1 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет Кафедра «Гидротехническое и энергетическое строительство» М. И. Богданович СТАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ СТЕН КАМЕР СУДОХОДНЫХ ШЛЮЗОВ Методическое пособие по выполнению курсового проекта на тему «Судоходный шлюз» по дисциплинам «Водные пути и порты», «Водные пути и технический флот» для студентов специальности 1-70 04 01 «Водохозяйственное строительство» Минск БНТУ 2013 2 УДК 626.41/.46:378.147.091.313(075.8) ББК 39.471я7 Б73 Р е ц е н з е н т ы : канд. техн. наук Н. Н. Линкевич; канд. техн. наук С. П. Гатилло Богданович, М. И. Статический расчет стен камер судоходных шлюзов : методическое пособие по выполнению курсового проекта на тему «Судоходный шлюз» по дисциплинам «Водные пути и порты», «Водные пути и технический флот» для студентов специальности 1-70 04 01 «Водо- хозяйственное строительство» / М. И. Богданович. – Минск : БНТУ, 2013. – 37 с. ISBN 978-985-550-116-0. В пособии содержатся рекомендации и пояснения по выполнению раз- делов курсового проекта на тему «Судоходный шлюз», посвященных про- ектированию камеры шлюза. Даны рекомендации по установлению класса сооружения, выбору рас- четного случая, сочетания нагрузок. Изложена методика определения об- общенных параметров для оценки наступления предельных состояний и корректирующих коэффициентов. Представлена последовательность вы- полнения оценки наступления предельного состояния по прочности стен камер шлюза. УДК 626.41/.46:378.147.091.313(075.8) ББК 39.471я7 ISBN 978-985-550-116-0 © Белорусский национальный технический университет, 2013 Б73 3 ВВЕДЕНИЕ Студентами специальности 1-70 04 01 «Водохозяйственное строительство» специализаций 1-70 04 01 01 «Гидротехниче- ское строительство» и 1-70 04 01 02 «Водные пути и порты» выполняется курсовой проект на тему «Судоходный шлюз». В двух разделах проекта студенты сначала конструируют ка- меру, а потом выполняют статический расчет. На этапе конструирования студентами может использоваться ранее изданное методическое пособие [1]. Данное методи- ческое пособие призвано облегчить работу студентов над ста- тическим расчетом, в нем представлены нормы проектирова- ния, связанные со статическим расчетом камер судоходных шлюзов и взятые из ТКП, СНиП, различных учебников и учеб- ных пособий (см. список использованных источников). Камеры судоходных шлюзов, как и другие гидротехниче- ские сооружения, рассчитываются по методу предельных со- стояний. Наступление предельного состояния оценивается по соотношению между расчетным обобщенным силовым воз- действием на камеру шлюза и расчетной обобщенной несущей способностью сооружения или основания. При этом обоб- щенные параметры корректируются несколькими коэффици- ентами, значение которых зависят от таких факторов, как назначение сооружений, их класс, группа предельных состоя- ний, возможное отклонение нагрузок в неблагоприятную сто- рону, особенности работы сооружения, его элементов и осно- вания, вид предельного состояния, приближенность расчет- ных схем и т. д. 4 Раздел 1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ СТАТИЧЕСКОГО РАСЧЕТА В рамках статического расчета на основе анализа кон- струкции сооружения, предполагаемой его работы под на- грузкой и с учетом требований [2, 3] необходимо определить виды расчетов, которые требуется выполнить по группам пре- дельных состояний. Это позволяет выбрать обобщенные па- раметры для оценки наступления соответствующего предель- ного состояния, которая выполняется в соответствии с [2] по условию Kн nc Np ≤ mR, (1.1) где Np – расчетное значение обобщенного силового воздей- ствия; R – расчетное значение обобщенной несущей способности; Kн – коэффициент надежности по ответственности соору- жения, учитывающий его класс, недостаточную изученность действительной работы сооружений и оснований и послед- ствия при наступлении предельных состояний; nc – коэффициент сочетания нагрузок; m – коэффициент условий работы сооружений, учитываю- щий особенности работы сооружения, его элементов и ос- нования, вид предельного состояния, приближенность рас- четных схем, перераспределение силовых факторов и де- формаций. Назначение коэффициентов Kн, nc, m, корректирующих обобщенные параметры, требует предварительного установ- ления класса сооружения, выбора расчетного случая и опре- деления состава соответствующих ему нагрузок и рассматри- вается в п. 1.5. 5 1.1. Обобщенные параметры для оценки наступления предельных состояний камер судоходных шлюзов Судоходные шлюзы, как и другие гидротехнические со- оружения, рассчитываются по методу предельных состояний. Расчеты производятся по двум группам предельных состоя- ний [3]. В табл. 1.1 дана их краткая характеристика. Таблица 1.1 Характеристика предельных состояний сооружений Расчетное состояние сооружения Степень нарушения условий эксплуатации Причины возникновения Оцениваемые при расчете факторы 1 2 3 4 Первая группа предельных состояний Полная не- пригодность к эксплуата- ции Хрупкое, усталостное или пластиче- ское разруше- ние материала сооружений или основания, крупные тре- щины и т. д. Общая прочность и устойчивость систе- мы сооружение–осно- вание; общая фильт- рационная прочность оснований; для отдель- ных видов сооруже- ний – всплывание; прочность отдельных элементов сооруже- ний, разрушение кото- рых приводит к пре- кращению эксплуата- ции сооружений; не- равномерность переме- щений различных уча- стков основания, при- водящих к невозмож- ности дальнейшей экс- плуатации сооружения 6 Окончание табл. 1.1 1 2 3 4 Вторая группа предельных состояний Непригод- ность к нор- мальной экс- плуатации Увеличение фильтрации и противодав- ления, раскры- тие трещин, недопустимые