Оценка несущей способности и трещиностойкости опорных элементов транспортных эстакад нефте- и газопроводов

УДК 69.07

ОЦЕНКА НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ И ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ ОПОРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТРАНСПОРТНЫХ ЭСТАКАД НЕФТЕ- И ГАЗОПРОВОДОВ

© Ю.Б. Григорьева, Р.С. Кильдибаев, И.В. Недосеко, Э.В. Шакирова

Топливно-энергетический комплекс Российской Федерации невозможно представить без сооружения и эксплуатации, технологических нефте- и газопроводов. С их помощью можно осуществлять транспортировку, сбор, а также подготовку нефтепродуктов. Для подрядных строительных организаций, специализирующихся на сооружениях данного типа, большая протяженность надземных транспортных эстакад является проблемой № 1.

В данной статье рассмотрены варианты конструктивных решений надземных транспортных эстакад для технологических трубопроводов: конструкции надземных транспортных эстакад на основе фундаментов неглубокого заложения, с использованием свайных фундаментов с монолитными железобетонными ростверками, с использованием свай-колонн с опорными оголовками, конструкция сопряжения опорного оголовка со сваей-колонной. Показано преимущество надземных эстакад на сваях-колоннах с опорными оголовками типа «колокол». Это объясняется малоемкими экономическими затратами на их возведение как за счет снижения общей материалоемкости и части конструктивных элементов, так и за счет сокращения сроков строительства (ввиду отсутствия земляных работ и «мокрых» процессов по бетонированию монолитных ростверков или фундаментов), и возможностью вести строительно-монтажные работы практически в любое время года.

Доказано, что применение сталефибробетонов в производстве опорных оголовков типа «колокол» в силу их незначительного объема практически не скажется на увеличении общей стоимости транспортной эстакады на сваях-колоннах, но при этом позволит существенно повысить долговечность и эксплуатационную надежность всего сооружения.

Ключевые слова: надземная эстакада; свая-колонна; сталефибробетон; опорный оголовок; несущая способность; трещиностойкость.

EVALUATION OF BEARING CAPACITY AND CRACKING RESISTANCE OF SUPPORTING ELEMENTS IN TRANSPORT TRESTLES OF OIL AND GAS PIPES

© Iu.B. Grigorieva, R.S. Kildibaev, I.V. Nedoseko, E.V. Shakirova

It is impossible to imagine fuel and energy complex of Russian Federation without construction and exploitation, technological oil and gas pipes. It is possible to perform transportation, collection and preparation of oil products with their help. Large extension of over-ground transport trestles is the main problem for contracting building organizations which specialize in constructions of the kind.

In this article we considered ways of constructive solutions of over-ground transport trestles for technological pipes: construction of over-ground transport trestle based on the foundation of shallow laying, construction of over-ground transport trestle with the use of piling foundation with monolithic reinforced concrete raft, construction of over-ground transport trestle with the use of bearing piles with supportive end walls, construction of junction of supportive end walls with a bearing pile. It is shown that there is an advantage of over-ground trestles on bearing piles with supportive end walls of a «bell» type.It is explained by law economic expenses for their construction by both the decrease of common consumption of materials and part of constructive elements and the reduction of construction period (because of the absence of ground works and

«wet» processes in embedding of monolithic reinforced concrete rafts or foundations) and the possibility to manage shell and core works in almost any season.

It is proved that the use of steel fibre concretes in the production of supporting end walls of a «bell» type because of its insignificant volume will not influence the increase of the whole cost of transport trestle on bearing piles, but it will allow to increase longevity and exploitation proof of the whole construction.

Key words: over-ground trestle; bearing pile; steel fire concrete; supporting end wall; bearing capacity; cracking resistance.

Нефтегазодобывающая и особенно нефтеперерабатывающая промышленности характеризуются значительным количеством и протяженностью надземных транспортных эстакад под различные технологические трубопроводы (нефте- и газопроводы малых и средних диаметров, продуктопроводы и др.), которые являются на сегодняшний день «большой головной болью» для работников проектных и подрядных строительных организаций, специализирующихся на строительстве, ремонте и эксплуатации сооружений данного типа.

