Надземный переход

ВВЕДЕНИЕ

     При пересечении  трассой трубопровода сложных  естественных и искусственных препятствий в ряде случаев предусматривается строительство надземных переходов. Надземную прокладку трубопроводов осуществляют по различным конструктивным схемам в зависимости от характера пересекаемого препятствия.

     В трубопроводном  строительстве применяются следующие  конструктивные схемы надземных  трубопроводов:

1. Балочные переходы:

а) прямолинейная прокладка без  компенсации продольных деформаций;

     б) прокладка  трубопроводов с компенсацией продольных деформаций:

• трубопроводы с П-, Г- и Z-образными компенсаторами, устанавливаемыми через определенные расстояния в вертикальной или горизонтальной плоскостях;
• трубопровод, имеющий в плане зигзагообразную форму ;
• упругоискривленный самокомпенсирующийся трубопровод ;
• прямолинейная прокладка со слабоизогнутыми компенсационными участками ;

2. Подвесные (висячие, вантовые) переходы  – особенностью данной схемы и ее разновидностей является подвеска трубопровода к специальным несущим канатам, закрепляемым на высоких опорах;

3. Арочные переходы представляют собой конструкции с пролетными строениями криволинейного очертания, имеющими форму арки;
4. Переходы в виде самонесущей провисающей нити  – трубопровод подвешивается к опорным устройствам и материал труб воспринимает нагрузку от веса трубопровода и транспортируемого продукта;
5. Трапецеидальная схема  – трубопровод сооружается в форме трапеции, что дает возможность компенсировать удлинения труб;
6. Мостовая схема – трубопровод прокладывается по специальному мосту, поэтому нагрузок от собственного веса и веса продукта трубопровод не несет [2].

 

Выбор места сооружения перехода зависит в основном от положения  трассы нефтепровода  и лишь в  очень небольшой степени от условий  пересечения реки.

Исходными данными для проектирования  воздушных переходов были материалы  изысканий, которые  проводились в несколько сокращенном объеме по сравнению  с обычными изысканиями для проектирования мостовых переходов.

При проектировании переходов  производили анализ схем, включающих в той или иной степени трубы в работу сооружения. Были рассмотрены воздушные переходы арочной системы, переходы в виде провисающей нити из самих труб и, наконец, висячие и вантовые схемы, в которых трубы усилены гибкими нитями из высокопрочных  стальных канатов.

Наиболее удобными для  перекрытия больших проемов оказались  висячие конструкции. Величина пролета  для них практически не ограничена. Возможны и многопролетные схемы. Они  удобны в монтаже, их легко монтировать, так как трубы свободно подвешиваются к ранее смонтированному канату.

Впервые висячие системы  были применены в мостах, затем  в разных строительных конструкциях и, наконец, при строительстве трубопроводов.

По восприятию нагрузок и по передаче их опорам висячие  системы аналогичны арочным, но отличаются тем, что основные несущие элементы представлены нитями и работают только на расстояние. Это позволяет использовать высокопрочные стали, в результате чего висячие системы получаются экономическими и легкими.

К недостаткам висячих  систем следует отнести их малую жесткость и следовательно значительную деформативность. Это особенно сказывается при несимметричных нагрузках, образуется S-образный изгиб: одна половина пролета изгибается вниз, а вторая вверх.

Основными параметрами  для разработки конструкции висячих переходов являются: пролет, стрелка провисания несущих канатов, панель для трубы или расстояния между подвесками, схема горизонтального раскрепления для восприятия ветровых нагрузок и конструкция анкерных  опор. Размер стрелки провисания канатов влияет на сечения канатов и мощность анкерных опор, а также на высоту, вес и конструкцию пилонов.

Институтом «Укрпроектстальконструкция»  разработана и внедрена в производство новая система горизонтального  крепления висячих переходов  боковыми оттяжками, прикрепленными к трубам через 40-50 м и к неподвижным легким опорам, расположенным на берегах, примерно в отворе  с основными пилоновыми опорами. Расчет выполняется.

Анкерные опоры воспринимают усилия  от оттяжек или канатов  висячей системы и передают их на грунт.

Конструкция анкерной опоры  зависит главным образом от положения  точки прик-репления каната или оттяжки  к опоре и от способа передачи усилия на грунт. Чем выше точка приложения силы от каната, тем больше опрокидывающий момент для опоры и изгибающие моменты для ее конструктивных элементов. Эту точку следует размещать ближе к линии восприятия усилия грунтом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Конструкция  висячего перехода.