деформации и т. п. Местная прочность оснований, ограниче- ние перемещений и деформаций, обра- зование и раскрытие трещин, местная фильтрационная проч- ность отдельных эле- ментов сооружений, не рассматриваемых по первой группе пре- дельных состояний Анализируя работу сооружения и предельные состояния, выбирают параметры, позволяющие оценить факторы, пред- ставленные в табл. 1.1. Например, для камер шлюзов с отдель- но стоящими стенами при работе под нагрузкой возможна по- теря устойчивости в виде сдвига по основанию или опроки- дывания стены, поэтому для оценки наступления предельных состояний сооружения в качестве обобщенных параметров устойчивости используются соответственно суммы сдвигаю- щих Fcд и удерживающих сил Fуд и суммы моментов сил, стре- мящихся опрокинуть Mоп и удержать сооружение Mуд. Для ка- мер шлюзов докового типа вероятность сдвига или опрокиды- вания мала, поэтому в состав факторов, оцениваемых при ста- тическом расчете, устойчивость на сдвиг и опрокидывание не включаются. В плоской задаче для таких камер выполняет- ся проверка на всплывание при основном и особом сочетании нагрузок [4]. При этом параметрами для оценки устойчивости является сумма сил, отрывающих конструкцию от основания Ft при наивысшем уровне воды за стенами и Fr – сумма сил, удерживающих ее. Для камер шлюзов всех типов выполняется 7 оценка прочности стен и днища. Для этого в качестве расчет- ного обобщенного силового воздействия используются на- пряжения σ, возникающие в стенах и днище, а расчетной обобщенной несущей способности – расчетное сопротивление бетона Rb или бетона и арматуры Rb + Rs (для железобетонных конструкций). Расчеты сооружений небольшой протяженности, непрямо- линейных в плане, переменной высоты, с переменной высотой засыпки, с неоднородным вдоль сооружения основанием или засыпкой или другими переменными параметрами следует производить как для пространственной конструкции (для все- го сооружения или его секции, ограниченной постоянными деформационными швами, с учетом взаимодействия с сосед- ними сооружениями или конструкциями). Если параметры сооружения, основания и засыпки не изменяются на про- тяжении более трех высот сооружения, расчеты допуска- ется производить на единицу его длины [4]. 1.2. Классы сооружений судоходных шлюзов Судоходные шлюзы и их сооружения подразделяются на временные и постоянные [2]. К временным относятся шлю- зы или их сооружения, используемые только в период строи- тельства и ремонта постоянных сооружений. Примером вре- менных шлюзов могут служить шлюзы в гидроузлах, пред- назначенные для пропуска судов и плотов только в период строительства и обеспечивающие преодоление ими перепада уровней при промежуточных отметках верхнего бьефа. Вре- менными сооружениями постоянных судоходных шлюзов мо- гут быть причальные и направляющие сооружения, обеспечи- вающие судоходство через постоянные шлюзы только в пери- од строительства при уровнях ниже постоянных навигацион- ных. К временным сооружениям относятся также перемычки, временные оградительные стенки и дамбы, котлованы и др. 8 Постоянные сооружения судоходных шлюзов подразделя- ются на основные и второстепенные, в зависимости от назна- чения. Сооружения, разрушение или повреждение которых приводит к прекращению судоходства или сокращению про- пускной способности шлюза, относятся к основным. Это голо- вы и камеры, противофильтрационные и дренажные устрой- ства, сооружения системы питания, причальные и направляю- щие сооружения, подпорные стены, подходные каналы, соору- жения, сопрягающие судоходные шлюзы с другими сооруже- ния-ми гидроузла и входящие в состав напорного фронта. Вто- ростепенные гидротехнические сооружения судоходных шлю- зов – это сопрягающие подпорные стены, не входящие в со- став напорного фронта, струенаправляющие и раздельные стенки и дамбы, отдельно стоящие служебно-вспомогатель- ные причалы и другие сооружения, не перечисленные в соста- ве основных гидротехнических сооружений. Как указано в ТКП «Гидротехнические сооружения. Ос- новные положения проектирования» [2], классы гидротехни- ческих сооружений (в том числе и классы сооружений судо- ходных шлюзов) назначаются в зависимости от возможных последствий их разрушения или нарушения требований экс- плуатации. Последствия разрушения сооружений должны оцениваться с учетом:  наличия в нижнем бьефе городов, населенных пунктов, предприятий и объектов народного хозяйства и т. п.;  наибольшей высоты водоподпорных сооружений и вида грунтов оснований;  объемов и назначения водохранилищ;  обеспечения безопасности плавания судов различного назначения;  геологического, топографического строения района воз- ведения и др. 9 Последствия нарушения эксплуатации гидротехнических сооружений судоходных шлюзов следует оценивать также с учетом ущерба, наносимого народному хозяйству наруше- нием работы речного транспорта. Согласно [2, 4, 5] класс основных гидротехнических со- оружений судоходного шлюза следует принимать по более высокому его значению, определяемому по табл. 1.2 и 1.3. Класс второстепенных сооружений и класс сооружений судо- ходных шлюзов определяются по табл. 1.3 в зависимости от последствий нарушения их эксплуатации. Таблица 1.2 Классы сооружений судоходных шлюзов в зависимости от последствий разрушения сооружений Наименование сооружений Виды грунтов основания Классы сооружений I II III IV Высота сооружений Нс, м Сооружения судоходных шлюзов, уча- ствующие в создании напорного фронта Скальные грунты более 100 от 60 до 100 от 25 до 60 менее 25 Песчаные, крупно- обломочные и гли- нистые грунты в твердом и полу- твердом состоянии более 50 от 25 до 50 от 10 до 25 менее 10 Глинистые, водо- насыщенные в плас- тичном состоянии более 