Конструктивно-технологические решения сварных панелей шпунтовых стен для транспортного строительства тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.11, кандидат технических наук Егий, Всеволод Павлович

• Егий, Всеволод Павлович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Егий, Всеволод Павлович

Введение.

Глава 1 Общая характеристика работы.

1.1 Тенденция развития конструкции.

1.2 Классификация существующих конструкций.

1.3 Выводы по главе 1.

Глава 2 Разработка конструкции сварных панелей.

2.1 Обоснование формы поперечного сечения.

2.2 Аналитическое исследование зависимости металлоёмкости шпунтовой стены от параметров формы сечения панелей.

2.3 Обоснование требований к параметрам формы сечения, построение сортамента панелей.

2.4 Разработка конструкции замкового соединения, исследование геометрии его сечения.

2.5 Выводы по главе 2.

Глава 3 Разработка технологии изготовления и освоение производства панелей.

3.1 Исследование свойств сварных соединений.

3.2 Опытные работы по предотвращению остаточных сварочных деформаций.

3.3 Обоснование технологии производства с рациональным размещением технологического оборудования.

3.3.1 Расчёт требуемой производительности.

3.3.2 Разработка технологического процесса изготовления сварных панелей.

3.4 Выводы по главе 3.

Глава 4 Исследование несущей способности элементов, узлов и соединений.

4.1 Теоретическое исследование несущей способности панелей при воздействии односторонней поперечной распределённой нагрузки.

4.2 Экспериментальные исследования фрагментов панели на воздействие поперечной нагрузки.

4.2.1. Цель и задачи.

4.2.2. Методика и результаты экспериментальных исследований.

4.2.3. Сравнительный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований.

4.3 Испытания опытных образцов панелей и их элементов.

4.4 Выводы по главе 4.

Глава 5 Практический опыт применения шпунтовых панелей на строительстве мостов.

5.1 Объекты и объёмы применения.

5.2 Примеры применения панелей ПШС на стройках.

5.3 Выводы по главе 5.

Глава 6 Технико-экономический анализ.

6.1 Преимущества панелей ПШС на стройплощадке.

6.2 Выводы по главе 6.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Конструктивно-технологические решения сварных панелей шпунтовых стен для транспортного строительства»

Шпунтовые ограждения получили широкое распространение при строительстве фундаментов опор мостов, регуляционных сооружений и подпорных стен, а также стен станций метрополитенов и тоннелей, возводимых открытым способом. Имеются примеры применения подобных ограждений и в других областях строительства.

Шпунтовые ограждения рассчитывают на прочность и устойчивость по первому предельному состоянию. При этом усилия в них определяют от гидростатического давления воды, горизонтального давления от собственного веса грунта и от нагрузок, расположенных на призме обрушения.

Важнейшим функциональным свойством шпунтовых ограждений является водонепроницаемость.

Наибольший практический интерес представляют в настоящее время ограждения из стального шпунта, который применяют при глубине котлованов, как правило, более 6м, а также при меньших глубинах в плотных глинистых и гравелистых грунтах.

Шпунт погружают высокочастотными вибропогружателями, гидравлическими и дизельными молотами. Соответствующие силовые воздействия учитываются при выборе материала и обосновании конструкции.

Шпунт - инвентарное имущество, которое извлекается после устройства фундаментов для повторного использования, что определяет основные требования к сохранению целостности его геометрической формы.

За рубежом в Германии, Англии, Дании, Японии и Корее накоплен богатейший опыт по производству стального фасонного горячекатаного шпунта в широком диапазоне несущей способности.

Сортамент производимого в нашей стране шпунта до 1984 г ограничивался горячекатаными корытными профилями JT 3, JT 4 и JT 5 производства Днепровского меткомбината и плоскими ШП-1, ШГТ-2 и ШГТ-3 меткомбинат «Азовсталь» из углеродистой стали Ст Зкп.

