Результат интеллектуальной деятельности: Опорный узел для сооружений из металлических гофрированных конструкций

Область применения

Изобретение относится к области строительства, в частности к элементам сопряжения сооружений из металлических гофрированных конструкций (МГК) с фундаментами. Данное техническое решение может быть использовано при возведении арочных грунтозасыпных мостов, тоннелей, скотопрогонов, а также специальных сооружений, таких как снего- или лавинозащитные галереи, и других.

Уровень техники

Сооружения из металлических гофрированных конструкций представляют собой оболочки, собранные из гнутых волнистых металлических оцинкованных листов толщиной 3-7 мм. Как правило, такие структуры засыпаются грунтом и работают совместно с ним. В практике строительства используются как трубы диаметром до 3 м (для пропуска воды), так и замкнутые и незамкнутые сооружения различных очертаний пролетом до 20 и более метров. Данное техническое решение ориентировано на арочные незамкнутые структуры пролетом 3 и более метров.

Для шарнирного соединения гофрированной арки с фундаментом применяются гнутые, сварные или прокатные металлические швеллеры или уголки толщиной, равной толщине гофра, но не менее 5 мм. Швеллер или уголок устанавливается под наклоном, соответствующим наклону нижней кромки опорного гофрированного листа. Данная конструкция крепления арки к фундаментам применяется повсеместно как в России, так и за рубежом. Стандартный узел крепления показан на фиг. 1.

В 2007 году был опубликован патент на полезную модель №60100 [Крепление арки из металлических гофрированных конструкций к фундаменту (варианты) // Заявитель и патентообладатель: Волков А.А., дата публикации патента 10.01.2007, начало действия патента 03.04.2006], который предлагает расширить возможные способы крепления гофрированной арки к фундаментам еще двумя вариантами.

Первый вариант предполагает закрепление к основанию арки опорных кронштейнов, обеспечивающих жесткое крепление арки к фундаменту. Крепление кронштейнов осуществляется болтовыми соединениями и прижимами, обеспечивающими удельное давление, не превышающее критическое для устойчивости гофров (фиг. 2).

Применение данной модели, по словам автора патента, увеличивает в пять раз прочность (устойчивость) сооружений арочного типа из МПС.

Второй вариант крепления гофрированной арки к фундаментам характеризуется тем, что к каждой секции арки жестко закреплены две пары труб с радиусом гофра арки или с накладками. Соединение осуществляется болтами и прижимами, обеспечивающими удельное давление, не превышающее критическое для устойчивости гофров и труб (фиг. 3).

Применение второго варианта позволяет получить такой же эффект, как и применение кронштейнов, а также позволяет вести монтажные работы под защитой установленных секций. Это особенно важно при работах в горах. Одновременно трубы позволяют увеличить высоту арки без увеличения веса МГК или бетона.

Однако, несмотря на все преимущества, все три варианта крепления арки из МГК к фундаментам имеют существенный недостаток - они являются абсолютно жесткими, а значит, ограничивают естественную гибкость конструкции, равномерное перераспределение усилий в оболочке и ее совместную работу с грунтом засыпки. Таким образом, в арке концентрируются внутренние напряжения в наиболее опасных участках и снижается результирующая несущая способность конструкции в целом.

Техническим результатом предлагаемого решения является увеличение несущей способности оболочек из МГК и возможность регулирования внутренних напряжений конструкции.

Достижение технического результата обеспечивается за счет введения податливости в узлах опирания арок из металлических гофрированых конструкций. Упругий узел включает в себя:

- элементы стандартного жесткого узла опирания: опорный швеллер, крепящийся к фундаменту анкерными болтами, непосредственно арка из МГК,

- опорный уголок для создания отпора в горизонтальном направлении, крепящийся анкерными болтами к фундаменту,

- упругие прокладки из силиконовой резины, расположенные между опорным швеллером и опорным уголком,

- 2 слоя фторопласта-4, обеспечивающие скольжение опорного швеллера относительно фундамента,

- ПВХ-ткань, защемленная с одной стороны между опорным швеллером и основанием арки, с другого конца крепящаяся к опорному уголку прижимной планкой на заклепках.