25 от 20 до 25 от 10 до 20 менее 10 Примечание. Высота сооружений принимается равной высоте отдельных конструкций судоходного шлюза (голов, секций камер) в наиболее заглубленной их части как разность отметок верха со- оружения (голов или пришлюзовых площадок, исключая парапеты 10 и другие конструкции, расположенные выше) и подошвы сооруже- ний (без учета местных заглублений в основании, таких как зубья). Таблица 1.3 Классы сооружений судоходных шлюзов в зависимости от последствий нарушения их эксплуатации Классификаци- онная группа водного пути Глубина судового хода, м Классы сооружений гарантиро- ванная средненави- гационная основных второсте- пенных Сверхмаги- стральные свыше 2,5 свыше 2,9 II III Магистральные 1,5–2,5 1,7–2,9 III IV Местного зна- чения менее 1,5 менее 1,7 III IV Примечание. Если по гарантированной и средненавигационной глубине судового хода участок водного пути относится к разным классам, то следует относить его к более высокому из этих классов. Класс основных гидротехнических сооружений шлюзов, входящих в состав напорного фронта комплексного гидроуз- ла, устанавливается как для участника, показатели которого соответствуют более высокому классу. При совмещении двух или нескольких отдельных сооруже- ний различного назначения (например, причальных с огради- тельными) классы сооружений следует устанавливать по со- оружению, соответствующему более высокому классу. Временные гидротехнические сооружения шлюзов, как пра- вило, следует относить к IV классу. В случае, если разруше- ние этих сооружений может вызвать последствия катастрофи- ческого характера для строительной площадки, населенных пунктов и предприятий или вызвать значительную задержку 11 возведения основных сооружений объектов I, II классов, при надлежащем обосновании они могут быть отнесены к III классу. 1.3. Расчетные случаи  Основной особенностью статической работы камер судо- ходных шлюзов является то, что действующий на них напор передается при наполнении и опорожнении попеременно: то на одни, то на другие части сооружения [4]. При этом очень быстро, в течение нескольких минут, действующий напор то возрастает от нуля до наибольшего расчетного значения, то снова снижается до нуля. Изменения же уровней воды в об- ратных засыпках шлюзов происходит по сравнению с измене- нием уровней воды в камерах весьма медленно – в течение многих часов и даже суток. Поэтому при проектировании от- дельных частей шлюзов рассматривают два нормальных экс- плуатационных расчетных случая их работы: 1. Эксплуатационный случай I (рис. 1, а). Камера наполнена до наивысшего судоходного уровня, уровень грунтовых вод за стенами находится на наинизшем уровне, имеет место навал Fq судна на стену при минимальной силе давлении грунта E за стеной. 2. Эксплуатационный случай II (рис. 1, б). Камера опорожнена до наинизшего судоходного уровня, уровень грунтовых вод за стенами находится на наивысшем уровне при нормальной работе дренажных устройств и мак- симальной силе давлении грунта E за стеной. Для периода ремонта и возможных аварийных ситуаций рассматриваются следующие случаи: 1. Ремонтный случай (рис. 1, в). Камера осушена, уровень грунтовых вод за стенами нахо- дится на наивысшем уровне. 12 Рис. 1. Расчетные случаи для конструкций камер и голов шлюзов: а – первый эксплуатационный с наполненной камеры; б – второй эксплуа- тационный опорожненной камеры; в – ремонтный осушенной камеры; Fq – сила навала расчетного судна; q – кратковременная нагрузка 2. Аварийно-ремонтные случаи: 1) камера наполнена, обратная засыпка частично удалена (желательно рассмотреть случай удаления засыпки до дна дренажа); 2) камера осушена, уровень грунтовых вод в засыпке на наивысшем уровне. Аварийно-ремонтные случаи не являются определяющими и имеют поверочный характер. В результате расчетов в пер- вом случае устанавливается минимальная отметка верха об- ратной засыпки, а во втором – максимальный уровень грунто- вых вод, при котором возможно производить ремонт, не пре- вышая при этом расчетных значений напряжений в бетоне и арматуре, полученных для других расчетных случаев. Строительный случай, определяется схемой производства работ, этапами возведения шлюза и выполнения обратной за- сыпки. При этом уровень грунтовых вод в засыпке принима- ется в естественных условиях, если дренаж еще не работает. Размер наименьшей допустимой засыпки ко времени возведе- ния сооружения на полную высоту должен устанавливаться а б в 13 в проекте таким образом, чтобы этот случай не был расчетным. Для камер с временной разрезкой днища на период строитель- ства необходимо производить расчет в строительном случае при двух этапах работы камеры: до замоноличивания времен- ного шва по оси камеры и после его замоноличивания. 1.4. Нагрузки, воздействия и их сочетания Нагрузки, воздействия и их сочетания должны определять- ся согласно требованиям действующих нормативных доку- ментов в основном и особом сочетаниях. При расчетах на основные сочетания нагрузок и воздей- ствий следует учитывать постоянные, временные длительные, кратковременные нагрузки. А. Постоянные нагрузки и воздействия: 1) собственный вес сооружения, включая вес постоянного технологического оборудования (затворы, подъемные меха- низмы и пр.), местоположение которого не меняется в процес- се эксплуатации, определяемый по проектным размерам, удель- ному весу материалов сооружения и технической документа- ции на оборудование; 2) вес грунта, постоянно расположенного на сооружении, определяемый по проектным размерам и удельному весу грунтов с учетом их влажности в условиях возведения и экс- плуатации сооружений; 3) боковое давление грунта, возникающее от действия соб- ственного веса грунта, постоянных и длительных