С целью увеличения перекрываемых пролетов в последнее время появились новые конструктивные решения балочных систем с консольными опорами и с поддерживающим элементом в виде ферм [21].
Трубопроводный переход с балансирно-пространственными опорами (рис.5.19) содержит трубопровод 1, уложенный на продольно-подвижные скользящие опорные части 2 и стержневую систему 3, представляющую собой две пары равнобедренных треугольников из стержневых элементов, плоскости которых расположены под углом друг к другу, при этом вершины этих треугольников соединены одним верхним поясом 4. Он позволяет увеличить перекрываемый пролет в 3-5 раз и снизить материалоемкость в сравнении с балочными системами, усиленными кожухом или трубой над рабочим трубопроводом [76].
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
НАДЗЕМНЫЕ ТРУБОПРОВОДНЫЕ ПЕРЕХОДЫ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Типы по |
|
|
|
|
|
|
|
|
несущей |
|
С самонесущим рабочим трубопроводом |
|
С вспомогательными поддерживающими |
способности |
|
|
|
|
|
элементами |
Классы по конструктивны м формам
Балочные
Арочные |
|
Провисающие нити |
|
Ввиде трубы |
|
В виде тросовых элементов |
|
В виде консольных опор |
|
В виде ферм |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Группы
классов
Подгруппы по увеличению горизонтальной жесткости и возможности регулирования напряжений
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С компенсаторами |
|
Без компенсаторов |
|
|
Однотрубные |
|
Многотрубные |
|
Усиленные кожухом |
|
Усиленные трубой над рабочим трубопроводом |
|
Висячие переходы |
|
Вантовые переходы |
|
Т – образных |
|
Вантовых |
|
Пространственных |
|
Пространственных |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С возможностью |
|
С увеличением горизонтальной |
регулирования напряжений |
|
жесткости |
|
|
|
Рис.5.18. Классификация надземных трубопроводных переходов по конструктивным признакам
Переход с Т-образными консольными опорами отличается от предыдущего тем, что опоры выполнены в виде рамы 3 из консольных балок, параллельных трубопроводу, соединенных между собой поперечинами 4, на которые укладывается трубопровод 1. С целью усовершенствования этой конструкции и уменьшения ее металлоемкости опоры дополнительно снабжаются вантами 5, полученный таким образом переход носит название балочный переход с вантовыми консольными опорами (рис. 5.19).
Рис.5.19. Балочные трубопроводные переходы с консольными опорами:
a– балансирно-пространственными; б – Т-образными; в – вантовыми; г – однорядная консольная ферма; 1 – трубопровод; 2 – продольно-подвижные опорные части; 3 – стержневая рама; 4 – верхний пояс; 5 – ванта; 6 – консольная ферма
Следующая конструкция трубопроводного перехода (рис.5.20) состоит из концевых опор 2 и 4, содержит поддерживающий элемент в виде фермы 3, которая может иметь прямоугольное поперечное сечение, образованное двумя плоскими фермами, соединенными между собой с помощью поперечных и диагональных связей в единую жесткую конструкцию, либо сечение в виде равнобедренного треугольника, благодаря этому такая конструкция обладает меньшей материалоемкостью. Внутри фермы размещается трубопровод 1. Пояса ферм 5 могут иметь тавровое поперечное сечение, решетка 6 может быть выполнена из равнобоких уголков.
Рис.5.20. Трубопроводный переход с поддерживающим элементом рабочего трубопровода в виде фермы:
а – с фермой прямоугольного сечения; б – с фермой сечением в виде равнобедренного треугольника; 1 – трубопровод; 2,4 – концевые опоры; 3 – ферма; 5 – решетка фермы; 6 – пояса фермы
Наличие фермы позволяет увеличить длину перекрываемого пролета в 2- 3 раза без устройства промежуточных опор при достаточной горизонтальной жесткости. Конструкция трубопроводного перехода может предусматривать наличие эксплуатационного мостика для осмотра и обслуживания трубопровода.
5.2.1. Расчет балочных переходов без компенсации продольных деформаций
При пересечении трубопроводами мелких рек, балок, оврагов и других естественных препятствий используются надземные балочные переходы, которые в конструктивном отношении могут выполняться одноили многопролетными, с компенсирующими устройствами и без установки компенсаторов. Наиболее экономными конструктивными схемами являются одно- и многопролетные (число пролетов не более четырех) надземные балочные переходы без компенсации продольных деформаций, т.е. без установки специальных компенсирующих устройств. Самокомпенсация продольных деформаций от изменения температуры, внутреннего давления; просадок опор и т.д. в таких системах прокладки обеспечивается за счет дополнительных прогибов трубопровода в вертикальной плоскости и сжатия материала труб [10; 92].
481
Рис.5.21. Однопролетный балочный переход без компенсации продольных деформаций:
а – конструкция перехода; б – расчетная схема; 1 – трубопровод; 2 – овраг; 3 – опорная плита
Конструкция и расчетная схема однопролетного балочного перехода без компенсации продольных деформаций изображены на рис. 5.21. Порядок расчета балочного перехода следующий.
