Строительные конструкции. Металлические конструкции, основания и фундаменты

Кроме того, следует учитывать,что ширина нижнего пояса Ь2 должна быть не меньше ширины внутренней полки верхней части колонны.После определения размеров всех элементов траверсы, проверяется прочность стенок наружной и внутренней ветвей на срез:

где t и t — толщина стенки соответственно наружной и крановой ветвей.

Dmx

<

Аля

I ,

б

hr

Nn

Рис. 8.12. Узел сопряжения надкрановой и подкрановой частей колонны

(а) и расчетная схема траверс (б): А — надкрановая часть колонны;

Б— траверса; В и Г — соттветственно наружная и крановая ветви подкрановой части колонны; 1 — стенка траверса; 2 — опорная плита; 3 — ребро; 4 — внутрення полка

Толщина ребра t принимается равной толщине стенки траверсы, а высота ребра h определяется из его работы на срез при действии силы, равной Dm a x /2. На действие этой же силы рассчитываются сварные швы, прикрепляющие ребро к ветви. Сварные швы, прикрепляющие внутреннюю полку надкрановой части колонны к стенке траверсы, рассчитываются

200

на действие силы N . Сварные швы,прикрепляющие траверсу к наружной ветви,рассчитываются на силу Qa , а к внутренней ветви на силу, равную Qn + Dm a x /2. Если нижняя часть колонны сплошная, то расчетом определяются только размеры ребра, затем проверяется толщина стенки по 2-й формуле (8.27) и рассчитывается сварной шов, прикрепляющий внутреннюю полку верхней части колонны. Размеры полок назначаются конструктивно: Ь/2> Ьн /30 + 40 мм с учетом местной устойчивости. Требования к ширине нижней полки t>2 с м - выше.

При длине колонны более 18 м надкрановая и подкрановая части колонны изготавливаются раздельно и их соединение осуществляется на монтажной площадке.

8.5.4. Конструирование и расчет баз

На рис. 8.13 приведено конструктивное решение базы колонны со сплошной стенкой. База состоит из опорной плиты и траверсы. Здесь так же, как и для баз центрально-сжатых колонн, могут применяться ребра и диафрагмы. Крепление анкерных болтов к траверсам осуществляется через анкерные пластинки. Фиксация анкерных пластинок производится монтажной сваркой после выверки колонны.

Расчет базы сплошностенчатых колонн производится на два расчетных сочетания с разным направлением моментов (рис. 8.13). При этом расчетные сочетания принимаются для сечения I - 1 (рис. 8.6) — вблизи основания колонны. Ширина опорной плиты В назначается конструктивно:

где b — ширина колонны. Длина опорной плиты L определяется из условия прочности сжато-изгибаемого элемента:

где Rcm — расчетное сопротивление бетона смятию. В формулу (8.29) подставляются абсолютные значения изгибающих моментов. Длина опорной плиты определяется дважды, с использованием обоих сочетаний и в качестве окончательного принимается наибольшее значение. Значение L должно быть не меньше внешнего габарита колонны плюс по 50 мм с

201

каждой стороны. Центр тяжести опорной плиты должен совпадать с центром тяжести сечения колонны.

</« №

а Ч) ^ 6н

АIf

*Г

у, i®

Рис. 8.13. База колонны со сплошной стенкой: а, б — эпюры напряжений под опорной плитой; 1 — опорная плита; 2 — траверса; 3 — анкерные болты; 4 — анкерная пластинка; 5 — центр тяжести эпюры сжимающих напряжений

От каждого расчетного сочетания определяются наибольшие и наименьшие напряжения под опорной плитой базы:

и строятся эпюры напряжений (рис. 8.13). После этого для каждого

202

участка опорной плиты (на рис. 8.13 участки обозначены цифрами в кружках) находятся изгибающие моменты и по наибольшему определяется толщина опорной плиты (см. расчет баз центрально-сжатых колонн). При вычислении моментов в качестве напряжения используется наибольшее напряжение в пределах рассматриваемого участка. Расчет траверс производится также по аналогии с центрально-сжатыми колоннами. Здесь для определения усилий используется наибольшее реактивное напряжение в пределах длины траверс.

Для сквозных колонн базы проектируют раздельно для каждой ветви. Конструктирование и расчет таких баз выполняется как для централь- но-сжатых колонн (предварительно усилия N и М, N' и М' распределяются между ветвями (см. формулу (8.22)). При этом центры тяжести опорных плит должны совпадать с центрами тяжести ветвей.

Пример 15. Расчет базы колонны со сплошной стенкой

Исходные данные: расчетные сочетания усилий: N.( = 3000 кн, = - 6 0 0 кн • м и N2 = 2100 кн, мг = 605 кн • м. Размеры сечения колонны: Ьн = 1000 мм, Ь = 400 мм, у^ = 400 мм. Материал — сталь С235 (R.J = 230 МПа при толщине 21...40 мм), /?см=7,8 МПа, ус — Yn = 1. Чертеж базы приведен на рис. 8.13.

Ширина опорной плиты назначается конструктивно:

В = b + 100 = 400 + 100 = 500 мм.