временных нагрузок, действующих на поверхности грунта, которое мо- жет быть определено по ТКП 45–3.04–171 [3]; 4) силовое воздействие воды, в том числе фильтрационное, при установившихся расчетных уровнях со стороны лицевой и тыловой граней подпорной стены и стен шлюзов, при нор- мальной работе противофильтрационных и дренажных устройств, определяемое по СНиП 2.02.02–85 [6]; 14 5) предварительное напряжение конструкции или ее анкер- ных устройств, определяемое по СНиП 2.06.08–87 [7]. Б. Временные длительные нагрузки и воздействия: 1) силовое воздействие воды на лицевую грань стены каме- ры шлюза при наивысшем уровне воды основного расчетного случая или уровне наполненной камеры шлюза; 2) температурные воздействия, соответствующие изменениям среднемесячных температур окружающей среды для среднего по температурным условиям года, определяемые для бетонных и железобетонных конструкций по СНиП 2.06.08–87 [7]; 3) дополнительное (реактивное) боковое давление грунта на подпорные стены и стены камер шлюзов, возникающее от действия длительных временных нагрузок, определяемое по ТКП 45-3.04–171 [3]. В. Кратковременные нагрузки и воздействия: 1) нагрузки от транспортных воздействий, строительных и перегрузочных механизмов и складируемых грузов (в зави- симости от эксплуатационных условий данные нагрузки могут быть отнесены к временным длительным), определяемые по СНиП 2.01.07–85 [8]; 2) нагрузки от судов (навал, натяжение швартовых тросов) при расчетных скоростях подхода судов, определяемые по ТКП 45–3.04–170 [9] и ТКП 45–3.04–171 [3]; 3) нагрузки от волн, определяемые в соответствии с ТКП 45–3.04–170 [9] при средней многолетней скорости ветра; 4) ледовые нагрузки, определяемые в соответствии с ТКП 45–3.04–170 [9] для средней многолетней толщины льда; 5) гидродинамические, пульсационные нагрузки воды, определяемые на основании гидравлических лабораторных исследований. При расчетах на особые сочетания нагрузок и воздействий следует учитывать постоянные, временные длительные, крат- ковременные и одну из следующих особых нагрузок и воз- действий: 15  сейсмические воздействия;  силовое воздействие воды, в том числе фильтрационное, при форсированном уровне воды в водоеме (поверочный рас- четный случай), соответствующем уровне нижнего бьефа, в случае нарушения нормальной работы противофильтраци- онных и дренажных устройств – до 50 % полной эффективно- сти (взамен п. 4 категории А);  температурные воздействия, определяемые для года с мак- симальной амплитудой колебаний среднемесячных темпера- тур, а также для года с максимально низкой среднемесячной температурой (взамен п. 2 категории Б);  волновое воздействие, определяемое при максимальной расчетной скорости ветра обеспеченностью 2 % – для соору- жений I и II классов и 4 % – для сооружений III и IV классов (взамен п. 3 категории В);  ледовые нагрузки, определяемые при максимальной мно- голетней толщине или прорыве заторов в зимних попусках воды в нижнем бьефе (взамен п. 4 категории В);  воздействия, вызванные взрывами вблизи проектируемо- го сооружения. В основные и особые сочетания нагрузок и воздействий следует включать только те из кратковременных нагрузок и воздействий, которые могут действовать одновременно. При соответствующем обосновании допускается не учиты- вать кратковременные нагрузки редкой повторяемости в рас- четах по предельным состояниям второй группы. Нагрузки и воздействия должны приниматься в наиболее неблагоприятных, но возможных сочетаниях и соответство- вать рассматриваемому расчетному случаю. Коэффициенты надежности по нагрузкам nн принимают в соответствии с ТКП 45–3.04–169 [2]. В табл. 1.4 представ- лены значения nн, непосредственно приведенные в этом доку- менте и взятые из нормативных документов библиографиче- ских ссылок в [2]. 16 Таблица 1.4 Коэффициенты надежности по нагрузке № п/п Наименование нагрузок и воздействий nн 1 Собственный вес сооружения 1,05 (0,95) 2 Собственный вес обделок 1,2 (0,8) 3 Вертикальное давление веса грунта 1,1 (0,9) 4 Боковое давление грунта 1,2 (0,8) 5 Давление наносов 1,2 6 Гидростатическое и волновое давление, давление фильтрационных вод по подземному контуру, в швах и расчетных сечениях (противодавление) 1,0 7 Вертикальные и горизонтальные нагрузки от подъ- емных, погрузочных и транспортных механизмов, а также от веса людей, складских грузов и обору- дования 1,2 8 Снеговые нагрузки 1,4 9 Ветровые нагрузки 1,2 10 Ледовые нагрузки 1,1 11 Нагрузки от судов 1,2 12 Температурные и влажностные воздействия 1,1 13 Сейсмические воздействия 1,1 Примечание. Указанные в скобках значения коэффициента надежности по нагрузке nн относятся к случаям, когда применение минимального значения коэффициентов приводит к невыгодному загружению сооружения. 1.5. Корректирующие коэффициенты Для оценки наступления предельных состояний  по выра- жению (1.1) значения коэффициентов Kн, nc, m, корректирую- щих параметры Np и R, выбираются с учетом данных, изло- женных в п. 1.2–1.4 по ТКП 45–3.04–169–2009 [2]. 