Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Общая характеристика работы 6
1.1 Тенденция развития конструкции 6
1.2 Классификация существующих конструкций 9
1.3 Выводы по главе 1 12
Глава 2 Разработка конструкции сварных панелей 16
2.1 Обоснование формы поперечного сечения 16
2.2 Аналитическое исследование зависимости металлоёмкости шпунтовой стены от параметров формы сечения панелей 19
2.3 Обоснование требований к параметрам формы сечения, построение сортамента панелей 49
2.4 Разработка конструкции замкового соединения, исследование геометрии его сечения 50
2.5 Выводы по главе 2 56
Глава 3 Разработка технологии изготовления и освоение производства панелей 58
3.1 Исследование свойств сварных соединений 58
3.2 Опытные работы по предотвращению остаточных сварочных деформаций 73
3.3 Обоснование технологии производства с рациональным размещением технологического оборудования 76
3.3.1 Расчёт требуемой производительности 76
3.3.2 Разработка технологического процесса изготовления сварных панелей 79
3.4 Выводы по главе 3 82
Глава 4 Исследование несущей способности элементов, узлов и соединений 83
4.1 Теоретическое исследование несущей способности панелей при воздействии односторонней поперечной распределённой нагрузки 83
4.2 Экспериментальные исследования фрагментов панели на воздействие поперечной нагрузки 98
4.2.1. Цель и задачи 98
4.2.2. Методика и результаты экспериментальных исследований 98
4.2.3. Сравнительный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований 106
4.3 Испытания опытных образцов панелей и их элементов 108
4.4 Выводы по главе 4 117
Глава 5 Практический опыт применения шпунтовых панелей на строительстве мостов 119
5.1 Объекты и объёмы применения 119
5.2 Примеры применения панелей ПШС на стройках 119
5.3 Выводы по главе 5 123
Глава 6 Технико-экономический анализ 124
6.1 Преимущества панелей ПШС на стройплощадке 124
6.2 Выводы по главе 6 128
Основные выводы 128
Список использованной литературы 132
- Аналитическое исследование зависимости металлоёмкости шпунтовой стены от параметров формы сечения панелей
- Опытные работы по предотвращению остаточных сварочных деформаций
- Сравнительный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований
- Примеры применения панелей ПШС на стройках
Введение к работе
Актуальность темы. При строительстве мостов, транспортных тоннелей, автомобильных и железных дорог широко применяют ограждения из стального шпунта. Это прогрессивные и перспективные конструкции, требующие, однако, дальнейшего совершенствования с целью улучшения технико-экономической эффективности. Один из путей этого заключается в создании сварных шпунтовых элементов увеличенной ширины и более высокой несущей способности - шпунтовых панелей с разработкой технологии их массового производства. При этом особое значение в условиях Российской Федерации приобретает освоение надёжных, экономичных и технологичных шпунтовых панелей обычного и северного А и Б исполнений (по определению п. 4.1 СНиП 2.05.03 - 84* «Мосты и трубы») с широкой номенклатурой по несущей способности. Ранее применявшийся шпунт не отвечает этим требованиям.
Целью работы является создание надёжных в эксплуатации, технологичных в изготовлении и в строительстве, экономичных по расходу стали конструкций шпунтовых панелей и эффективной технологии их изготовления. Для достижения цели сформулированы и решены следующие задачи:
обоснование параметров формы поперечного сечения и сортамента панелей;
аналитическое исследование зависимости удельной металлоемкости шпунтовой стены от параметров формы поперечного сечения панелей;
обоснование по результатам теоретических и экспериментальных исследований конструкции замкового соединения панелей;
исследование физико-механических и сварочно-технологических свойств сварных соединений с выявлением факторов, влияющих на образование остаточных сварочных деформаций;
разработка технологии производства панелей с предложениями по рациональному размещению технологического оборудования;
обоснование необходимой несущей способности панелей при воздействии технологических и эксплутационных нагрузок;
оценка технико-экономической эффективности результатов работы. При выполнении диссертационной работы использованы современные теоретические и экспериментальные методы исследования (схема 1).
Теоретические методы:
информационно-поисковые системы для сбора и обобщения данных по теме диссертации;
методы строительной механики и теории упругости для оценки напряженно-деформированного состояния конструкции;
методы математической статистики обработки результатов исследования.
Экспериментальные методы:
тензометрия напряженно-деформированного состояния образцов проката, сварных соединений и натурных фрагментов конструкции;
акустические методы оценки внутренних дефектов;
химический анализ металла;
металлографический метод оценки структуры металла;
научно-обоснованные приёмы предотвращения сварочных деформаций.