Висячие системы переходов  состоят из растянутых несущих и  ветровых элементов (цепей или вант), к которым с помощью также растянутых элементов (подвесок, растяжек) или непосредственно закреплен трубопровод. Поскольку основные несущие и ветровые элементы висячих систем работают на растяжение, то их, как правило, выполняют из высокопрочных канатов (тросов). В зависимости от длины пролета перехода, конструкции пролетного строения, диаметра трубопровода, нагрузок и методов монтажа растягивающие усилия, возникающие в несущих или ветровых  канатах, могут изменяться от десятков до тысяч тонн. От величины усилия зависят конструкция и число канатов. С увеличением пролетов переходов и нагрузок количество канатов приходится увеличивать. Количество и расположение канатов зависят не только от нагрузки, но и от конструкции пролетного строения и метода его монтажа.

В некоторых случаях  вместо канатов (тросов) делают цепи из отдельных жестких элементов, шарнирно соединенных между собой. Однако, это, как правило утяжеляет конструкцию, поскольку сталь, применяемая  в  канатах, имеет более высокие  прочностные характеристики.

Несущие и ветровые канаты, соединенные наклонными оттяжками, вместе с вертикальными подвесками и горизонтальными оттяжками  создают несущую систему висячего перехода, воспринимающую все виды нагрузок.

В висячих переходах  трубопроводов очень ответственно закрепление концов канатов. Способ крепления канатов выбирают в зависимости от  диаметра  каната, конструкции анкерных опор, условий эксплуатации. Крепление концов канатов к анкерным опорам осуществляется через талрепы  и другие стяжные устройства, с помощью которых можно регулировать длину канатов.

Несущие канаты висячих  переходов трубопроводов, как правило, опираются на специальные высокие  опоры – пилоны. Конструкция пилонов  зависит от длины перекрываемых  пролетов, передаваемых на пилоны нагрузок, расчетной схемы  пилонов, числа ниток трубопровода на переходе, материала пилонов и других факторов. Неотъемлемой  частью промежуточных, а часто и крайних пилонов висячих переходов больших пролетов являются консоли для опоры ветровых канатов.

Консоли прикрепляют к опорам или непосредственно  к пилонам. Целесообразнее, а иногда и удобнее, располагать их несколько ниже от трубопровода, так как в этом случае ветровые канаты оттягивают трубопроводы вниз и этим несколько повышают жесткость перехода, т.е. затрудняют возникновение вертикальных колебаний от ветровой нагрузки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Расчетная  часть.

2.1. Расчёт толщины стенки трубопровода.

 

Исходные данные для  расчёта:

- наружный диаметр  трубопровода D_н=720 мм;

- давление в трубопроводе P=5,1 МПа;

- ширина реки 400 м;

Район / время строительства  – г. Новосибирск/зима .

Продукт – нефть.

По сортаменту выбираем для газопровода трубы, выпускаемые  Челябинским трубопрокатным заводом  из стали маркой 13Г2АФ с   σ_в=530 МПа и σ_т=363 МПа.

В общем случае толщину стенки трубопровода можно определить по формуле

 

                                     ; (1)

 

где ψ₁ – коэффициент двухосного напряжённого состояния металла труб;

      n_p – коэффициент надёжности по нагрузке от внутреннего давления для газопроводов, n_p=1,1 ;

      Р – внутреннее  давление в трубопроводе , МПа;

      D_Н – наружный диаметр трубопровода, мм;

      R₁ – расчётное сопротивление материала можно рассчитать по формуле (2)

                                                                                                                                                                        

                                             ; (2)

 

где R^H₁ – нормальное сопротивление материала, зависящее от марки стали и в расчётах принимается R^H₁=σ_в=530 МПа;

       m – коэффициент условий работы трубопровода, для III категории трубопроводов m=0,9 ;

       k₁ – коэффициент надёжности по металлу, k₁ = 1,47 ;

       k_Н – коэффициент надёжности по назначению.

Для трубопровода с условным диаметром 720 мм внутренним давлением 5,1МПа, k_H=1,0

 

                                    

                                                                                                  

Коэффициент ψ₁=1 при сжимающих продольных осевых напряжениях σ_прN > 0.

