в качестве дополнительного противокоррозионного покрытия, в том числе и от электрокоррозии, но и защитного слоя ГСМТ от механических повреждений грунтом засыпки (в этом случае применение геотекстиля вокруг тела трубы не требуется), а также от абразивного износа твердыми частицами, взвешенными в потоке, т.е. устройство внутренних бетонных лотков в трубе тоже не требуется. Покрытие из стабилизированного полиэтилена, нанесённого заводским способом на листы оцинкованного металла по рекомендации производителей, позволяет увеличить долговечность труб в среднем до 90...100 лет и не использовать битумно-мастичные средства для обмазки цинка. Это позволяет использовать СМГТ для отвода высокоагрессивных сточных вод. Все эти мероприятия могут быть выполнены перед засыпкой трубы.
Требования к материалу труб из металлических гофрированных конструкций

Листовой металл толщиной от 1,5 мм до 3,5 мм поставляется в форме мотков из намотанных листов с заводской антикоррозионной защитой, нанесенной методом погружения (рис. 2.40). Диаметр ГСМТ составляет от 0,5 м до 3,2 м. В зависимости от диаметра водопропускной трубы производится два типа спирального гофрирования: для диаметра D1 от 500 мм до 800 мм - 68x13 мм и 125x25 мм для D2 от 800 мм до 3000 мм (рис. 2.41). Учитывая, что секции СМГТ соединяются на бандажах, то концевые участки секций труб имеют нормальную форму гофра размером 68x13 мм (рис. 2.42). Аналогично и для СМГТ SPIREL (Туборус): с параметрами гофра 190x19x19 мм и 68х 13 мм - для изготовления труб диаметрами от 500 мм до 1100 мм, 125x25 мм - диаметрами от 1200 мм до 3600 мм (рис. 2.43).
Требования к материалу труб из металлических гофрированных конструкций

Проверку профиля волны гофра и геометрических размеров гофрированных труб проводят по ГОСТ 26433.1-89 с помощью штангенциркуля (ГОСТ 166-89), металлической линейки (ГОСТ 427-75), рулетки (ГОСТ 7502-98), обеспечивающих требуемую точность измерений.
Спиральный гофр (helical) за рубежом имеет размеры 68x1З мм, 75x25мм и 125x25мм. Во Франции используют гофр с шагом от 67,7 мм до 200 мм и высотой от 12,7 мм до 60 мм.
Требования к материалу труб из металлических гофрированных конструкций

Длина спиральновитых труб не ограничена, а максимальная длина одной секции составляет 13,5 м (ограничение по длине автотранспортного средства, соответствующее максимальной длине автомобильного дальномера). Допускается изготовление труб большей длины по согласованию с заказчиком. Для сборки отдельных частей труб и достижения заданной проектной длины сооружения используются бандажные (муфтовые) соединения, которые монтируются путём затяжки болтов (рис. 2.44), обеспечивая надежное механическое соединение, водонепроницаемость и устойчивость к воздействию песка. Это позволяет применять такие МГК на слабых подвижных грунтах. Допускается использование крепёжных деталей разных видов (рис. 2.45), тип которых зависит от диаметра и назначения трубы (рис. 2.46).
Требования к материалу труб из металлических гофрированных конструкций
Требования к материалу труб из металлических гофрированных конструкций

Для соединения СМГТ с бетонной трубой при релининге бандажи имеют ряд конструктивных особенностей (рис. 2.47).
Требования к материалу труб из металлических гофрированных конструкций

СМГТ специального назначения и конструкции могут быть оснащены дополнительными элементами в зависимости от проектных решений: технологическими отверстиями, стальными патрубками, решетками, коленами, тройниками, фланцами, задвижками (рис. 2.48) и др. Элементами системы могут быть также смотровые колодцы и стояки.
Для контроля качества комплекта поставляемых СМГТ проводятся приёмо-сдаточные и периодические испытания (рис. 2.49). Повреждённые в ходе изготовления элементы обязательно отбраковываются. При этом дефектами качества считаются:
- отход от прямой центральной линии;
- нарушение формы трубы;
- вмятины и выгибания металла;
- металлическое покрытие поцарапано, сломано или повреждено;
- недостаток жесткости;
- неразрешенные отметки на стальном листе;
- рваные или смещенные по диагонали края.
Требования к материалу труб из металлических гофрированных конструкций