Системный подход, обобщение и анализ информационных источников
Методы строительной механики и теории упругости
Методы математического анализа при обосновании формы
сечения
Методы математической статистики обработки результатов
Технический осмотр с инструментальными измерениями
Акустический
На растяжение
На изгиб
Комбинированный (растяжение +изгиб)
На твёрдость
На ударный изгиб образцов
На ударные воздействия при погружении панели
Научная новизна. Разработаны комплексные методы оптимизации конструктивно-технологических решений сварных шпунтовых панелей с учётом их напряженно-деформированного состояния при взаимодействии с геомассивами и передающимися через них постоянными и временными нагрузками и воздействиями.
Установлены закономерности образования сварочных деформаций при изготовлении шпунтовых панелей и научно обоснованы технологические способы предотвращения этих деформаций.
Уточнены критерии предельных состояний и методы расчетных проверок прочности и местной устойчивости шпунтовых панелей в сложном напряженном состоянии при работе в составе шпунтового ограждения.
На разработанную конструкцию панелей и их замковых соединений получены патенты РФ № 2103442 и № 2151236, что свидетельствует о новизне работы.
Практическая значимость Разработаны и внедрены в мостостроении и на других объектах транспортного строительства новые научно-обоснованные конструкции шпунтовых ограждений, сварные соединения и замковые конструкции для шпунта обычного и северного А и Б исполнений. Сварное исполнение панелей позволило для каждого заданного значения их несущей способности принимать рациональные по расходу металла размеры поперечного сечения, а увеличение ширины шпунтовых элементов обеспечило высокие темпы возведения стен, что способствует ускорению строительства объектов. Разработана эффективная технология изготовления сварных шпунтовых панелей ПШС, обеспечивающая их высокие потребительские свойства. На ЗАО «Курганстальмост» освоено их производство в заданных объёмах.
Реализация результатов работы. Панели ПШС применены для сооружения водозащитных шпунтовых ограждений русловых опор мостовых переходов через реки Б. Обь в г. Сургуте, Иртыш в г. Омске, Кама в г. Перми, Тура в г. Верхнетуринске, а также струенаправляющих дамб мостового перехода через реку Кама у с. Сорочьи Горы и на других транспортных сооружениях.
Результаты работы автора отражены в Отчёте о научно-исследовательской работе ОАО ЦНИИС, индекс работы - ГС 99/2000-9182, в ТУ 5264-006-01393674-01 «Панели шпунтовые сварные» а также в проекте СТП «Правила производства работ по строительству шпунтовых стен из панельного сварного шпунта ПШС» АО «Корпорация «ТРАНССТРОЙ».
Вопросы, выносимые на защиту.
1. Методы оптимизации конструктивно-технологических решений сварных
шпунтовых панелей с учётом напряженно-деформированного состояния при взаимо
действии с геомассивами и передающимися через них постоянными и временными
нагрузками и воздействиями.
2. Научные основы технологии изготовления и освоения производства пане
лей и новые данные, вытекающие из практического опыта применения панелей при
строительстве мостов.
3. Результаты экспериментальных исследований потребительских свойств
стального проката, сварных соединений и замков шпунтовых панелей обычного и
северного А и Б исполнений.
4. Критерии предельных состояний и методы расчетных проверок прочности и
местной шпунтовых панелей.
Достоверность применяемых методов исследования подтверждается:
корректностью их исходных предпосылок;
достаточной для практических целей качественной и количественной корреляций результатов численных и экспериментальных исследований;
- положительным опытом использования новых шпунтовых панелей в мостострое
нии и других отраслях транспортного строительства.
Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на секции «Строительство и реконструкция искусственных сооружений (мосты, путепроводы виадуки и т. д.)» Учёного Совета ОАО ЦНИИС в 2003-2006 годах, на Техническом Совете ЗАО «Курганстальмост» в 2002-2006 годах и отражены в 8 публикациях.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы и приложений, изложена на 127 страницах, содержит 82 рисунка и 31 таблицу.