Из представленных трех основных типов конструктивных решений надземных эстакад [1, 2], показанных на рис. 1-3, наиболее эффективным является вариант на высоких свайных опорах (по более общепринятой производственной терминологии строителей -на «сваях-колоннах») с опорными элементами в виде оголовков типа «колокол» (рис. 4). Это обусловлено значительным уменьшением затрат на их возведение как за счет снижения общей материалоемкости и количества конструктивных элементов (отсутствуют либо фундаменты стаканного типа, либо монолитные ростверки), так и за счет сокращения сроков строительства (ввиду отсутствия земляных работ и «мокрых» процессов по бетонированию монолитных ростверков или фундаментов), и возможностью вести строительно-монтажные работы практически круглогодично.

Однако данные конструктивные решения, хотя их преимущество было очевидно с 60-70-х гг. XX века, в промышленном строительстве практически не применялись, несмотря на то, что имелся более чем тридцатилетний положительный опыт (к сожалению, в настоящее время во многом утраченный из-за ликвидации крупнопанельного домостроения) строительства 9-12-этажных крупнопанельных зданий на безростверковых свайных фундаментах с опорными оголовками типа «колокол».

Анализ показывает, что в настоящее время возможно решение большинства практических проблем, которые не позволили в прошлом массово использовать прогрессивные безростверковые конструкции в промышленном строительстве.

В частности, ранее применяемая сваебойная техника не позволяла обеспечивать требуемую точность погружения свай-колонн, сейчас же современное высокоточное оборудование для забивки свай освоили не только зарубежные, но и многие отечественные машиностроительные предприятия. Также у производственников вызывало большую проблему качество сборного железобетона, особенно для малоформатных конструкций, к каким и относились опорные оголовки.

Сегодня использование современныхоргано-минеральных модификаторов позволяет получать высокопрочный и долговечный бетон на любых заполнителях.

Рассмотрим ряд общих вопросов, касающихся проектирования данных конструкций и расчетов, связанных с ними. Используя предыдущий положительный опыт, в частности, типовую серию 1.111.1-4 «Оголовки свай сборные железобетонные», изданную в 1983 г., и рекомендации по расчету безростверковых свайных фундаментов для крупнопанельных зданий [3], выполним оценочный расчет несущей способности для опорных элементов данного типа в конструкциях транспортных эстакад.

Рис. 1. Конструкция надземной транспортной эстакады на основе фундаментов неглубокого заложения: 1 - технологические трубопроводы; 2 - распределительная балка; 3 - железобетонная колонна; 4 - фундамент стаканного типа; 5 - граница зоны производства земляных работ

Рис. 2. Конструкция надземной транспортной эстакады с использованием свайных фундаментов с монолитными железобетонными ростверками: 1 - технологические

трубопроводы; 2 - распределительная балка; 3 - железобетонная колонна; 4 - монолитный железобетонный ростверк; 5 - свая; 6 - граница зоны производства

земляных работ

Рис. 3. Конструкция надземной транспортной эстакады с использованием свай-колонн с опорными оголовками: 1 - технологические трубопроводы; 2 - распределительная балка; 3 - свая-колонна; 4 - сталефибробетонный оголовок типа

«колокол»

Рис. 4. Конструкция сопряжения опорного оголовка со сваей-колонной:

1 - свая-колонна; 2 -сталефибробетонный оголовок типа «колокол»; 3 - бетон замоноличивания; 4 - закладная деталь для устройства сварного соединения с

распределительной балкой

Расчет несущей способности узла сопряжения (рис. 2) сваи с оголовком может быть произведен по следующей эмпирической формуле:

F < к  R< А<

где Р - расчетная нагрузка (продольная сила) на узел сопряжения; - понижающий коэффициент условий работы (0,6^1), зависящий от экцентриситета приложенной силы; й*- расчетное сопротивление арматуры растяжению; - общая площадь продольной арматуры в стенке оголовка; а - угол наклона грани плоскости оголовка (в типовой серии 8°30'); в - угол внутреннего трения бетона по бетону (для стандартного тяжелого бетона В15-В25 в ~ 25-27°); у - понижающий коэффициент неравномерности распределения контактных давлений; п - повышающий коэффициент, зависящий от соотношения площадей передачи нагрузки на оголовок ко всей площади оголовка с замоноличенным бетоном.