При σ_прN <0 коэффициент ψ₁ определяется по формуле:

                                                     

                              ; (3)

где σ_прN – продольное напряжение.

Рассчитаем предварительную толщину стенки трубопровода, первоначально принимая ψ₁=1 , по формуле (1):

 

                     

                             

 

Полученное расчётное значение толщины стенки округляем до ближайшего большего по сортаменту, равного δ_Н=7 мм. По СНиП 2.01.07-85 находим для района прокладки трубопровода t_I = - 20 ⁰C, t_VII = +20 ⁰С, Δ_I = 20 ⁰C, Δ_VII = 6 ⁰C. Нормативные значения температуры наружного воздуха в холодное и тёплое время года:

 

                              t^х_н = - 20 ⁰С – 20 ⁰С = - 40 ⁰С;

                              t^т_н = + 20 ⁰С + 6 ⁰С = + 26 ⁰C,

 

а расчётное значение

    

                                     t^х = - 40 – 6 = - 46 ⁰С;

                                     t^т = + 26 + 3 = + 29 ⁰С.

 

Температурный перепад при замыкании трубопровода в холодное время года

 

                                     Δt^х = +9 – (- 46) = + 55 ⁰С,

 

а при замыкании в  тёплое время года

        

                                     Δt^т = +9 – (+29) = - 20 ⁰С.

 

В качестве расчётного температурного перепада принимаем наибольшее значение

 

                                     Δt = +55 ⁰C.

 

Продольное напряжение

       

                                     ; (4)

 

где α_t – коэффициент линейного расширения металла,  α_t = 1,2 * 10^-5 1/ ⁰С;

      E – модуль Юнга, Е = 2,06 * 10⁵  МПа;

      μ – коэффициент  Пуассона, μ=0,3;

      D_вн – внутренний диаметр трубы

 

                                   D_вн = D_н - 2δ = 720 – 2 * 7 = 706 мм;

 

Рассчитываем продольное напряжение                                                                                                                                          

                                                                                                                                             

             =  - 53,728

            

 

Знак «минус» указывает на наличие  осевых сжимающих напряжений, поэтому  необходимо определить коэффициент  ψ₁, учитывающий двухосное напряжённое состояние металла труб.

 

             

 

По формуле (1) пересчитываем значение толщины стенки трубопровода

 

             

                       ;

 

Ближайшее большее значение толщины стенки по сортаменту равно 7 мм.

Принятая толщина стенки удовлетворяет условиям

 

                      D_н/140= 720/140=5,14 < 7

 

Очевидно, что δ_н=7мм можно принять за окончательный результат.

 

 

 

2.2. Определение нагрузок  действующих на трубопровод.

При расчетах трубопроводов, работающих по сравнению с подземными, в более сложных условиях, необходимо правильно учитывать нагрузки и воздействия, действующие на данный трубопровод.

Для надземных трубопроводов возможно следующее сочетание нагрузок:

q_{0 =} q _тр + q _k + q _пр + q _сн,

где  q_тр,  q _k. -  нагрузки от собственной массы соответственно трубопровода и конструкций перехода;

q _пр – нагрузка от массы транспортируемого продукта;

q _cн -  силовая нагрузка;

q _тр – П _с.в. q ^н_{т р =} П _с.в.  r_тр . g . F

где  П_с.в. – коэффициент перегрузки по [3], принимаем П_с.в.= 1,1

r_тр -  плотность материала труб, принимаем r_тр. для стали равной 7850 кг/м³

g – ускорение свободного падения, g = 9,8 м/с²

F -  площадь поперечного сечения стенок трубы, толщина стенок для Д_н = 720 мм

принимаем 7 мм.               

F =

(Д_н² – Д_вн²)= (0,72² – 0,706²)= 0,0160 м²

q_тр =  1.1 ^. 7850 ^. 9,8 ^.0,0160 = 1920,02 н/м

Нагрузка от собственной  массы конструкции

q_к = П_с.в.,^. q_к^н    П_с.в.^. 0,1  q_тр^н = 1,1  0,1  1530,907 = 168,05 н/м

Нагрузка  от массы  транспортируемого продукта:

q_пр= П_прq_пр^н = П_пр

пр g

Где  _пр = коэффициент перегрузки, принимаем по [ 3] равный 1,0

r _пр – плотность продукта, для нефти примем  r_пр= 900 кг/м³

Нормативное значение снеговой нагрузки находится следующим образом:

Р^н_сн = Р_{о. сн.}. С_сн,  где

Р_о.сн  - вес снегового покрова на единице площади горизонтальной поверхности земли.