Длина опорной плиты определяется по формуле (8.31), где используется расчетное сочетание, дающее наибольшее значение вычисляемого параметра:

L = 3000/2 • 50 0,78 + ^ ( 3 0 0 0 / 2 • 50• 0,78)2 + +6 - 60000/50 0,78 = 142 см

Т.к. центр опорной плиты должен совпадать с центром тяжести сечения колонны, то следует проверить следующие условия:

L/2 > ЬИ - У, + 5 см; L/2 > У, + bf/2 + 5 см.

203

При L = 142 см эти условия выполняются. Наибольшие и наименьшие напряжения под опорной плитой от обоих сочетаний определяются по формуле (8.32):

Изгибающие моменты для участков опорной плиты определяются по набольшим напряжениям в пределах каждого участка: для 1-го и 2-го участка <7= 0,78 кн/см2, для 3-гоСТ=0,62 кн/см2, для 4-го СТ = 0,656 кн/см2. Дальнейший расчет аналогичен расчету баз центрально-сжатых колонн.

8.5.5. Расчет анкерных (фундаментных) болтов

Для расчета используются два сочетания с разнозначными моментами, при этом абсолютные значения моментов должны быть наибольшими, а соответствующие им нормальные силы от тех же самых нагрузок наименьшими, т.е. в используемых сочетаниях отношение [M]/N должно быть наибольшим. Как правило, сочетания, соответствующие указанным требованиям, образуются двумя нагрузками: постоянной и ветровой. Постоянная нагрузка уменьшает усилия в анкерных болтах, и поэтому она берется с коэффициентом надежности по нагрузке, равным 0,9.

При сплошной базе (рис. 8.13) растягивающие усилия в анкерных болтах крановой и наружной ветвей определяются соответственно по формулам:

Размеры Ъ2, Ц, у2, у3 приведены на рис. 8.13. Указанные размеры вычисляются для эпюр напряжений соответствующих сочетаниям по расчету анкерных болтов. Расстояние от края опорной плиты до центра анкерных болтов (размер т на рис. 9.6) назначается в пределах 50...100 мм. При раздельной базе центр анкерных болтов крановой ветви совпадает с осью этой ветви, то же для наружной ветви. Тогда усилия, приходящиеся на анкера крановой и наружной ветвей, определяются по формулам:

204

^ак = W 2 - N 2 ч 2 ) / К = - • » l ) / V (8.34) Размеры у^ у2, Л0 приведены на рис. 8.10. После вычисления усилий, определяют требуемую площадь анкеров и затем задают количество анкерных болтов и находят их диаметр либо наоборот. Рекомендуется диаметры анкерных болтов принимать одинаковыми для крановой и наружной ветвей и назначать их в интервале 24...36 мм. Расчет анкерных пластинок производится, как изгибаемых элементов: опорами которым

служат траверсы, а нагрузкой усилия в анкерных болтах.

Пример 16. Расчет анкерных болтов колонны со сплошной стенкой

Размеры сечения колонны и опорной плиты см. предыдущий пример. Предварительно размер т принимается равным 50 мм (рис. 8.13). Наибольшие и наименьшие напряжения под опорной плитой от обоих сочетаний определяются по формуле (8.32).

Размеры £>2 и Ц определяются из подобия треугольников, образуемых эпюрами напряжений: Ь2 = 42 см, Ц = 42,1 см.

где Rha — расчетное сопротивлением анкерных болтов (см. табл. 60 в [1]). Для крановой и наружной ветвей принимаются по три болта диаметром 36 мм (А^н = 8,16 см2).

205

Раздел 3. ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ

Глава 9. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОСНОВА-

НИЯХ ФУНДАМЕНТОВ, СВОЙСТВАХ

ГРУНТОВ, ПОДЗЕМНЫХ ВОДАХ

9.1. Классификация грунтов как оснований фундаментов, их возраст, условия происхождения и формирования

Грунтами в строительной практике называют горные породы, залегающие в верхних слоях земной коры и используемые в строительстве при возведении зданий и сооружений в качестве их оснований, среды (подземные сооружения) или материалов (насыпи, дамбы, плотины и т.д.).

Согласно С Т Б 943-94 в зависимости от характера структурных связей, происхождения, условий формирования, состава и строительных свойств грунты подразделяются на следующие основные классы и виды.

К скальным грунтам относятся изверженные (магматические), метаморфические и спаянные или сцементированные осадочные породы с жесткими структурными связями между зернами (конгломера-

206

ты, брекчии, песчаники и др.), которые залегают в виде сплошного или трещиноватого массива.

Нескальные минеральные грунты образовались при механическом или химическом выветривании горных пород, не имеют жестких структурных связей и являются дисперсными. В зависимости от зернового состава они делятся на крупнообломочные, песчаные и глинистые.

Крупнообломочные (валунные, глыбовые, галечниковые, гравийные, щебенистые и дресвянистые) грунты содержат по массе более 50% обломков кристаллических или осадочных пород с размерами частиц крупнее 2 мм. Они бывают с песчаным и глинистым заполнителями.