Расчет по приведенной выше методике показывает, что стандартный оголовок даже для бетона низких классов по прочности В15-В20 и арматуры класса А-400 (А-Ш) (в количестве 4010) способен нести нагрузку до 60 т, причем с экцентриситетом (вызванным, например, неточностью забивки сваи или другими условиями) до 10 см, что вполне достаточно для восприятия нагрузок для стандартных эстакад.

С трещиностойкостью узлов сопряжения при использовании оголовков, как показала практика, возникали проблемы даже для зданий КПД (хотя в подвале они мало подвержены отрицательному влиянию атмосферных воздействий), а для открытых пространств, где и эксплуатируется большинство технологических эстакад, трещиностой-кость может оказаться решающим фактором.

Представленная в [3] и адаптированная к современным нормативам методика расчета прикладываемой нагрузки Р (из условия отсутствия трещин) может быть определена по следующей зависимости:

где, в отличии отпредыдущей формулы, Ь - средняя толщина наклонной стенки оголовка, а h- его высота.

Анализ данной формулы показывает, что недостаточная трещиностойкость оголовка возникает из-за низкой прочности бетона на растяжение причем если в преды-

дущее время эта проблема была практически неразрешимой, то сейчас бетон нового поколения, в частности сталефибробетоны [4, 5], имеет существенно более высокую прочность на растяжение й--:,г,., »R^^^, что обеспечивает не только повышенную трещиностой-кость, но и другие, связанные с ней, параметры долговечности данного изделия (морозостойкость, коррозионная стойкость и др.).

Следовательно, применение сталефибробетонов в производстве опорных оголовков типа «колокол» в силу их незначительного объема практически не скажется на увеличении общей стоимости транспортной эстакады на сваях-колоннах, но при этом позволит существенно повысить долговечность и эксплуатационную надежность всего сооружения, вдохнув тем самым «новую жизнь» в практическую реализацию этой прогрессивной конструкции.

Статья поступила 23.12.2015 г.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Недосеко И.В., Григорьева Ю.Б., Струговец М.И. Перспективы использования проектно-конструкторских и технологических решений для опорных конструкций транспортных эстакад при прокладке надземных технологических трубопроводов // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2014. № 1. С. 12-13.

2. Григорьева Ю.Б., Кузнецов А.А., Недосеко И.В. Использование свай-колонн с опорными оголовками типа «колокол» при строительстве транспортных эстакад // Промышленное и гражданское строительство. 2014. № 10. С. 65-68.

3. Бабичев З.В., Готман А.Л.Рекомендации по проектированию и устройству безро-стверковых свайных фундаментов для бескаркасных крупнопанельных зданий. Уфа: НИИпромстрой, 1982. 60 с.

4. Калашников В.И., Ананьев С.В. Высокопрочные и особовысокопрочные бетоны с дисперсным армированием // Строительные материалы. 2009. № 6. С. 59-62.

5. Трещиностойкость высокопрочного фибробетона / В.С. Демьянов, Н.И. Макри-дин, Е.Ю. Миненко, А.С. Мишин // Жилищное строительство. 2003. № 11. С. 8.

6. Шевцов Д.А. Усиление железобетонных конструкций композиционными материалами // Промышленное и гражданское строительство. 2014. № 8. С. 61-65.

7. Кузнецов А.А., Григорьева Ю.Б. Методический подход к оценке надежности оснований и фундаментов объектов магистральных трубопроводов // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. 2011. № 2. С. 40-43.

