Расчет стальных оболочек комбинированных обделок с наружным монолитным бетоном

3.1. Марки стали для стальных оболочек и колец жесткости следует принимать по табл. 1.

Таблица 1

3.2. Стальные оболочки следует рассчитывать на действие внутреннего давления воды в туннеле, наружного давления подземных вод, раствора (при цементации) и свежеуложенного бетона с учетом температурных воздействий, а также на действие собственного веса и нагрузок от механизмов при монтаже оболочки. При расчете стальных оболочек действие горного давления не учитывается.

Коэффициент надежности по нагрузке g _f коэффициент надежности по назначению сооружения g _n и коэффициент условий работы g _c следует принимать согласно требованиям пп. 5.8 и 6.3.

Примечание. Значение коэффициента условий работы g _c приведены для расчета стальных оболочек без учета местных напряжений.

3.3. Расчет на прочность стальных оболочек следует выполнять по формуле

, (4)

при этом необходимо соблюдать условия:

; ,

где s _x, s _z – нормальные напряжения соответственно в поперечном и продольном сечениях оболочки, МПа;

R – расчетное сопротивление, МПа, принимаемое при расчетах на внутреннее давление с учетом отпора грунта равным , а при расчетах на внутреннее давление без учета отпора грунта и на наружное давление – R_y;

R_u, R_y – расчетные сопротивления стали растяжению, сжатию, изгибу, МПа, соответственно по временному сопротивлению и по пределу текучести, принимаемые по СНиП II-23-81;

g _u – коэффициент надежности для элементов конструкций, рассчитываемых на прочность по временному сопротивлению, равный 1, 3.

3.4. Нормальное напряжение s _z, МПа, в продольных сечениях оболочки от внутреннего давления воды следует определять по формулам:

, (5)

где p_wi – расчетное внутреннее давление воды, МПа;

r_m – средний радиус оболочки, см;

t – толщина стенки оболочки, см;

a_r – расчетный радиальный зазор между оболочкой и бетоном, см;

K _{o r} – приведенный коэффициент удельного отпора грунта, Н/см³, определяемый по формуле

; (6)

r_е – наружный радиус бетонной обоймы, см;

E_b – модуль упругости бетона, МПа;

б) при отсутствии отпора грунта или при

(7)

3.5. Расчетный радиальный зазор между оболочкой и бетоном а_r, см, следует определять по формуле

a_r = a_{r 1} + a_{r 2} + a_{r 3}, (8)

где a_{r 1}, a_{r 2}, a_{r 3} – составляющие радиального зазора соответственно от температурных воздействий, усадки бетона и ползучести грунта, см.

Составляющую зазора от температурных воздействий a_{r 1} следует определять по формуле

a_{r 1} = 15, 6× 10^–6 r_m (t_max – t_min), (9)

где t_max – наибольшая температура в туннеле при заполнительной цементации, °С;

t_min – минимальная температура воды или воздуха в туннеле, °С.

Составляющие зазора от усадки бетона a_{r 2} и ползучести грунта a_{r 3}, определяемые по данным исследований, следует учитывать только при расчете на особые сочетания нагрузок.

Для предварительных расчетов допускается принимать

a_r = 3× 10^–4 r_m. (10)

3.6. Нормальное напряжение s _z МПа, в продольных сечениях оболочки от наружного давления следует определять по формуле

, (11)

где р_we – расчетное наружное давление МПа.

3.7. Нормальное напряжение, МПа, в поперечном сечении оболочки следует определять:

от температурных воздействий – по формуле

s_{x 1} = –2, 52 t_d, (12)

где t_d – расчетный перепад температур, °С;

от стеснения поперечной деформации – по формуле

s_{x 2} = 0, 3 s_x, (13)

3.8. Расчетные перепад температур t_d следует определять по формулам:

при повышении температуры

t_d = t_max – t_{b, min}, (14)

при понижении температуры

t_d = t_min – t_{b, max}, (15)

где t_max, t_min – соответственно наибольшая и наименьшая температура воды или воздуха в туннеле, °С;

t_{b, max}, t_{b, min} – соответственно наибольшая и наименьшая температура оболочки в период обетонирования, °С.

3.9. Местные напряжения, возникающие в стальной оболочке у ребер жесткости, а также в местах перелома, образующих под углом не более 10°, допускается не учитывать.

3.10. Расчет на устойчивость стальной оболочки при действии наружного давления р_we, МПа, следует выполнять по формуле

, (16)

где r_cr – критическое наружное давление, МПа;

x – коэффициент, принимаемый по табл. 2.

Таблица 2

При следует принимать

,

где R_уп – нормативный предел текучести стали, МПа.

3.11. Критическое наружное давление при отсутствии колец жесткости и при (где l – расстояние между кольцами, см) следует определить графически по черт. 2. Разрешается также в этом случае выполнять расчет на устойчивость по стандартным программам на ЭВМ.

Черт. 2. График зависимости критического наружного давления r_cr от относительной толщины стенки r_m / t [ R_уп – нормативное сопротивление по пределу текучести стали, МПа (кгс/см²); a_r – расчетный радиальный зазор между стенкой оболочки и бетоном, см; r_m – средний радиус оболочки, см; t – толщина стенки оболочки, см]

3.12. Критическое наружное давление r_cr, МПа, при наличии колец жесткости следует определять по формулам:

при ; (17)

при , (18)

где E_s – модуль упругости стали, МПа,

n_w – число волн, образующихся при смятии оболочки, подбираемое таким образом, чтобы получить минимальное значение r_cr,

,

3.13. Кольца жесткости надлежит проектировать минимального поперечного сечения с целью уменьшения габаритов выломки.

Рекомендуется предусматривать анкеровку колец жесткости в бетоне. В случае невозможности анкеровки расчет кольца жесткости прямоугольного поперечного сечения следует производить по формуле

, (19)

где t_r – толщина кольца жесткости, см;

У_r – расстояние от центра тяжести сечения кольца до наиболее удаленного волокна, см;

c – коэффициент, определяемый по черт. 3 в зависимости от значения величин:

;

,

r_r, A_r, J_r – соответственно радиус центральной оси, см, площадь, см², и момент инерции поперечного сечения кольца с присоединенным пояском длиной l_s = 1, 56 , см⁴;

а_o = 0, 0025 r_m – начальное отступление радиуса кольца от теоретического.

Черт. 3. График зависимости коэффициента c от p_rel при a_rel = const

Приложение 2

Обязательное

Расчет обделок туннелей по предельным состояниям второй группы