Песчаные (гравелистые, крупные, средней крупности, мелкие и пылеватые) грунты — сыпучие в сухом и водонасыщенном состояниях, содержат по массе менее 50% частиц крупнее 2 мм и не обладают свойством пластичности.

Глинистые (супеси, суглинки и глины) грунты являются тонкодисперсными связными, способными при увлажнении набухать и приобретать пластичность. При наличии в своем составе пылеватых фракций с размерами от 0,1 до 0,005 мм более, чем песчаных (крупнее 0,1 мм) глинистые грунты приобретают специфические свойства, проявляющиеся в сильном пучении при промерзании, тиксотропном разжижении с резкой потерей прочности от динамических воздействий и интенсивном набухании при дополнительном увлажнении, но за счет высыхания уменьшаются в объеме,

В отдельных местах земной коры залегают органогенные отложения, к которым принадлежат торфы (открытые и погребенные), заторфованные (песчаные и глинистые) грунты и содержащие гумус почвы (черноземные, болотные, лесостепные и др.), а также биогенные (озерные, болотные, озерно-болотные и др.) в виде сапропелей и илов (т.е. глинистых в начальной стадии своего формирования при недостаточной их спрессовываемости). Заторфованные грунты, торфы и почвы характеризуются пластичностью. Каменные угли по своим физико-механическим свойствам относятся к скальным грунтам.

207

Дисперсные грунты двух типов — песчаные и глинистые — имеют существенные отличия.

Влажность некоторых видов глинистых грунтов колеблется в значительных пределах — от примерно трех до нескольких сот процентов, а у песков в естественном состоянии не превышает 40 %. При насыщении водой пор в глинистых грунтах их состояние изменяется в последовательности: твердое, пластичное и текучее, по мере чего свойства ухудшаются плавно. Пески же могут находиться в двух состояниях: сыпучем (твердом) или текучем с резким ухудшением прочности. При определенной влажности глинистые грунты увеличиваются в объеме (набухают), при высушивании — уменьшаются в объеме и растрескиваются, т.е. дают усадку. Лессовые глинистые грунты за счет наличия вертикальных каналов (макропор) и фильтрационной анизотропии при насыщении водой резко уменьшаются в объеме, т.е. дают просадку. Объем песчаных грунтов при насыщении водой и высушивании практически не изменяется.

Глинистые грунты при статических нагрузках более сжимаемы, чем пески. Глины пластичной консистенции под действием внешней нагрузки деформируются весьма медленно, причем осадка некоторых сооружений на таких отложениях может протекать несколько лет и даже десятилетий. Пески деформируются быстро после приложения нагрузки.

Пески, особенно гравелистые и крупные, водопроницаемы во всех состояниях по плотности сложения и степени влажности. Поэтому могут служить дренажами. Глинистые грунты в пластичном и твердом состояниях практически водонепроницаемы и являются водоупором.

К искусственным грунтам относятся подвергшиеся улучшению своих физико-механических и фильтрационных свойств в случае их непригодности в естественном залегании посредством уплотнения или упрочнения с изменением своего состава при перемешивании и пропитке растворами или суспензиями, при отсыпке или намыве иных дисперсных материалов с их дополнительным уплотнением, либо за счет насыщения соответствующих толщ армирующими элементами.

Возраст грунтов определяется временем их формирования и возрастом слагающих грунты обломков горных пород. Подразделение геологического времени на условные отрезки (эра, период, эпоха, век) и распо-

208

ложение их в определенном порядке носит название геохронологии. Основные этапы в истории геологического развития Земли рассматриваются в курсе инженерной геологии.

Магматические (изверженные) горные породы образовались в результате охлаждения и кристаллизации расплавленной магмы при ее излиянии к поверхности.

Метаморфические породы произошли из магматических или осадочных в результате воздействия высоких температур и давления, вызывающих изменение структуры, перекристаллизацию и иную ориентировку минералов или возникновение новых, которые отсутствуют в исходной породе.

Осадочные породы возникли из магматических или метаморфических в результате процессов физического и химического выветривания или их сочетания, в том числе за счет жизнедеятельности микроорганизмов. В зависимости от условий образования их делят на три группы:

—обломочные из исходных пород и минералов;

—органогенные из остатков организмов в водных акваториях;

—химические, образовавшиеся в результате химических реакций.

Огеологическом сложении грунтовой толщи и сменяемости в ней по глубине пород различных возраста, происхождения и состава можно судить по геолого-литологическим разрезам. Распространение тех или иных отложений различных периодов жизни Земли иллюстрируется геологическими картами.

Исходя из характера перемещения и аккумуляции продуктов выветривания горных пород различают следующие отложения грунтов:

— элювиальные, остающиеся на месте своего образования;

— делювиальные, перемещаемые водными потоками вне постоянных русел рек и остающиеся на склонах первоначально возникших возвышенностей;

— дельтовые, уложенные при впадении потоков в водные бассейны;

— ледниковые, образовавшиеся от разрушения пород под действием отступающих ледников;

— эоловые, переносимые ветром на большие расстояния мелкие частицы разрушаемых пород;

209