В 1982 году в СССР была предпринята попытка освоить изготовление металлического сварного Z-образного шпунта как более экономичного по сравнению с горячекатаным. Техническую документацию разработали специалисты ЦНИИСа и ИЭС им. Е.О. Патона. Однако из-за низкого качества замков производство Z-образного стального шпунта было вскоре прекращено.

При постоянном росте объёмов строительства мостовых переходов, тоннельных и других сооружений в различных, в том числе и северных регионах России со сложными гидрологическими условиями актуальность в шпунтовых ограждениях тем более возрастает. Без преувеличения можно констатировать, что сооружение фундаментов опор больших мостов без шпунтовых ограждений просто невозможно. Это положение подтверждается тем, что ежегодная потребность мостостроения и тоннелестроения в шпунте постоянно возрастает и по фактическим запросам потребителей находится на сегодняшний день в интервале:

- от 15 до 18 тыс. т.( с моментом сопротивления до 3000 см /м):

- от 8 до 10 тыс. т. (с моментом сопротивления свышеЗООО см /м).

Для удовлетворения потребностей мостостроения и тоннелестроения при возведении сооружений на глубинах до 20 метров в сложных гидрологических и инженерно-геологических условиях необходимо внедрение шпунта повышенной несущей способности. Основой успешного решения данной задачи является создание сварных шпунтовых профилей с эффективным распределением металла по сечению профиля. При этом должен использоваться стальной прокат с высокими потребительскими свойствами (по прочности, хладостойкости, свариваемости и т. д.)

Актуальность данной работы обусловлена высокой потребностью в мостостроении и тоннелестроении, а также и в других отраслях строительства, в шпунтовых ограждениях, обладающих высокой технико-экономической эффективностью, и необходимостью в этой связи совершенствовать конструкции шпунта, технологию его изготовления и использования в строительстве.

Заключение диссертации по теме «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей», Егий, Всеволод Павлович

Основные выводы

1. Анализ существующих отечественных и зарубежных конструкций стального шпунта, используемого при строительстве мостов, тоннелей, автомобильных и железных дорог и других транспортных сооружений выявил необходимость их дальнейшего совершенствования, а также отработки технологии их производства с целью оптимизации материальных и трудовых затрат.

2. Впервые проведено аналитическое исследование зависимости металлоёмкости шпунтовых стен, собираемых из профилей Z или U образного сечения, от параметров формы профилей. При этом решена задача минимизации удельной металлоёмкости таких стен при заданной несущей способности.

Установлено, что размеры профилей для стен минимальной металлоёмкости являются функциями не только удельного момента сопротивления стены, но и угла а между полкой и стенкой профиля. При этом, минимизация удельной металлоемкости стены любого момента сопротивления достигается применением профилей с углом а равным 1 радиану, а отношение площадей их полок и стенки не зависит от момента сопротивления стены и является константой для всех профилей с данным значением угла а. У профилей с углом а равным 1 радиану это отношение равно 1,165.

3. Для всего сортамента шпунта (по значениям момента сопротивления шпунтовых стен) используемого при строительстве мостов, тоннелей, автомобильных и железных дорог предпочтительно изготовлять профили одинаковой ширины. При этом следует иметь ввиду, что металлоёмкость стен из профилей фиксированной ширины достигает минимума только в определённом узком интервале значений момента сопротивления. За пределами этого интервала металлоемкость растет, особенно у стен с моментом сопротивления свыше 4500 см /м, когда достигается предельная по условиям технологичности ширина профилей равная 80 см.

4. Наиболее эффективным по материальным и трудовым затратам решением при строительстве мостов, тоннелей, автомобильных и железных дорог является освоение: для шпунтовых стен с моментом сопротивления до 4500 см3/м группы из 3 - 5 профилей различной ширины для каждого из сортаментных значений момента сопротивления; для более мощных стен - профилей предельной ширины.