Аналитическое исследование зависимости металлоёмкости шпунтовой стены от параметров формы сечения панелей
Сопоставим далее основные размеры профилей.для стен минимальной металлоёмкости: профилей переменной ширины по таблице 2.4 и профилей фиксированной ширины 40, 60 и 80 см с рисунка 2.19. Эти сопоставления представлены на рисунках 2.20-2.23. В рассмотренном диапазоне значений удельного момента сопротивления стен фиксированная ширина и толщина стенки профилей рисунка 2.19 соответственно совпали с размерами профилей таблицы 2.4 только в стене с wcm = 30 см3/см. Здесь ширина Ь - 80 см, толщина стенок tw = 1 см, очень близкими оказались высота профилей, ширина их полок и угол наклона стенок. Это означает, что для стен с моментом сопротивления wcm = 30 см /см профили шириной Ъ = 80 см с толщиной стенок 1 см (все производные размеры отражены зелёной линией на графиках 2.20, 2.22, 2.23 и приведены в таблице 2.6) являются идеальным по удельной металлоёмкости решением.
Для стен с иным моментом сопротивления, как большим, так и меньшим по отношению к wcm = 30 см3/см, применение профилей с фиксированными размерами b = 80 см, tw = 1 см повышает удельную металлоёмкость стен по сравнению со стенами из профилей переменной ширины (таблица 2.4). Рост расхода стали тем больше, чем больше разность между значениями момента сопротивления стены.
Что касается профилей с фиксированными размерами Ъ = 60 см, Ь - 40 см и tw = 1 см, то эти их размеры с соответственными размерами профилей таблицы 2.4 в стенах рассмотренного диапазона значений момента сопротивления нигде не совпадают, и металлоёмкость стен из профилей шириной 60 см заметно выше, а из профилей шириной 40 см значительно выше, чем стен из профилей таблицы 2.4 (см. рис. 2.11, 2.12).
Таким образом, полученное решение задачи о параметрах профилей фиксированной ширины для стен минимальной металлоёмкости предоставляет возможность при разработке производственного сортамента шпунтовых профилей осуществлять обоснованный выбор их ширины и толщины стенок, принимая во внимание, как требования технологичности, так и показатель металлоёмкости образуемых стен. Практически конструирование и освоение профилей шириной 60-90см взамен применяемых ныне шириной 40-50см позволяет сократить удельный расход стали в шпунтовых стенах на 10-20 %.
Вышеизложенные результаты исследования дали основание для разработки производственного сортамента шпунтовых панелей, что имеет большое практическое значение для проектирования и строительства мостов, тоннелей и других транспортных сооружений. При выполнении этой работы исходили из того, что при выборе шпунта потребитель будет руководствоваться, в первую очередь, показателем несущей способности шпунтовой стены, которую можно собрать из данных профилей, а также её технологичностью при строительстве. Поэтому ключевым столбцом базовой таблицы сортамента, определяющим последовательность расположения её строк, приняли шкалу значений удельного момента сопротивления шпунтовой стены, и построили таблицу по той же форме, что и при расчёте параметров профилей для стен минимальной металлоёмкости (таблица 2.6).
Далее исходили из того, что потребителю следует предоставить возможность широкого выбора, для чего под каждое из значений шкалы моментов сопротивления предложить группу из 3-5 профилей, равных по показателю несущей способности стены, но различающихся своими размерами. Такие группы целесообразно сформировать из профилей, параметры которых определены в разделе 2.2 в результате решения задачи о профилях фиксированной ширины для стен минимальной металлоёмкости (таблица 2.6 и приведённая в приложении №1 полная таблица таких профилей). Входящие в группу профили должны различаться между собой своей шириной и толщиной стенки. В состав группы следует включать профили, имеющие возможно меньшие показатели удельной металлоёмкости при данном моменте сопротивления стены. Толщина стенок и полок профилей, включаемых в базовую таблицу сортамента, должна быть стандартной толщиной полосового проката. Поэтому полученные в разделе 2.2 расчётные значения толщины полок необходимо скорректировать. Изменение толщины полок влечёт за собой определённую корректировку и остальных параметров профиля. Целью такой корректировки является сохранение показателя удельного момента сопротивления стены при переходе на стандартную толщину элементов профиля. Для проведения корректировки повторяли расчёт параметров профиля по методике, изложенной в разделе 2.2 (вариант 2), и в процессе расчёта, варьируя значения аргумента Ь/, подбирали профиль с полкой стандартной толщины. По откорректированным размерам профиля вычислялись удельные значения расхода стали на шпунтовую стену.