Раскрытие сущности

Заявляемое техническое решение представляет собой опорный узел арки из МГК с включением в него упругих прокладок 12 из силиконовой резины, устраиваемых между опорным швеллером 3, к которому крепится основание арки 5, и опорным уголком 14, который крепится к фундаменту 1 посредством анкерных болтов 2. Для защиты узла от попадания грунта и иных посторонних предметов он закрывается ПВХ-тканью 11, которая с одного края защемляется между опорным швеллером 3 и основанием арки 5, а с другого - крепится к опорному уголку 14 с помощью прижимной планки на заклепках 13. Для обеспечения скольжения опорного швеллера 3 относительно фундамента 1 используется антифрикционный материал типа тетрафторэтилена фторопласт-4 15 толщиной 1 слоя 0,3-0,5 мм (фиг. 4).

Минимальная жесткость резины 1000 т/м², поэтому, чтобы обеспечить жесткость узла 500 и 200 т/м², необходимо проложить упругую прокладку 13 не по всей длине опорного швеллера 17, а с соответствующими промежутками.

С одной стороны упругий опорный узел конструктивно ограничен соответствующим пазом в фундаменте 1 и креплением опорного швеллера 3 с удлиненными вдоль перемещений по горизонтальной оси отверстиями под анкерные болты 2. Первоначально опорный швеллер 3 необходимо плотно закрепить гайками к анкерным болтам 2, после окончательного устройства арки и опорных узлов гайки следует ослабить, чтобы обеспечить беспрепятственное перемещение опорного узла вдоль горизонтальной оси.

С другой стороны узел ограничен опорным уголком 14. Для обеспечения прочности необходима проверка на срез анкерных болтов 2 крепления уголка к фундаменту 1.

Эффективность применения упругих опорных узлов будет различна для каждого конкретного случая в зависимости от пролета сооружения, характеристик грунта и толщины оболочки из МГК. В качестве примера в программном комплексе «Лира» рассчитана арка пролетом 8 метров, шириной 3 метра, с гофролистом 140 толщиной 5 мм при различных вариантах упругости опорных узлов. Модули упругости грунта приняты 18 и 30 МПа. В качестве временной нагрузки рассмотрены нагрузки от автомобильного и железнодорожного транспорта. Результаты расчетов представлены в таблице 1 и фиг. 5.

Как видно из результатов расчета, создание упругих опорных узлов позволило увеличить несущую способность арочной гофрированной оболочки на 33,3-133,3%.

Чтобы рассчитать конструкцию упругого узла необходимо выбрать соответствующее количество упругих прокладок соответствующих размеров с промежутками между ними таким образом, чтобы результирующее горизонтальное перемещение было равным одному из рассчитанных перемещений по оси X из таблицы 1. В качестве примера принята арка под временной нагрузкой от железнодорожного транспорта с модулем упругости опорных узлов 500 т/м и модулем упругости грунта 18 МПа. В этом случае горизонтально перемещение опорного узла получилось равным 28 мм.

Принято семь прокладок из силиконовой резины модулем упругости 1000 т/м², высотой b=0,075 м, толщиной t=0,08 м, длиной 1=0,075 м. Промежутки между прокладками получились равными 0,413 м (6 штук). По данным расчета в программном комплексе «Лира» поперечное усилие Q при максимальной высоте засыпки 5 м и временной нагрузке от железнодорожного транспорта равняется 14 т. Таким образом, по формуле получим

где Δ - изменение толщины прокладки после деформации, м;

Q - горизонтальное усилие в опорном сечении арки, т;

t - толщина прокладки, м;

Е - модуль упругости прокладки, т/м²;

F - площадь прокладки, м².

Порядок возведения оболочки с упругими опорными узлами может выглядеть следующим образом:

1. Устройство фундаментов 1.

2. В соответствующем пазе фундамента 1 устраивается один слой фторопласта-4 15.

3. К фундаментам 1 крепятся опорные швеллеры 3 и опорные уголки 14. Нижняя поверхность опорного швеллера 3 предварительно покрывается одним слоем фторопласта-4 15 для обеспечения беспрепятственного скольжения.

4. В пазы между опорными швеллерами 3 и опорными уголками 14 устанавливаются упругие прокладки 12 из силиконовой резины с соответствующим шагом, не перекрывая отверстия под анкерные болты 2.

5. Монтируется арка, предварительно между аркой и опорным швеллером 3 закрепляется один край ПВХ-ткани 11 соответствующей ширины.

6. Прокладки 12 из силиконовой резины закрываются свободной частью ПВХ-ткани 11, другой ее конец крепится с помощью прижимной планки 13 к опорному уголку 14 на заклепки.

7. Арка засыпается грунтом на требуемую высоту.