Р_{о. сн.} по [3] для г. Новосибирска  Р_о.сн= 1,5 кПа.

С_сн = коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на трубопровод. Принимаем по [3]  C_cн. = 0,4.

Следовательно,  Р^н_сн = Р_о.сн. . С_н = 1,5 . 0,4 = 0,6 кПа.

Расчетное значение снеговой нагрузки, приходящейся на единицу длины трубопровода,

кН/м

q_сн= П_сн . r^v_cн . В,  где

 П_сн – коэффициент перегрузки по [ 3 ]  П_сн = 1,4

 В – ширина горизонтальной  проекции наземного перехода, м.  Обычно для одиночного

трубопровода принимают В = 0,77 Д_н = 0,77 . 0,72 =0,5544 м

q_cн = 1,4 . 0,6 . 0,5544 = 0,4656 кН/м

q_вет. = 0,6. Пв . Q. Д_н = 0,6. 1,3. 550 . 0,72 = 308,8 Па, 

где Q – скоростной напор равный 550 м Па, для IV р-на

Найдем полную величину нагрузок

q_о= q_тр + q_к + П_с + q_пр + q_cн = 1320,02 + 168,502 + 2453,13 + 0,9 + 465,6 = 4406,252 н/м.

П_с – коэффициент сочетаний, для продукта П_с= 0,9

Стрела провисания  ( ¦ ) несущих канатов назначается обычно в пределах пролета, при пролетах более 100 м. 

Принимаем  ¦ =    L = . 400 = 40 м.

Так как подвески вертикальны, то усилия во всех элементах каната имеют одну и ту же горизонтальную проекцию, равную распору

Н = q L²/ 8 , = 4406,25 . 400²/ 8. 40 = 2026,12 кН.

Где q – максимальная расчетная нагрузка в пролете.

L – длина пролета, f -  стрела провисания.

Рис. 1. Схема висячего перехода.

Найдем наибольшее усилие в канате у места примыкания его  к пилону оно будет равно:

Z =

² = ² = 2280,45

 

2.3. Расчет оттяжек.

Усилие в оттяжке зависит  от угла наклона ее к горизонту         и определяется

Т = Н/cosj₀

Угол наклона  оттяжки  подбирают с таким расчетом, чтобы  усилие в ней было равно усилию в несущем канате, т.е. принимаем Т = Z

Тогда     cos j_{0 =}

= arc cos0,918476 = 21,8⁰

Длина каната между пилонами из условия провисания.

S_к = L[ 1 +

] = 400 . [ 1 + ]=410,66 м

Расстояние между пилоном  и анкерной опорой

Где  h – высота пилона

h=

+ a + Д_н = 40,0 + 1,3 + 0,72 = 42 м,

 где а принимаем от 1,2 м до 1,5 м.

Длина оттяжки

So = 

Полная длина каната

S = Sк + 2So = 410,66 + 2 . 113,371 = 637,409 м.

 

2.4 Расчет канатов.

Условие прочности для  канатов записываются

где Rd – действительное разрывное усилие каната,

m_к    -  число несущих канатов, m_к = 2

к₁     -  коэффициент однородности при разрыве, к₁= 0,8

m_{1       -} коэффициент условий работы материала в конструкции, m₁= 0,8

m₂    -  коэффициент условий работы для переходов, m₂= 0,75

К_к     -  коэффициент, учитывающий возможное снижение прочности канатов в местах соединений. При двух канатах К_к = 0,95 0,9.

Z max – максимальное расчетное натяжение каната

По сортаменту стальных канатов выбираем марку 62-Г-1-С-Н-1470

Гост 3079-80;        Rd= 2600 кН

Условие прочности соблюдается

Для ветровых канатов :

 По сортаменту стальных  канатов выбираем марку  30-Г-I-C-H-1372  ГОСТ 3079-80

 Rd = 800 кН

  

                   

Условие выполняется.

2.5. Расчет  подвесок.