Сформированная на основе изложенных в настоящем разделе требований базовая таблица производственного сортамента шпунтовых панелей представлена в приложении №2. Для сварных шпунтовых панелей была принята конструкция замкового соединения по патенту РФ № 2103442, одним из авторов которого является диссертант. Схема этого замкового соединения приведена на рисунке 2.4.1. Образующие такое соединение замки - кулачок и обойма технологичны в изготовлении. Конструкция соединения вошла в ТУ 5264-004-01363974-96 на опытную партию панелей и осуществлялась в их производстве. Сертификационные испытания замковых соединений показали их высокую прочность (методика и результаты прочностных испытаний замковых соединений изложены в главе 4).
Опытные работы по предотвращению остаточных сварочных деформаций
Все расчетные операции ориентированны на использование программы Shpunts, адаптированной специально для этой цели и содержащей приведенные выше расчетные схемы и условия расчета (техническое задание на разработку программы подготовлено диссертантом совместно с Л.Н. Лосевым, программа разработана С.Н. Назаренко).
Поставленную задачу решали методом конечных элементов. Расчётная схема включала 400 конечных элементов - стержней, располагаемых по оси элементов рамы и разделённых узловыми точками (всего 401 узловая точка).
Расстояние между узловыми точками (длина конечных элементов) горизонтальных элементов рамы bf/ЮО, наклонных элементов lw/100. Горизонтальные элементы 0-1 и 4-5 содержат по 50 конечных элементов, остальные элементы рамы - по 100 конечных элементов.
В промежуточные узловые точки по длине элементов передавали сосредоточенные вертикальные усилия ву \, где в] - проекция длины отдельного конечного элемента на горизонталь. В промежуточные узловые точки передавали также сосредоточенные горизонтальные усилия, равные e/qgy, отражающие горизонтальную составляющую давления грунта, действующего в ячейке панели на её наклонные стенки. Оценку угла у, который задавали в составе исходной информации, получили в результате проведенных натурных испытаний фрагментов панели на воздействие односторонней распределенной поперечной нагрузки (см. раздел 4.2 настоящей главы). Усилия, передаваемые в крайние узловые точки (точки 0, 1,2, 3, 4, 5), определяли с учетом проекций длины примыкающих к данной точке конечных элементов.
В результате расчетов определяли: компоненты перемещения Ах;, Ауі и угол поворота фі сечения в узловых точках, а также изгибающие моменты MHj и MKj соответственно в начале и конце каждого конечного элемента, нормальную N; и поперечную Q; силы с каждом элементе. Далее строили эпюры усилий и перемещений в раме и проверяли условия прочности. Расчётную проверку прочности проводили в сечениях по концам и в середине конечных элементов (в 801 сечении).
Изложенную методику расчета применили для оценки способности панелей сохранять форму поперечного сечения под воздействием односторонней нагрузки, определения предельного значения этой нагрузки, отвечающего условию 4.1, а также для исследования зависимости несущей способности панелей при таком загружении от параметров формы сечения.
В расчетах фиксировали усилия и перемещения от предельной нагрузки в ключевых сечениях расчётной схемы.
Признак достижения нагрузкой предельного значения приняли на основе сопоставления результатов натурных испытаний фрагментов панели с результатами расчёта фрагментов по изложенной методике. Предельной считали нагрузку, при которой в расчётной схеме, хотя бы в одном из элементов 1-2, 2-3 и 3-4, фиксировали появление сечения (или симметрично расположенных сечений), в котором нормальные напряжения о, тах начинали отвечать условию 4.1. Рассматривали при этом сечения, расположенные за пределами площади конструктивных узлов соединения полки и стенки панели в крайних угловых точках 1-4.
Исследовали работу панелей для стен с удельным моментом сопротивления от 500 до 8000 см3/м, изменяя его с шагом 500 см3/м.
В целях проведения исследования для каждого из значений момента сопротивления стены конструировали группу из 30 - 40 профилей, образующих такую стену, но различающихся своими параметрами. В эту группу включали профили панелей минимальной удельной металлоёмкости из приложения №2, а также дополнительно ряд профилей большей металлоёмкости.
Конструирование профилей основано на следующих предпосылках. Априорно было ясно, что предельная нагрузка на профили будет зависеть от их формы и размеров, и следовательно, в состав параметров, определяющих эту нагрузку войдут: ширина Ь и высота h профиля, ширина bf и толщина tf его полки, ширина lw и толщина tw его стенки. Учитывая многовариантность решений, возможных при конструировании профилей, перечисленные параметры разделили на 2 группы. Первую из них составили параметры, которые решено было задавать, сюда по технологическим соображениям включили параметры Ъ и tw, а также отношения v = t/bf иц = twllw, задавая ими жёсткость полки и стенки. В этом случае для размеров h, bf и tf, составивших вторую группу, оставалось единственное решение, определявшееся из условия получения требующегося момента сопротивления стены.