REFERENCES

1. Nedoseko I.V., Grigor'eva Iu.B., Strugovets M.I. Perspektivy ispol'zovaniia proektno-konstruktorskikh i tekhnologicheskikh reshenii dlia opornykh konstruktsii trans-portnykh esta-kad pri prokladke nadzemnykh tekhnologicheskikh truboprovodov [Perspectives of the use of project, constructor and technological solutions for supporting structures for transport trestles during laying over road technological pipes]. Transport i khranenie nefteproduktov i uglevodorodnogo syr'ia - Transport and storage of oil and carbon dioxide products, 2014, no. 1, pp. 12-13.

2. Grigoryeva Yu.B., Kuznetsov A.A., Nedoseko I.V. Ispol'zovanie svai-kolonn s opornymi ogolovkami tipa "kolokol" pri stroitel'stve transportnykh estakad [The use of piles-columns with support caps of a "bell" type in construction of transport overpasses] // Pro-myshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo - Industrial and civil engineering, 2014, no. 10, pp. 6568.

3. Babichev Z.V., Gotman A.L. Rekomendatsii po proektirovaniiu i ustroistvu bezrost-verkovykh svainykh fundamentov dlia beskarkasnykh krupnopanel'nykh zdanii [Recommenda-

tions in the design and organization of pile foundations without frameworks for large panel buildings without framework]. Ufa, Nllpromstroi Publ., 1982. 60 p.

4. Kalashnikov V.I., Anan'ev S.V. Vysokoprochnye i osobovysokoprochnye betony s dispersnym armirovaniem [High endurance concrete and concrete with particularly high endurance with dispersed reinforcement]. Stroitel'nye materialy - Building materials, 2009, no. 6, pp. 59-62.

5. Dem'ianov V.S., Makridin N.I., Minenko E.Iu., Mishin A.S. Treshchinostoikost' vy-sokoprochnogo fibrobetona [Cracking resistance of high-endurance fibrous concrete]. Zhil-ishchnoe stroitel'stvo - Residential development, 2003, no. 11, pp. 8.

6. Shevtsov D.A. Usilenie zhelezobetonnykh konstruktsii kompozitsionnymi materialami [Strengthening of reinforced concrete structures with fiber reinforced composites]. Promyshlen-noe i grazhdanskoe stroitel'stvo - Industrial and civil engineering, 2014, no. 8, pp. 61-65.

7. Kuznetsov A.A., Grigoryeva Yu.B. Metodicheskii podkhod k otsenke nadezhnosti os-novanii i fundamentov ob"ektov magistral'nykh truboprovodov [Methodological approach to the evaluation of reliability of main pipelines facility foundations]. Nauka i tekhnologii trubopro-vodnogo transporta nefti i nefteproduktov - Science and technologies of pipe transport of oil and oil products, 2011, no. 2, pp. 40-43.

Информация об авторах

Григорьева Юлия Борисовна, ведущий научный сотрудник, e-mail: xotteu@mail.ru, ООО «НИИтранснефть», 117186, Россия, г. Москва, Севастопольский проспект, 47а.

Кильдибаев Ринат Салаватович, инженер, e-mail: rbstroi@mail.ru, Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450062, Россия, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

Недосеко Игорь Вадимович, доктор технических наук, профессор кафедры «Строительные конструкции», e-mail: nedoseko1964@mail.ru, Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450062, Россия, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

Шакирова Эльвира Венеровна, кандидат политических наук, доцент кафедры «Нефтегазовое дело», e-mail: viva160@mail.ru, Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова 83.

Information about the authors

Grigorieva I.B., leading research associate, e-mail: xotteu@mail.ru, LLC «RDEtrans-neft», 47a Sevastopolskii prospect, Moscow, 117186, Russia.

Kildibaev R.S., engineer, e-mail: rbstroi@mail.ru, Ufa State Petroleum Technological University, 1 Kosmonavtov St., Ufa, Republic of Bashkortostan, 450062, Russia.

Nedoseko I.V., doctor of technical sciences, professor, Department of building constructions, e-mail: nedoseko1964@mail.ru, Ufa State Petroleum Technological University, 1 Kosmonavtov St., Ufa, Republic of Bashkortostan, 450062, Russia.

Shakirova E.V., candidate of political Sciences, associate professor of the Department of Oil and Gas Business, e-mail: viva160@mail.ru, Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.