Сила, приложенная к  подвеске

Р_под  = qc,

Где   q – суммарная равномерно распределенная нагрузка,

          с -  расстояние между  панелями, с = 10 м

Усилие в вертикальных подвесках равно приложенной к ней силе, т.е

Площадь «нетто» сечения  подвесок определяют из условий работы их на растяжение

 где R – расчетное сопротивление стали подвески, для стали С 275 по [5]

 

 

Диаметр подвески

Для ветровых канатов

Площадь «нетто» сечения подвесок

Для стали С235 по [ 5 ] 

Диаметр подвески

2.6.  Расчет  пилона.

Расчетная длина пилона

где - коэффициент расчетной длины,

         - длина пилона     

 

Рис. 2        Схемы сечения

- пилона;  - раскосной решетки.

 

Момент инерции сечения пилона

где  J_уг – момент инерции поперечного сечения угольника равнобокого по сортаменту № 7,5    J_уг = 66,1 см⁴

В принимаем 120 см по конструктивным соображениям,

  cм по сортаменту на угольник № 7,5

А_уг - площадь профиля,  А_уг = 12,8 см²

      Радиус инерции  сечения

 

Гибкость пилона

   –  коэффициенты, находящиеся по формуле

где   - диагональ, ширина и высота соответственно раскосной решетки.

,      

      

Площадь сечения всего  пилона        

                            

Приведенная гибкость пилона с решетками

где - площади сечений раскосов решетки

Условная приведенная  гибкость пилона

Rу = 365 МПа, - расчетное сопротивление стали по [ 5 ] для стали С375

При       

²

Проверка условия на устойчивость пилона

 

    коэффициент условий работы по [ 5 ]  = 0,9

     условие не выполняется

Следовательно, расчет повторяем, но для уголка более с большим  номером профиля .

Уголок № 16

 Радиус инерции  сечения

Гибкость

Коэффициенты    

Площадь сечения

Приведенная гибкость пилона

Условная гибкость

При    

Проверка условия на устойчивость пилона

    315053 кН£ 328000 кН                           Условие выполняется.

 

2.7. Расчет фундамента  под пилон.

Предварительные размеры подошвы  фундамента

где  А – площадь подошвы отдельного центрально- нагруженного фундамента, м².

N  - расчетная нагрузка, действующая на фундамент на уровне обреза, кН

N _n = 1693,73 кН

R₀ – расчетное сопротивление грунта основания , кПa

d- глубина заложения фундамента, м     d = 2,5 м

g_{с р}- средний удельный вес фундамента и грунта на его уступах( обычно g_{с р}=20кН/n²)

R₀= 400 кН/м² для глины по [ 8 ]

Значение размера стороны подошвы  фундамента

Расчетное сопротивление грунта   основания.

где  и - коэффициенты условий работы,

    = 1,1     и = 1,0  по [ 8 ]

    К – коэффициент по [ 7 ]     К = 1,1

    - расчетные коэффициенты. Согласно [ 8 ] принимаем

    ,          ,              

   К_Z – коэффициент, принимаем равным:

   При  в <10 м           К_z = 1,     при в ³  10 м         К_z = Z₀/ в + 0,2

 - осредненное расчетное  значение  удельного веса грунтов, для  глины

 -  20,0 кН/м³ по [ 8 ]

 -  то же,  на залегающих  выше подошвы по [ 8 ]

 = 18,9 кН/м³

- расчетное значение удельного  сцепления грунта, залегающего непосредственно  под подошвой фундамента,  кП        = 45 кП   по [ 8 ]

 Среднее значение  давления под подошвой фундамента

 Должно выполняться  следующее условие

                             402,8 £ 461            Условие выполняется.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Технология  строительства и монтажа.

 

Сооружение  надземных  переходов осуществляется в соответствии с проектом организации  строительства всего трубопровода в целом.

Сооружение опор –  одна из наиболее трудоемких операций. Для сокращения объемов работ  на переходе и на приобъектной строительной площадке целесообразно использовать сборные ж/б элементы опор ( плиты, сваи, стойки, подушки, ригели, кольца и др.). Таким же способом следует изготавливать арматурные каркасы и щитовую опалубку для всех элементов опор, которые предусмотрено выполнять в монолитном варианте. Массивные монолитные опоры устанавливают в котлованах необходимой глубины. При высоком уровне грунтовых вод устраивают  постоянный водоотвод из котлована, а откосы котлована укрепляют.