8.11 Аркові переходи

Аркові переходи трубопроводів застосовуються при перетині природних і штучних перешкод незначної протяжності (до 100 м.). Ці переходи споруджують з одної і навіть з двох чи трьох труб за схемою безшарнірної і двошарнірної арки (рис. 8.26).

а, б – однотрубний; в – двохтрубний; г – трьохтрубний

Рисунок 8.26 – Арковий перехід

Поняття «двошарнірна арка» для трубопроводів умовне, оскільки створити досконалий шарнір практично неможливо. Тому під двошарнірною аркою розуміють арку, в опорній частині якої є яка не-будь можливість повороту труб. При цьому згинальні моменти в трубах виникають, проте трохи меншої величини, ніж у безшарнірній арці.

8.11.1 Системи аркових переходів і їх конструктивне

виконання

При перетині трубопроводами перешкод застосовують різні рішення аркових переходів. Це залежить від місцевих умов і рельєфу місцевості, діаметра і числа трубопроводів, величини прогонів, ґрунтових умов, вимог експлуатації, умов монтажу.

Аркові конструкції відрізняються від балкових тим, що на опорах, разом з вертикальними складовими – опорними реакціями, мають місце горизонтальні складові – розпори. Наявність розпору вносить особливості як у конструкцію переходу, так і в його монтаж. За конструкцією прогону арочні переходу поділяють на:

а) однотрубні конструкції без допоміжних пристроїв;

б) переходи зі збільшеною поперечною жорсткістю за допомогою стійок і відтяжок (тросів);

в) переходи, що мають два і більше зв’язаних між собою трубопроводи;

г) переходи з допоміжними конструкціями, що працюють разом з одним або декількома трубопроводами (що збільшують поперечну жорсткість, а також загальну несучу здатність);

д) переходи, у яких трубопроводи не включаються у несучу конструкцію арок;

За видом опор (передаванню навантажень на ґрунт) аркові переходи поділяються на:

а) найпростіші переходи з передаванням розпору на трубопровід і вертикального тиску безпосередньо на ґрунт;

б) переходи з упорами, що сприймають розпір;

в) переходи з масивними опорами;

Переходи можуть бути без містка і із оглядовим мостиком. Їх також розрізняють за ступенем защемлення труб у п’ятах, за окресленням арок і за методом защемлення. В окремих випадках аркові переходи виконують із затяжкою.

8.11.2 Однотрубні арочні переходи без спеціальних опор

Однотрубні аркові переходи не вимагають облаштування опор (рис. 8.27).

Рисунок 8.27 – Найпростіші аркові переходи без спорудження спеціальних опор

В місці переходу трубопровід виходить із землі під кутом, піднімається над перешкодою, потім знову під тим чи іншим кутом до горизонту входить в землю. Тільки при значних прогонах (20-25 м і більше) і не досить щільних ґрунтах може виникнути потреба укладання під трубопровід в місцях обпирання його на ґрунт залізобетонних плит (рис. 8.27, в). Плити укладають так само, як це роблять у прямолінійних балкових переходах.

Можливе спорудження наступних трьох типів аркових переходів:

1) із трьох криволінійних ділянок труб, зігнутих холодним чи іншим способом; між криволінійними ділянками розміщують вставки з прямих труб (рис. 8.27, а);

2) з чотирьох криволінійних ділянок з прямою вставкою посередині прогону. Допускається розміщувати прямі ділянки між кривими і поблизу п’ят (рис. 8.27, б);

3) з труб, зігнутих за даною кривою (по колу, по параболі або іншій кривій), з криволінійними ділянками , зігнутими біля п’ят (рис. 8.27, в) у зворотну сторону.

Найбільший прогін можна перекрити арками останньої конструкції, оскільки в цій схемі при правильному виборі форми арки згинальні моменти в трубах значно менші, ніж у перших двох. Однак навіть при самих несприятливих умовах аркові переходи на вертикальні навантаження працюють не гірше ніж прямолінійні балкові переходи таких самих прогонів.

Проте, на відміну від прямолінійних балкових переходів без компенсації поздовжніх деформацій, прості аркові переходи не можуть так само перешкоджати поздовжнім зміщенням труб в місцях виходу їх з ґрунту.

Стійкість арок у вертикальній площині, як правило, не нижча, ніж у прямолінійних переходів із защемленими кінцями.

У защемленій по кінцях балці критична сила поздовжнього згину буде

, (8.146)

де – модуль пружності матеріалу труби; – момент інерції поперечного перерізу труби; – довжина балки.

Для двошарнірної пологої арки критична сила поздовжнього згину визначається за формулою:

, (8.147)

де ­– довжина дуги піварки (точка перегину буде знаходитися в ключі).

Для безшарнірної піварки точка перегину буде знаходитися в ключі, і кожна на піварка буде працювати як односторонньо защемлений стержень з шарнірною опорою в ключі. Тому довжина дуги у безшарнірній арці, у порівнянні з двошарнірною, повинна бути помножена на 0,7, тобто:

. (8.148)

В однотрубних аркових переходах визначальним, частіше за все, є стійкість арок з площини, тобто робота на стискання і згин від вітрового навантаження криволінійного стержня довжиною .

В площині, перпендикулярній площині арки, остання може бути перевірена як позацентрово стиснений елемент; При

де – ексцентриситет прикладання сили

, (8.149)

де − розрахункове зусилля в арці з врахуванням коефіцієнту перевантаження; – площа перерізу труби; – коефіцієнт поздовжнього згину з площини арки (береться в залежності від вільної довжини ); с – коефіцієнт зниження напружень, що залежить від відносного ексцентриситету прикладання осьової сили арки в її площині і типу перерізу

(8.150)

найбільший відносний ексцентриситет прикладання осьової сили

де – згинальний момент; – момент опору поперечного перерізу трубопроводу.

За розрахункову довжину, враховуючи пружне защемлення п’ят, можна прийняти ( – довжина дуги арки).

Виходячи із стійкості, прогони однотрубних аркових переходів слід назначати приблизно таким ж, як і для прямолінійних балкових безкомпенсаторних переходів з тих самих труб. На газопроводах, при трубах 529-1020 мм, максимальний прогін – 20-40 м.

Прогін аркових переходів, споруджуваних за схемами, наведеними на рис. 8.28 за рахунок збільшення поперечної жорсткості і ретельного підбирання форми арки, може бути збільшений до 30-60 м і більше.

1 – сваї; 2 – відтяжки

Рисунок 8.28 – Збільшення поперечної жорсткості арок шляхом: забивки свай (а) і встановлення відтяжок (б)

Стрілки прогону аркових переходів приймають в межах ¼ - 1/10 величини прогону. При малих прогонах часто приходиться проектувати арки і з більшим підйомом. Зі збільшенням стрілки піднімання арки зменшується величина розпору, але збільшується вплив вітрового навантаження.