17 Коэффициент надежности по ответственности сооруже- ния Kн, учитывающий его класс, недостаточную изученность действительной работы сооружений и оснований и послед- ствия при наступлении предельных состояний, принимается по табл. 1.5. Таблица 1.5 Коэффициенты надежности по ответственности сооружения Группа предельных состояний Класс сооружений Коэффициент надежности по ответственности сооружения Kн Первая группа I 1,25 II 1,2 III 1,15 IV 1,05 Вторая группа I–IV 1,0 Коэффициент сочетания нагрузок nc принимается в за- висимости от рассматриваемого расчетного случая и сочета- ния нагрузок [4]. Для эксплуатационного расчетного случая при основном сочетании нагрузок nc = 1,0, при особом – nc = 0,9. Для строительного и ремонтного случая nc = 0,95 при обоих сочетаниях нагрузок. Коэффициент условий работы сооружений m, учитыва- ющий особенности работы сооружения, его элементов и осно- вания, вид предельного состояния, приближенность расчет- ных схем, перераспределение силовых факторов и деформа- ций. Значение принимается в соответствии с нормативными документами по видам расчетов. Например, при расчетах на опрокидывание подпорных стен судоходных шлюзов m при- нимается равным единице (табл. 5 СНиП 2.02.02–85 [6]). При расчете прочности бетонных и железобетонных конструкций 18 ГТС m принимается по СНиП 2.06.08–87 [7]. Значения из [7] приведены в табл. 1.6 и 1.7. Таблица 1.6 Коэффициенты условий работы бетонных и железобетонных конструкций Факторы, обусловливающие введение коэффициентов условий работы Коэффициенты условий работы бетона условное обозначение значение Особые сочетания нагру- зок для бетонных кон- струкций mb1 1,1 Многократное повторение нагрузки mb2 см. табл. 1.7 Железобетонные кон- струкции mb3 1,1 Бетонные конструкции: – внецентренно сжатые элементы, не подвержен- ные действию агрессивной среды и не воспринимаю- щие напор воды, рассчи- тываемые без учета со- противления растянутой зоны сечения; mb4 1,2 – другие бетонные эле- менты mb4 0,9 Примечание. При наличии нескольких факторов, действующих одновременно, в расчет вводится произведение соответствующих коэффициентов условий работы. Произведение должно быть не ме- нее 0,45. 19 Таблица 1.7 Коэффициенты условий работы бетонных и железобетонных конструкций при многократном повторении нагрузки mb2 Состояние бетона по влажности Коэффициент асимметрии цикла pb 0–0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 ≥ 0,8 Естественной влажности 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,0 Водонасыщенный 0,45 0,50 0,60 0,70 0,80 0,85 0,95 1,0 Коэффициент асимметрии цикла определяется по формуле pb = σb min / σb max, где σb min и σb max – соответственно наименьшее и наибольшее напряжения в бетоне в пределах цикла изменения нагрузки. 20 Раздел 2. УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ СТАТИЧЕСКОГО РАСЧЕТА КАМЕРЫ ШЛЮЗА Выполнение полного статического расчета камеры в рам- ках курсового проекта по причине его значительного объема не представляется возможным. Поэтому программами дисци- плин «Водные пути и порты», «Водные пути и технический флот» в содержании курсового проекта предусматривается оценка прочности стен камеры докового типа по первой груп- пе предельных состояний с учетом необходимости ее армиро- вания. Расчет должен быть выполнен для ремонтного расчет- ного случая (рис. 1, в) в условиях плоской задачи, считая, что профиль земляной массы и прочие факторы, определяющие нагрузки на стены камеры, являются постоянными и расчет ведется для ее участка длиной ln = 1 м, ограниченного двумя вертикальными плоскостями, перпендикулярными продоль- ной оси камеры. При этом считается, что камера находится под воздействием симметричных относительно той же оси и постоянных по длине камеры нагрузок. Оценка должна быть выполнена по выражению (1.1), в ко- тором в качестве расчетного значения обобщенного силового воздействия необходимо использовать σ3 и σ1 – соответствен- но максимальные главные сжимающие и растягивающие напряжения, а в качестве расчетного значения обобщенной несущей способности Rb и Rbt – расчетное сопротивление бе- тона сжатию и растяжению. Выполнение расчета включает следующие этапы: 1. Определение класса капитальности сооружения и коэф- фициента надежности по ответственности сооружения. 2. Составление расчетной схемы. 3. Определение нагрузок на камерные стены и усилий в них. 4. Определение усилий в расчетных сечениях. 5. Оценка наступления предельного состояния. 21 2.1. Определение класса капитальности сооружения и коэффициента надежности по ответственности сооружения Выполняется по п. 1.2. Высота сооружения Нс определяется как разность отметок верха стены камеры и низа фундамента: Нс = ↓верха – ↓низ фундамента. Вид грунта основания принимается по заданию на курсовое проектирование. С учетом Нс и грунта основания по табл. 1.2 определяется класс сооружения в первом приближении. По табл. 1.3 также определяют класс сооружений, относя камеру шлюза к основным сооружениям. При этом в качестве гаранти- рованной глубины судового хода на водном пути в рамках кур- сового проекта следует принять глубину на порогах шлюза hl, а классификационную группу водного пути в соответствии с принятой ранее при определении превышения верха стены над расчетным уровнем воды верхнего бьефа. Из двух полученных значений в дальнейших расчетах принимается более высокий класс. Коэффициент надежности по ответственности сооруже- ния Kн необходимо принять по табл. 1.5 с учетом класса соору- жения для расчетов по первой группе предельных состояний. 2.2. Составление расчетной схемы В соответствии с принятой в предыдущем разделе курсового проекта конструкцией камеры составляется расчетная схема (рис. 2). На схеме намечаются расчетные сечения, в которых необходимо оценить прочность стены. Первое сечение при- нимается на уровне верха стены, остальные назначаются ниже: на уровнях переломов тыловой грани стены и смены физико- механических свойств грунта обратной засыпки. Если рассто- яния между сечениями оказывается более 10 м, то между ни- ми вводится дополнительное сечение. Сечениям присваива- ются номера i = 0, 1, 2, ..., n. На уровне каждого сечения про- водятся горизонтальные линии, которые делят обратную за- сыпку на слои толщиной Δyi с удельным весом γгрi. 22 Ри с. 2 . С хем а к ра сче ту уси ли й в по пер ечн ых се чен иях ст ен кам еры ш лю за до ков ого ти па Р 4 А В УГ В Е ov 1 Е ov 4 γ гр 1 γ гр 2 γ гр