1. При известной полной расчетной нагрузке qтр = qм + qпрод + qсн + qлед (см. п.2.1) определяется длина перекрываемого пролета l по формуле:
l = |
12W (R2 −σпр.р) , |
(5.149) |
|
qтр |
|
где σпр.р – расчетные продольные напряжения от действия внутреннего давления, определяемые для защемленного трубопровода по формуле (2.10).
Соответствующая стрела прогиба, вызванная расчетной нагрузкой qтр,
|
fq = |
1 |
|
qтрl4 |
. |
(5.150) |
|
384 |
E I |
|
|
|
|
|
2. Продольное усилие, действующее в трубопроводе
Ν = Ν1 + Ν 2 = 0,3σкцF −αt ΕF∆t , |
(5.151) |
482
где σкц – расчетные кольцевые напряжения от действия внутреннего давления, определяемые по формуле (2.9).
При ∆t≤0 усилие N положительное (растягивающее), при ∆t≥0 оно может быть как положительным, так и отрицательным (сжимающим).
3. Критическая (Эйлерова) сила
|
Ν кр = − |
π 2 |
ЕI |
, |
(5.152) |
|
(ηl)2 |
|
|
|
|
где η·l – свободная длина рассматриваемого перехода; при одном пролете η = 0,6, двух и более пролетах η = 0,7.
4. Коэффициент ξ |
|
ξ=N/Nкр . |
(5.153) |
Возможно как положительное, так и отрицательное значение ξ. |
|
Следует иметь ввиду, что расчет теряет смысл при | N| ≥|Nкр|. |
|
5. Фактическая стрела прогиба |
|
fф = fq/(1-ξ) . |
(5.154) |
При ξ>0, когда усилие N отрицательное (сжимающее), фактическая |
стрела |
прогиба под действием этого усилия увеличивается по отношению, к fq. При ξ<0, когда усилие N положительное (растягивающее), фактическая стрела
прогиба уменьшается по отношению к fq. |
|
6. |
Изгибающий момент в наиболее напряженном опорном сечении от |
действия расчетной нагрузки qтр |
|
|
M1 = qтр·l2/12 . |
(5.155) |
7. |
Изгибающий момент от действия продольной силы |
|
|
М2 = N·fф . |
(5.156) |
8. |
Суммарный изгибающий момент |
|
|
M = M1 + M2 |
(5.157) |
При отрицательном значении усилия N момент M представляет по величине сумму M1 и M2, при положительном значении – разность этих моментов.
9. Продольные напряжения
483
σпр = |
Ν |
± |
M . |
(5.158) |
|
F |
|
W |
|
При N > 0 величину изгибающего момента следует брать по абсолютной величине.
10. Проверка прочности трубопровода в продольном направлении
|
|σпр |≤ψ4 R2 |
, |
|
(5.159) |
где ψ4 - коэффициент, учитывающий |
двухосное напряженное |
состояние |
трубопровода. При N≥0, ψ4 =1, при N < 0 |
|
|
|
|
ψ4 = |
σкц |
σкц |
. |
(5.160) |
1 − 0,75 |
− 0,5 |
R2 |
|
|
R2 |
|
|
В соответствии со СНиП 2.05.06-85* допускается в выражении (5.159) вместо коэффициентаψ4 принимать коэффициент ψ3 , определяемый по
формуле (2.50).
5.2.2. Расчет балочных переходов с компенсаторами
При прокладке трубопроводов различного назначения через естественные и искусственные преграды около 90% препятствий встречаются шириной от 10 до 100 м [76], для их пересечения наиболее рациональными являются балочные трубопроводные переходы.
5.2.2.1. Однопролетный балочный переход
Конструкция и расчетная схема перехода изображены на рис. 5.22. Оптимальной является конструкция, в которой максимальный изгибающий момент в середине пролета Мxmax и момент на опоре Моп равны по абсолютной величине. Это достигается в случае, когда длина консоли а =
0,354l. Тогда максимальный допускаемый пролет lmax из условия прочности определяется по формуле:
lmax = |
16[M ] , |
(5.161) |
|
qтр |
|
где [M] – допустимый изгибающий момент в трубопроводе, равный:
qтр – расчетная нагрузка от веса трубопровода, включающая qм, qпрод, qсн и qлед.