Разработан базовый производственный сортамент шпунтовых панелей, в котором реализован изложенный подход. Показано, что применение шпунтовых панелей из базовых профилей шириной 60-80 см взамен применяемых в настоящее время шириной 40-50 см позволяет сократить удельный расход стали в шпунтовых стенах на 15-20 %.

5. Новая конструкция широких шпунтовых панелей и их замковое соединение значительно сократит количество погружаемых элементов в стене и количество циклов технологических операций по погружению шпунта. Замковые соединения обеспечивают водонепроницаемость ограждений при достаточной несущей способности, что имеет существенное значение при устройстве ограждений на водоёмах и при наличии водонасыщенных грунтов, особенно при строительстве мостов и тоннелей.

6. Разработана методика расчёта несущей способности профилей под воздействием односторонней поперечной распределённой нагрузки, предложены необходимые расчётные схемы и критерии предельных состояний. Выполнено теоретическое исследование зависимости предельной нагрузки от геометрических параметров профилей. Существенными параметрами, определяющими основные потребительские свойства шпунтовых ограждений, являются: ширина профиля Ь, толщина стенки профиля tw и отношения толщины к ширине полки v = tjtbf и стенки ц = tjl^ Установлено при этом, что на несущую способность профилей данной ширины b определяющее влияние оказывает принятое сочетание параметров v и ц.

Определена необходимая и достаточная несущая способность профилей в зависимости от требуемого момента сопротивления сечения стены. Выявлены рациональные сочетания параметров, задание которых при конструировании профилей обеспечивает в них эффективный баланс показателей несущей способности при экономном расходовании металла. Разработанный базовый сортамент профилей отвечает этому балансу.

7. Результаты испытаний опытных образцов в виде фрагментов ячейки шпунтовой панели ПШС 45/150-2135 по ТУ 5264-006-01393674-01 (параметры ц = 0,029, v = 0,022) из стали класса прочности 345 на воздействие бокового давления до 309 тс/м , передаваемого через грунтовую засыпку, подтвердили выводы теоретических исследований о закономерностях, влияющих на напряжённо - деформированное состояние и несущую способность профилей, При этом всё сечение образцов работало в упругой стадии до нагрузки превышающей нормируемый уровень несущей способности в 1,47 раза.

8. Разработанная методика расчёта напряжённо - деформированного состояния профилей может применяться при конструировании панелей производственного сортамента в целях обеспечения их должной несущей способности и деформативности. Задаваемое в расчётах значение угла у, под которым давление передаётся на стенки панелей, следует принимать: у = а - 35°.

9. Технология изготовления сварных шпунтовых панелей ПШС разработанная по результатам опытно-экспериментальных исследований обеспечила высокое качество и заданные объёмы производства, и явилась инновационной в части развития и дополнения требований СТП 012-2000* «Технология заводского изготовления стальных конструкций мостов»

10. Применение панелей ПШС при строительстве мостов, тоннелей, автомобильных и железных дорог показало, что погружение сварных шпунтовых панелей на этих объектах производится имеющимися механизмами и не требует специального оборудования, при этом производительность труда возрастает в 2-2.5 раза и отпадает необходимость стыковки шпунта по длине. Благодаря герметичности замков, обеспечивается водонепроницаемость ограждений, котлованы и другие ограждаемые площади остаются сухими, что позволяет производить работы с минимальными энергетическими и материальными затратами. За счёт увеличения несущей способности стены сокращаются объемы работ по раскреплению стен.

11. Новые конструкции позволили впервые сооружать шпунтовые стены высотой 14,4 м при экономии металла на шпунтовом ограждении только одного котлована в пределах 140 - 200 т.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Егий, Всеволод Павлович, 2007 год

1. Ахундов Р.С., Хасхачик Г.Д. Строительство портов и гидротехнических сооружений. М., Корпорация «Трансстрой», 1995, с.130-141.

2. Будко А.Н. Новый тип шпунта. Информационное сообщение института ВПТИтрансстрой, ИК № 49, 1987.

3. Годес Э.Г. Нарбут P.M. Строительство в водной среде. Л, «Стройиздат» 1989, с.245-251.