n  Р 2 Р 3 Е ov 5 Е ov 3 Е ov t; E w v1 e o 1 1 1 2 2 p o h2 М 2 N 2 Эп юр а p w h E w hn e w hn Е ov 2 О 2 О 1 b 1 Р 1 b 2 q  0 0 h b ε  E o h1 E o h2 e o 2 E o hn e o n О 0 b 0 Р 0 Р m -1 Р m Δy 1 Δy 2 Δy n О n n b n n p w hn p o hn М n N n Эп юр а N Эп юр а p oh М 0 N 0 p o h0 Эп юр а М М 1 N 1 p o h1 22 23 В точке пересечения сечения n-n с тыловой гранью стены проводится вертикальная линия АВ, являющаяся проекцией условной вертикальной плоскости, используемой при вычис- лении давления грунта и воды на стену. Поперечное сечение стены и площадь между АВ и тыловой гранью делят на про- стые элементы прямоугольной и треугольной формы для определения собственного веса стены и веса грунта засыпки. Далее определяют центры тяжести элементов с указанием векторов сил веса. Схема должна быть выполнена в таком масштабе, чтобы можно было обозначить плечи сил относи- тельно центров тяжести расчетных сечений Оn. 2.3. Определение нагрузок на камерные стены и усилий в них Расчет в курсовом проекте ведется для основного сочета- ния нагрузок. В него входят постоянные, временные длитель- ные и кратковременные нагрузки. В соответствии с принятым ремонтным случаем из нагрузок, представленных в п. 1.4, учитываются следующие: 1) постоянные:  собственный вес сооружения;  боковое давление грунта;  давление фильтрационных вод по подземному контуру сооружения. 2) временные длительные:  дополнительное (реактивное) давление грунта, вызывае- мое перемещением стены в сторону грунта засыпки под воз- действием температурных перепадов окружающей среды; 3) кратковременные:  нагрузки от транспортных воздействий, строительных и перегрузочных механизмов и складируемых грузов на по- верхности засыпки. 24 Расчет нагрузок ведется с учетом коэффициентов надежно- сти по нагрузкам nн, принимаемым для каждой нагрузки по табл. 1.4. Определение кратковременной нагрузки. Нагрузки от транспортных воздействий, строительных и пе- регрузочных механизмов, складируемых грузов на поверхности засыпки стен камер шлюзов определяются путем суммирова- ния нормативных значений из разделов СНиП 2.01.07–85 [8], соответствующим перечисленным нагрузкам. На расчетной схеме стены камеры шлюза (рис. 2) ее принимают равномерно распределенной, расположенной на засыпке правее вертикаль- ной расчетной плоскости АВ. Значение нагрузки q при воз- можности проезда по пришлюзовой площадке автотранспорта, складирования на ней материалов для ремонта, нахождения людей, подъемно-транспортного оборудования принимается в пределах 15–20 кПа [4, 10]. Коэффициент надежности по нагрузкам для кратковременной нагрузки í . qn  принимается по табл. 1.4 ( н. qn = 1,2). Вычисление собственного веса сооружения. Поперечное сечение стены на расчетной схеме разбивается на элементы площадью c.вkS . Вес каждого элемента вычисля- ется по формуле c.в б н. с.вk пkP S l n  , где k = 0, 1, 2, …, m – номера элементов, составляющих попе- речное сечение стены; 3б 24 кН/м  – удельный вес бетона; 25 н. с.вn – коэффициент надежности по нагрузкам для соб- ственного веса сооружения, принимается по табл. 1.4; c.вkS – площадь элемента поперечного сечения стены, м2. Если элементы поперечного сечения стены имеют прямо- угольную форму (например, сечение n-n на рис. 2), то их пло- щадь вычисляется по формуле c.в 11 n nmS y b    . А если элементы треугольные, то по формуле c.в 10,5 ( )m n n nS y b b    . Плечо силы веса прямоугольного элемента стены с номе- ром m – 1 относительно центра тяжести On вычисляется по формуле 1 10,5( )m Оn n ne b b   . Плечо силы веса треугольного элемента стены с номером m относительно центра тяжести On вычисляется по формуле 10,5 0,67( )mОn n n ne b b b    . Вычисление давления грунта Выполняется по ТКП 45–3.04–171 [3]. В соответствии с п. 8.1.5 этого документа основное давление грунта на рас- четную плоскость следует определять при расчетах прочно- сти, деформаций и перемещений гравитационных подпорных стен и стен камер шлюзов, как правило, принимая грунт в до- предельном напряженном состоянии (давление покоя). В кур- 26 совом проекте предусматривается оценка прочности стен ка- меры, поэтому вычисляется давление грунта в состоянии по- коя, как наибольшее из возможных. При горизонтальных слоях грунта и равномерно распреде- ленной нагрузке на поверхности грунта q в соответствии с [3, приложение Л] определяются горизонтальная Eohi и вер- тикальная Eovi составляющие силы давления грунта, действу- ющей над i-м сечением. Горизонтальная составляющая вычисляется как равнодей- ствующая эпюры интенсивности давления ohp в пределах i-го слоя засыпки на жесткую, не смещаемую в горизонтальном направлении плоскость АВ (рис. 2):  1 н.д.г0,5ohi ohi ohi i пE p p y l n   , где н.д.гn – коэффициент надежности по нагрузкам для боко- вого давления грунта, принимается по табл. 1.4. i – номер рассматриваемого сечения стены; ohip – интенсивность давления на жесткую, не смещаемую в горизонтальном направлении вертикальную плоскость АВ на уровне i-го сечения, которая определяется по формуле ohi yi ohp p  , где oh – коэффициент бокового давления грунта в состоянии покоя. 1oh    , где  – коэффициент поперечной деформации грунта. При отсутствии опытных данных принимается равным 0,3 [6]; 27 yip – интенсивность вертикального давления в грунте на уровне i-го сечения, определяемая по формуле гр н. 1 n yi i i q i p y qn      , где грi – объемный вес грунта i-го слоя обратной засыпки, в кН/м3. В слоях грунта, расположенных выше уровня грунто- вых вод (УГВ), считается находящимся в состоянии есте- ственной влажности, а ниже – во взвешенном состоянии; iy – высота i-го слоя грунта; q – интенсивность кратковременной нагрузки на поверхно- сти засыпки; nн. q – коэффициент надежности по нагрузкам для кратко- временной нагрузки, принимается по табл. 1.4. Положение Eohi относительно центра тяжести рассматрива- емого сечения определяется по формуле 1 1 2 . 