Рис.5.22. Однопролетный двухконсольный балочный переход с компенсаторами:
а – конструкция перехода; б – расчетная схема; 1 – опора; 2 – компенсатор
Допустимые напряжения изгиба [σпр.и] определим, используя условия прочности для надземных трубопроводов, приведенное в СНиП 2.05.06-85* [114]:
|σпр| = |σпр.t + σпр.p ± σпр.и|≤ψ4R2 . |
(5.163) |
Учитывая, что продольные деформации практически свободно реализуются за счет компенсаторов (трением трубопровода на опорах
пренебрегаем), σпр.t = 0 и σпр. = σпр.p ± σпр.и. Продольные напряжения от действия внутреннего давления является растягивающими, следовательно, продольные
усилия в трубопроводе N ≥ 0 и ψ4 = 1,0. Таким образом,
[σпр.и] ≤ R2 - σпр.p , |
(5.164) |
где величина σпр.p рассчитывается по формуле (2.11). Максимальный прогиб в середине пролета
|
f = |
2 |
|
qтрl4 |
. |
(5.165) |
|
384 |
EI |
|
|
|
|
|
Если по условиям эксплуатации задается максимально допустимый прогиб в середине пролета [f], то допускаемую длину пролета определяют как:
lmax = 4 |
384EI[ f ] ; |
(5.166) |
|
2qтр |
|
из двух значений lmax, рассчитанных по формулам (5.161) и (5.166), выбирают наименьшее. Изгибающие моменты Mxmax и Моп рассчитываются по формуле:
|
M x max =| M оп |= |
qтрl2 |
. |
(5.167) |
|
16 |
|
|
|
|
5.2.2.2. Многопролетный балочный переход
Конструкция и расчетная схема перехода изображены на
рис. 5.23.
Рис.5.23. Многопролетный двухконсольный балочный переход с компенсаторами:
а – конструкция перехода; б – расчетная схема; 1 – консоль; 2 – трубопровод; 3 – неподвижная опора; 4 – компенсатор; 5 – продольно-подвижные опоры
Максимальный допустимый пролет между опорами определяется из условия прочности по формуле:
|
l = |
12W[R2 −σпр.р] . |
(5.168) |
|
|
|
|
qтр |
|
|
|
Максимальный прогиб в середине пролета |
|
|
|
f = |
1 |
|
qтрl4 |
|
. |
(5.169) |
|
384 |
EI |
|
|
|
|
|
Максимальный изгибающий момент в пролете и изгибающий момент на опоре рассчитываются, соответственно, по формулам:
M x max = |
qтрl2 |
|
|
|
|
; |
(5.170) |
24 |
|
|
|
|
|
|
M оп = |
qтрl2 |
. |
|
(5.171) |
12 |
|
|
|
|
|
|
|
5.2.2.3. Расчет компенсаторов
Наибольшее распространение в конструкциях балочных переходов получили Г-образные компенсаторы (рис. 5.24). Расчетные продольные напряжения изгиба в компенсаторе, вызванные изменением длины
Рис.5.24. Г-образный компенсатор:
а - конструкция; б – расчетная схема
надземного участка трубопровода, максимальны в точке защемления и определяются по формуле [114]:
σкомп = |
3 |
|
ЕDн∆к |
, |
(5.172) |
2 |
l2 |
|
|
|
к |
|
|
где lк – вылет компенсатора (рабочая длина компенсатора); ∆к – суммарное продольное перемещение трубопровода в месте примыкания его к компенсатору от воздействия температуры и внутреннего давления.
Максимально допускаемые напряжения [σкомп] можно определить из условия прочности:
[σкомп] = R2 – 0,5σкц – |σм| , |
(5.173) |
где σм – дополнительные продольные напряжения от изгиба под действием поперечных и продольных нагрузок (усилий) в расчетном сечении компенсатора, определяемые согласно общим правилам строительной механики.
При расчете компенсаторов на участках трубопроводов, работающих при мало изменяющемся температурном режиме (на линейной части газопроводов, нефтепроводов и нефтепродуктопроводов), допускается согласно СНиП 2.05.06-85* [114] в формуле (5.173) вместо расчетного сопротивления R2 принимать нормативное сопротивление R2н.
В наклонных компенсаторах, не являющихся одновременно опорами, и, напряжения σм могут быть вызваны вертикальной нагрузкой от собственного веса трубы и горизонтальной ветровой нагрузкой. Обычно эти напряжения незначительны и не учитываются в расчетах.
Используя выражения (5.172) и (5.173) можно при заданной рабочей
длине компенсатора lк определить максимально допустимую величину [∆к], называемую компенсирующей способностью компенсатора, равную
[∆ |
]= 2 |
|
l2к[σкомп] |
. |
(5.174) |
|
к |
3 |
|
EDн |
|
|
|
|
|
Если же известно суммарное продольное перемещение трубопровода ∆к, определяют необходимую рабочую длину компенсатора
lк = |
3EDн∆к . |
(5.175) |
|
2[σкомп] |
|
При продольном перемещении трубопровода за счет его удлинения максимальная величина ∆к рассчитывается по формуле:
|
|
|
|
0,2σ |
кц |
|
|
|
|
∆ |
= ∆ |
|
+ ∆ |
= L |
|
+α |
∆t |
, |
(5.176) |
|
Е |
|
к1 |
|
р |
t |
|
|
t |
1 |
|
|