4. Горбач В.Д., Головченко B.C. Автоматическая дуговая сварка с ЧПУ судовых конструкций. С.-Петербург, «Судостроение», 2004, с.9-63, 78-97, 225230,250-257.

5. Глотов Н.М., Соловьёв Г.П., Файнштейн И.С. Основания и фундаменты мостов. М Транспорт, 1990, с. 158-167, 198-201.

6. Гуревич В.Б. Речные портовые гидротехнические сооружения. М., «Транспорт» 1969, с.56-86.

7. Дащенко А.И., Белоусов А.П. Проектирование автоматических линий. М.: «Высшая школа», 1983. с.115 123.

8. Довгаленко А.Г. Использовать экономически эффективные конструкции. «Транспортное строительство», 1987, № 3, с.20-21.

9. Егий В.П., Петровский В.И. Новая конструкция стального шпунта. -Транспортное строительство, № 2,2006.

10. Жданович В.Ф., Гай Л.Б. Комплексная автоматизация и механизация в механических цехах. М.: «Машиностроение», 1976, с. 198 207.

11. Зеленский B.C., Пойзнер М.Б., Небера В.А. и др. Несущая способность свай из шпунта зетового профиля. «Транспортное строительство», 1987, № 10, с.24-25.

12. Климов А.Н., Оленёв И.Д., Соколицин С. А. Организация и планирование производства на машиностроительном заводе. Л., «Машиностроение», 1973, с.38-41,203-216,228-246, 367-385.

13. Колоколов Н.М., Вейнблат Б.М. Строительство мостов. М., Транспорт, 1975, с.71-80.

14. Корчагин Е.А. Пути облегчения причальных набережных типа больверк. -Сборник научных трудов ЦНИИСа, 1977, № 93.

15. Корчагин Е.А. Оптимизация конструкций подпорных стенок. М. «Стройиздат», 1980.

16. Корчагин Е.А., Лосев Л.Н. Формы стенок из зетового сварного шпунта ШЗП. «Транспортное строительство», 1987, № 3, с.22.

17. Красов Н.В. Гидросооружения из стального шпунта можно строить эффективнее. «Транспортное строительство», 1981, № 9, с. 18-19.

18. Кручинкин А.В., Васильев В.В., Переляев Ю.Н. Машины, механизмы и оборудование для строительства мостов., М.,Корпорация «Трансстрой», 1993, с.6-32,113-115.

19. Кручинкин А.В., Чирков В.И. Сварной шпунт глубоководных морских причальных сооружений., «Транспортное строительство», 1986, № 6, с.22-23.

20. Кузнецов А.И., Лосев Л.Н., Корчагин Е.А., Куликов В.И. Опытный участок причала из сварного шпунта. «Транспортное строительство», 1982, № 1, с.14-16.

21. Ложкин Б.Г. Прогрессивные виды стальных профилей несущих конструкций. М., ЦИНИС Госстроя СССР, 1971.

22. Лосев Л.Н., Егий В.П., Парышев Н.В. Сварные шпунтовые панели ПШСК новая конструкция стального шпунта. - Вестник мостостроения, 1996, № 3-4, с.38-40.

23. Лосев Л.Н., Школьников И.Е., Парышев Н.В., Егий В.П. Новый стальной шпунт сварной конструкции. Труды международной конференции «Подземный город: геотехнология и архитектура», С. Петербург, 1998, с.373-379.

24. Лосев Л.Н., Егий В.П., Парышев Н.В., Менщиков В.Н., Тарбаев Н.А. Стальные шпунтовые панели ПШС для подпорных стен различного назначения. Транспортное строительство, № 5,1999.

25. Лосев Л.Н., Егий В.П. Технические условия ТУ 5264-004-0139367496. Панели шпунтовые сварные. Опытная партия. М. ЦНИИС, 1996 г.

26. Лосев Л.Н., Егий В.П. Технические условия ТУ 5264-006-0139367401. Панели шпунтовые сварные. М. ЦНИИС, 2001 г.