3 i ohi ohi oi ohi ohi y p pe p p       Вертикальная составляющая давления грунта вычисляется с учетом того, что в ремонтном случае кратковременную на- грузку q располагают правее условной вертикали АВ (рис. 2). Левее линии АВ не учитывают нагрузку q, так как она умень- шает величины изгибающих моментов в расчетных сечениях стены [10, 11]. Тогда вертикальная составляющая давления грунта, действующая в рассматриваемом сечении, равна весу грунта, расположенного над этим сечением. Ее вычисление производится путем суммирования веса всех элементов, выде- ленных в плоскости между тыловой гранью стены и линией АВ, и расположенных над рассматриваемым сечением (рис. 2). 28 Так, например, над сечением 1-1 располагается элемент грун- та с весом Еov1, над сечением 2-2 – элементы с весом Еov1, Еov2, Еov4. Следовательно, вертикальная составляющая давления грунта в сечении 1-1 будет равна Еov1, а в сечении 2–2 – сумме Еov1, Еov2 и Еov4. Вес элемента грунта вычисляется по формуле гр гр н.д.гovk i nkE S l n  , где k = 1, 2, …, t – номера элементов, составляющих попереч- ное сечение грунта между тыловой гранью стены и плоско- стью АВ; γгрi – удельный вес грунта в слое засыпки, где располагает-ся элемент грунта с номером k; грkS – площадь элемента грунта с номером k. Если элементы имеют треугольную форму, то их площадь например применительно к элементу грtS (рис. 2) вычисляется по формуле гр 20,5 tgt nS y   . (2.1) где ε – угол между плоскостью АВ и тыловой гранью стены. Площадь всех прямоугольных элементов, имеющих ту же ширину, что и основание треугольного элемента t и других, расположенных над ним, вычисляется по формуле гр tgi nkS y y    . Плечо силы веса треугольного элемента грунта с номером t относительно центра тяжести On вычисляется по формуле 0,5 0,33 tgtО n ne b y    . (2.2) 29 Плечо силы веса прямоугольных элементов грунта, распо- ложенных над треугольным элементом относительно центра тяжести On, вычисляется по формуле 1 0,5 0,5 tgt Оn n ne b y     . Вычисление дополнительного (реактивного) давления грунта Дополнительное давление ухудшает работу конструкции камер шлюзов в тех расчетных случаях, когда камера опорож- нена [10]. В курсовом проекте в качестве временной длитель- ной нагрузки принимается боковое реактивное давление грун- та, вызванное перемещением стены в сторону грунта засыпки под воздействием сезонного изменения температуры окружа- ющей среды. При расчетах конструкций III и IV, а также предварительных расчетах сооружений I и II класса, действие дополнительного реактивного давления при песчаных грунтах засыпки от изменения расчетной температуры консольных конструкций допускается рассчитывать путем умножения из- гибающего момента от основного давления грунта в состоя- нии покоя на коэффициент kr. Значение коэффициента может быть получено расчетным путем по формуле [4, 10]: стr dk H t   , где β – коэффициент, зависящий от жесткости камеры и типа днища: для стен камер с неразрезным днищем β = 0,002, для стен камер с разрезным днищем β = 0,001; Δtd – расчетный перепад температуры в стене, С. Расчетный перепад температуры в стене вычисляется по зависимости [10] Δtd = 0,8(Тк – 10), 30 где Тк – температура воздуха в камере, принимается как рас-четная наибольшая летняя среднемесячная температура за время наблюдений на ближайшем к проектируемому шлюзу метеорологическом пункте наблюдений по таблице СНиП 2.01.01–82 [12]. Для Республики Беларусь Тк = 17,2–18,8 С [12]. Также необходимо учитывать моменты относительно центра тяжести i-го сечения, вызванные реактивным давлением грунта: н.р.д н.д.г Еr r Eoi nМ k M n  , где EoiM – сумма моментов от вертикальной и горизонталь- ной составляющих основного давления грунта i-го сечения; н.р.дn – коэффициент надежности по нагрузкам от темпе- ратурных воздействий, принимается по табл. 1.4. Вычисление давления воды В ремонтном случае, когда камера шлюза опорожнена, вода воздействует на стены со стороны засыпки, начиная с уровня УГВ и ниже. Гидростатическое давление, как и основное дав- ление грунта, раскладывается на две составляющие: горизон- тальную – Ewhi и вертикальную – Ewvi. Вертикальная составляющая давления воды Ewvi вычисля-ется как вес воды в объеме грунта над расчетным сечением в в н.вwvk k nE S l n  , где γв – удельный вес воды, кН/м3 н.вn – коэффициент надежности по нагрузкам для гидро- статического давления воды, принимаемый по табл. 1.4. вkS – площадь k-го элемента грунта ниже УГВ над i-м се- чением, вычисляем по формуле (2.1). При этом плечо силы веса воды вычисляется по формуле (2.2). 31 Горизонтальная составляющая гидростатического давления воды Ewhi вычисляется как равнодействующая части эпюры whip интенсивности гидростатического давления в пределах i-го слоя обратной засыпки (рис. 2) по формуле  1 н.в0,5 ,whi whi whi i пE p p y l n   где whip – интенсивность давления воды на жесткую, не сме- щаемую в горизонтальном направлении, вертикальную плос- кость АВ на уровне i-го сечения в n i к whi ip y     , где k – номер первого из слоев грунта ряда i = 0, 1, 2, …, n, расположенного под УГВ. Плечо силы Ewhi определяется так же, как и для горизонтальной составляющей давления грунта. 