§ 80. ОБДЕЛКИ БЕЗ СВЯЗЕЙ РАСТЯЖЕНИЯ В СТЫКАХ (ч. 1)

Особенности работы и статического расчета сборных железобетонных обделок. Сборные железобетонные обделки состоят из блоков сплошного или ребристого сечения, в стыках между которыми отсутствуют связи, препятствующие раскрытию стыков. Напряженное состояние сборной обделки в сильной степени зависит от конструкции, числа и расположения стыков между блоками. В конструктивном отношении характерны следующие решения:

  • шарнирные стыки, к которым относятся стыки с упругими прокладками между плоскими торцами блоков и цилиндрические стыки;
  • плоские стыки, которые в случае блоков ребристого сечения могут иметь монтажные болтовые связи.

Особенностью железобетонных обделок из блоков с плоскими стыками является наличие в стыках зазоров, возникающих до начала работы конструкции в рабочей стадии. Причинами появления начальных зазоров могут быть трудно учитываемые и случайные факторы (например, неточности изготовления блоков, искажение формы обделки при монтаже вследствие отсутствия или несовершенства применяемых приспособлений, влияние связей между кольцами и т.п.).

Наличие начального зазора, при котором блоки соприкасаются не по всей площади торцов, а лишь по узкой площадке у одной из граней, вызывает смещение нормальной силы к наружной или внутренней грани блока с возникновением в стыке соответственно положительного или отрицательного момента (рис. 276). Такие изгибающие моменты от эксцентриситета нормальной силы в стыке могут достигать значительной величины. При расчете обделки следует исходить из наиболее неблагоприятного расположения начальных зазоров, при котором конструкция имеет минимальную несущую способность. Выявление такого расположения зазоров связано с большими трудностями, так как общее число сочетаний начальных зазоров весьма велико. Так, для симметричной обделки с зазорами во всех n стыках оно равно 2n (при n = 7,2n = 128). Поэтому в основу расчета сборных обделок с плоскими стыками положено построение огибающей эпюр моментов, учитывающей все возможные сочетания начальных зазоров.

Начальные зазоры в стыках блочной обделки
Рис. 276. Начальные зазоры в стыках блочной обделки

Статический расчет сборных железобетонных обделок производят с учетом конструкции и расположения стыков, которые в первой стадии расчета рассматривают как шарнирные. Расчетная схема обделки изображена на рис. 277, а. Два верхних блока образуют трехшарнирную арку, опирающуюся на вписанную в контур выработки ломаную балку на упругих опорах, помещенных в местах стыков и в средних точках блоков. В действительности на небольшом участке около опорной точки арка находится в контакте с упругой средой, однако влиянием отпора на этом участке можно пренебречь в запас прочности конструкции. Вкладыш-замок вследствие небольшой длины рассматривают как шарнир.

В качестве неизвестных, определяемых по методу сил, принимают изгибающие моменты в средних точках блоков, находящихся в зоне взаимодействия обделки с породой (рис. 277, б).

Расчетная схема и основная система шарнирной обделки
Рис. 277. Расчетная схема и основная система шарнирной обделки

Конструкцию стыков учитывают последующим введением в шарниры возникающих в них моментов.

В случае цилиндрических шарниров и плоских стыков с упругими прокладками моменты возникают от эксцентрического приложения нормальных сил вследствие неточностей изготовления и монтажа блоков, а также в результате образования зон пластических деформаций в месте контакта между блоками. При современной технологии изготовления и монтажа блоков следует считаться с возможностью эксцентриситета е0 в стыке, достигающего ±0,1h, где h — высота сечения блока (см. ВСН 111-64).

Момент в стыке Мст = Nшe0, где Nш — нормальная сила в шарнирной обделке с шириной кольца b.

При наличии между плоскими торцами ребристых блоков монтажных болтов в стыках возникают дополнительные изгибающие моменты от затягивания болтов при монтаже. Их величины различны в зависимости от того, с какой стороны происходит раскрытие начального зазора в стыке. Так, при раскрытии стыка изнутри (рис. 278, а) нормальная сила смещается к наружной грани торца, образуя площадку смятия высотой

Высота площадки смятия,
(220)

где Nб — усилие в болтах одного ряда общей площадью Fб [см. формулу (210)]; Rни — нормативное сопротивление бетона на сжатие при изгибе; kб — коэффициент однородности бетона (kб = 0,60).

Этому случаю соответствует положительный момент в стыке

Положительный момент в стыке.
(221)

При раскрытии стыка снаружи (рис. 278, б) площадка смятия образуется у чеканочной канавки и в стыке возникает отрицательный момент:

Отрицательный момент при раскрытии стыка.
(222)

В этом случае при с2 < x/2 можно считать Nб = 0.

Усилия в стыках обделки из железобетонных тюбингов
Рис. 278. Усилия в стыках обделки из железобетонных тюбингов

При отсутствии растянутых связей между плоскими торцами блоков (Nб = 0) изгибающие моменты возникают в зависимости от того, с какой стороны образуются начальные зазоры. В этом случае:

Изгибающие моменты в зависимости от образования зазора
(223)

Из приведенных формул следует, что для снижения стыковых моментов целесообразно уменьшение величин d1 и d2, что может быть достигнуто соответственно устройством фаски с наружной стороны и увеличением глубины а чеканочной канавки. Более рационально применение цилиндрических стыков и стыков с упругими прокладками, обеспечивающих меньшие эксцентриситеты приложения нормальных сил. При этом несколько усложняются изготовление блоков и монтаж обделки, но условия ее работы значительно улучшаются. Обделки с шарнирными стыками обладают повышенной трещиностойкостью и водонепроницаемостью по сравнению с обделками, имеющими обычные плоские стыки. Общим свойством сборных обделок со стыками рассмотренных конструкций является возможность возникновения в стыках моментов разных знаков. По значениям моментов в стыках строят огибающую эпюр стыковых моментов. В результате суммирования ординат огибающей с ординатами эпюр моментов на блоках из расчета шарнирной обделки получают огибающую эпюр моментов, учитывающую наиболее неблагоприятное положение нормальных сил в стыках. Огибающая для блока, входящего в состав трехшарнирной арки, изображена на рис. 279.

Огибающая эпюр моментов на верхнем блоке обделки
Рис. 279. Огибающая эпюр моментов на верхнем блоке обделки

Волков В.П., Наумов С.Н., Пирожкова А.Н., Храпов В.Г. Тоннели и метрополитены