27. Максимов А.Н. Шпунты повышенной несущей способности. -«Транспортное строительство», 1984, № 1, с.21-22.

28. Майзель B.C., Навроцкий Д.И. Сварные конструкции. Л., «Машиностроение», 1973, с.126-161.

29. Мамлин Г.А. Изготовление конструкций стальных мостов. М., «Транспорт», 1976, с.178-201, 137-144,338-341.

30. Марченко А.С., Пехов Н.Д., Чеботарёв О.Н., Димант В.Л., Боряк К.Ф. О шпунте повышенной несущей способности. «Транспортное строительство», 1986, № 6, с.21-22.

31. Мельниченко К.Н. Шпунтовые сваи Рационализация профилей проката. М., Профиздат,1956.

32. Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах. ГОСТ 9454-78.

33. Носенко О.П. Пути совершенствования сортамента и производства стального шпунта для гидротехнических сооружений в строительстве. -«Строительная механика и расчёт сооружений», 1987, №5, с.25-27.

34. Пешковский О.И. Технология изготовления металлических конструкций. М., Стройиздат, 1978, с.178-202.

35. Пойзнер М.Б., Лифар А.А., Бронецкий В.В., Чеботарёв О.Н. Сварная шпунтовая свая. «Транспортное строительство», 1989, № 10, с.20-21.

36. Пуш В.Э., Пигерт Р., Сосонкин В.Л. Автоматические станочные системы. М.: «Машиностроение», 1982. с.135 146.

37. Разработка, изготовление и испытание профилей стальных шпунтовых свай, отвечающих требованиям создание причальных сооружений с глубинами до 25 м. Институт «Союзморниипроект», отчёт о НИР, рук. Довгаленко А.Г., М.,1980.

38. Ричард Д. Эволюция шпунта. Направление исследований. ВЦП, перевод № Д-06130 из журнала «Naviers, Ports et Chantiers», 1981, №371, c.222-224.

39. Сварка под флюсом, соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры. ГОСТ 9713-79.

40. Сергеев И.Д., Богатырев А.И. Проблемы оптимального проектирования конструкций. Л., Стройиздат, 1971.

41. Смирнов Г.Н., Горюнов Б.Ф., Курлович Е.В., Левачев С.Н., Сидорова А.Г. Порты и портовые сооружения. М., «Стройиздат», 1979, с.345-351.

42. Соломенцев Ю.М. Проектирование автоматизированных участков и цехов. М., «Высшая школа», 2003. с. 16-78.

43. Солохин В.Ф., Дядькин С.Н., Николаев В.А., Дорохин С.Е. Опыт применения сварных шпунтовых конструкций в мостостроении. «Вестник мостостроения», 1999, № 3 4, с.37-40.

44. СТП 012-2000* Заводское изготовление стальных конструкций мостов. М., Корпорация «Трансстрой», с.47-73, 89-92.

45. Указания по методам правки элементов сварных мостовых конструкций. ЦНИИС, К. «Трансстрой» М.,1973, с.73.

46. Чеботарёв О.Н., Пойзнер М.Б., Дубровский М.П. Строительство портовых гидротехнических сооружений из сварного шпунта. М., Транспорт, 1993.

47. Швы сварных соединений. Электродуговая сварка в защитных газах. Основные типы и конструктивные элементы. ГОСТ 14771-79.

48. Шпунтовые стенки фирмы Arbed. «Engineering News Record», т.217, № 14, c.29

49. Brackemann F. Die Entwicklung der Stahlspundwand zu neuen Profilen und Wandformen. «Baumaschine und Bautechnik», № 9, 1967, 337-343.

50. Brackemann F. Erfahrungen uber Ausbildung und Einsatz von wellenformigen Spundwanden mit gro(3er Profilhohe bei Kaimauern in deutschen Seehafen. «Baumaschine und Bautechnik», № 5, 1971.