2.4. Определение усилий в расчетных сечениях В качестве расчетного значения обобщенного силового воздействия на стены камеры в курсовом проекте необходимо использовать σ1,3 – максимальные главные соответственно растягивающие и сжимающие напряжения. Для их вычисле- ния в каждом расчетном сечении (рис. 2) необходимо знать сумму вертикальных сил N, действующих на него, а также сумму моментов M вертикальных и горизонтальных сил отно- сительно центра тяжести сечения. Вычисление сумм N и M производится в табличном виде. Растягивающие силы и на- пряжения необходимо принять со знаком плюс, сжимающие – со знаком минус, моменты по часовой стрелке – со знаком минус, против часовой – со знаком плюс. Напряжения σ1i и σ3i в i-м сечении на задней и передней гранях стены камеры шлюза вычисляются по формуле 32    2 21 ,3 1 1 42 2i i xi yi xi yi i         , где σyi и σxi – нормальные напряжения в расчетном сечении. Нормальные напряжения в расчетном сечении для зад- ней грани: 2 6 ;i iyi i i N M b b      2tgxi yi yi ohip p      ,   tgi yi yip    , (выше УГВ);   2tg ,xi yi yi whi ohi whip p p p          tgi yi yi whip p     (ниже УГВ), где pyi – интенсивность вертикального давления грунта над i-м сечением; pohi – интенсивность горизонтальной составляющей давле-ния грунта в i-м сечении; pwhi – интенсивность горизонтальной составляющей давле-ния воды в i-м сечении. Нормальные напряжения в расчетном сечении для пе- редней грани: в ремонтном случае при вертикальной передней грани и от- сутствии в камере воды τi и σxi равны нулю, следовательно главные напряжения σ3i в сечениях равны нормальным σyi: 2 6 .i iyi i i N M b b    33 2.5. Оценка наступления предельного состояния Оценка наступления предельного состояния выполняется по условию прочности для задней наклонной и передней вер- тикальной грани. Исходя из схемы нагрузок на стену, можно предположить, что бетон на задней грани будет работать на условиях растяжения, а на передней – сжатия. Тогда будут со- блюдаться следующие условия, на основе которых делается вывод об устойчивости стены в расчетных сечениях и необхо- димости ее армирования:  для задней грани Kн nc σ1i ≤ mRbt;  для передней грани Kн nc σ3i ≤ mRb, где σ1i и σ3i – максимальные главные соответственно сжима- ющие и растягивающие напряжения на задней и передней гранях стены в расчетных сечениях, МПа; Rb и Rbt – расчетные сопротивления бетона сжатию и рас- тяжению, МПа. Принимается по табл. 3 СНиП 2.06.08–87 для предельных состояний первой группы не ниже, чем для марки бетона В15 [7]. Корректирующие коэффициенты Kн , nc, m принимаются по п. 1.5. В случае невыполнения вышеприведенных неравенств необходимо выполнить одно из следующих действий:  изменить марку бетона, увеличив Rbt и Rb;  изменить толщину стены;  произвести армирование стены. 34 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Богданович, М. И. Конструкции камер судоходных шлю- зов : методическое пособие по выполнению курсового проекта на тему «Судоходный шлюз» по дисциплинам «Водные пути и порты», «Водные пути и технический флот» для студентов специальностей 1-70 04 01 «Водохозяйственное строитель- ство», 1-37 03 02 «Кораблестроение и техническая эксплуата- ция водного транспорта» / М. И. Богданович. – Минск : БНТУ, 2012. – 34 с. 2. Гидротехнические сооружения. Строительные нормы проектирования : ТКП 45–3.04–169–2009 (02250). – Минск : Министерство строительства и архитектуры Республики Бе- ларусь, 2010. – 56 с. 3. Подпорные стены, судоходные шлюзы, рыбопропускные и рыбозащитные сооружения: ТКП 45–3.04–171–2009 (022550). – Минск : Министерство строительства и архитектуры Респуб- лики Беларусь, 2010. – 56 с. 4. Пособие по проектированию судоходных шлюзов к СНиП 2.06.07–87. – М. : Гидропроект, 1988. – 352 с. 5. Габариты подмостовые судоходных пролетов мостов на внутренних водных путях. Нормы и технические требования : ГОСТ 26775–97 / Госстрой России. – М. : ЦИТП Госстроя России, 1998. – 25 с. 6. Основания гидротехнических сооружений СНиП 2.02.02–85 / Госстрой СССР. – М. : ЦИТП Госстроя СССР, 1988. – 45 с. 7. Бетонные и железобетонные конструкции гидротехниче- ских сооружений : СНиП 2.06.08–87 / Госстрой СССР. – М. : ЦИТП Госстроя СССР, 1988. – 30 с. 8. Нагрузки и воздействия : СНиП 2.01.07–85 / Госстрой СССР. – М. : ЦИТП Госстроя СССР, 1988. – 35 с. 9. Гидротехнические сооружения. Правила определения нагрузок и воздействий (волновых, ледовых и от судов) : ТКП 45–3.04–170–2009 (02250). – Минск : Министерство строи- тельства и архитектуры Республики Беларусь, 2010. – 56 с. 35 10. Михайлов, А. В. Внутренние водные пути / А. В. Ми- хайлов / Гидросооружения водных путей, портов и континен- тального шельфа / А. В. Михайлов. – М. : АСВ, 2004. – 448 с. 11. Михайлов, А. В. Внутренние водные пути / А. В. Ми- хайлов. – М. : Стройиздат, 1973. – 328 с. 12. Строительная климатология и геофизика : СНиП 2.01.01–82. 36 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Раздел 1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ СТАТИЧЕСКОГО РАСЧЕТА. . . . . . . . . . . . . . 4 1.1. Обобщенные параметры для оценки наступления предельных состояний камер судоходных шлюзов. . . . . . . . . . . . . 5 1.2. Классы сооружений судоходных шлюзов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.3. Расчетные случаи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.4. Нагрузки, воздействия и их сочетания. . . . 13 1.5. Корректирующие коэффициенты. . . . . . . . 16 Раздел 2. УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ СТАТИЧЕСКОГО РАСЧЕТА КАМЕРЫ ШЛЮЗА. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.1. Определение класса капитальности сооружения и коэффициента надежности по ответственности сооружения. . . . . . . . . 21 2.2. Составление расчетной схемы. . . . . . . . . . . 21 2.3. Определение нагрузок на камерные стены и усилий в них. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.4. Определение усилий в расчетных сечениях. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.5. Оценка наступления предельного состояния. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ. . . . . . . 34