Исследование проводили, рассчитывая для законструированных профилей предельную нагрузку. Полностью результаты расчётов, в которых панели полагали выполненными из стали с расчётным сопротивлением Ry = 335-315 МПа (в зависимости от толщины проката) приведены в приложении № 5.
В расчётах были зафиксированы 2 возможных варианта исчерпания профилем несущей способности. Предельное состояние по прочности наступало в профиле либо в случае, когда конечный элемент, нормальные напряжения в котором достигали предела, выражаемого условием 4.1, находился в стенке профиля, либо в случае, когда такой конечный элемент находился в полке. На графиках рисунков 4.2 4.4 и 4.8, на которых приведены примеры выявленных зависимостей предельной нагрузки на профили от их параметров, точками оранжевого цвета обозначены профили, несущая способность которых определилась прочностью стенки, а точками синего цвета - профили, несущая способность которых определилась прочностью полки.
Переходя к характеристике и оценке степени влияния задаваемых параметров на несущую способность профилей, прежде всего следует отметить большую зависимость несущей способности от ширины b профилей. Предельное воспринимаемое давление с увеличением ширины профиля чаще всего падает (при сохранении прочих задаваемых параметров неизменными).
Сравнительный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований
Уже более века в конструкциях подпорных стен, в том числе в мостовых сооружениях, используют стальной шпунт. Он выдержал испытание временем и сегодня наиболее эффективен в сравнении со шпунтом железобетонным. Отсутствие производства современного стального шпунта в нашей стране долгое время тормозило техническое развитие транспортного строительства.
Проекты сооружений с использованием панелей ПШС разрабатывались институтами СоюзморНИИпроект, Гипроречтранс, Сибречпроект, Гипростроймост, Ленморниипроект. К настоящему времени, начиная с 1996 г, мостостроительными организациями Сургута, Тюмени, С.-Петербурга, Омска, Перми, Ростова, Екатеринбурга, Лабытнанги, Москвы, Вологды, Калининграда, Ханты-Мансийска, Салехарда, Надыма применено более 38 тыс. тонн шпунтовых панелей.
Опыт применения панельного шпунта ПШС на различных строительных объектах в разных грунтовых и климатических условиях лег в основу разработки институтом ЦНИИС отраслевого стандарта (СТП) на производство работ по строительству шпунтовых стен из панельного сварного шпунта ПШС. В СТП регламентированы работы по транспортировке, складированию, подготовке к погружению, разработана методика по выбору погружающих механизмов и режимов их работы в зависимости от характеристик грунтов, длины шпунтовых панелей и площади их поперечного сечения, а также уделено внимание вопросам техники безопасности и охраны окружающей среды.
Изложим опыт применения сварных шпунтовых панелей в качестве конструкции шпунтового ограждения при сооружении в феврале 1997 г. фундамента опоры № 7 мостового перехода через реку Большая Обь в г. Сургуте. Мостовой переход длиной 2109,93 м запроектирован по схеме 148 + 408 + 4x132 + 7x132 +56_ под две полосы движения на автомагистрали Тюмень - Сургут - Тобольск - Уренгой с целью ликвидации единственного на этой дороге участка с сезонным режимом работы - паромной переправы через реку Большая Обь. Работы по ограждению котлована, как и сооружение всей опоры, выполняла ТФ «Мостоотряд № 80». Применение сварных шпунтовых панелей было обусловлено в первую очередь отсутствием и большой сложностью приобретения шпунта других марок. Для данного строительства по заказу МС 11 ЗАО «Курганстальмост» изготовило сварные шпунтовые панели марки ПШС 50/100- 3000 длиной 17,4 общей массой 195 тонн, материал - сталь 15ХСНД по ГОСТ6713-91 «Прокат низколегированный конструкционный для мостостроения» отличающуюся высокими механическими характеристиками и коррозионной стойкостью именно для условий Сургута. Несомненным достоинством панелей ПШС было то, что не потребовалась стыковка по длине, так как ЗАО «Курганстальмост» изготовило шпунтовые панели длинной оговоренной в заказе.
Погружение панелей производили вибропогружателем VB - 45 японской фирмы «Кэнте Кобэ», оборудованным специальным наголовником. Ограждение длиной 64,5 м по периметру было сооружено за 6 дней. Шпунтовое ограждение из панелей ПШС оказалось практически водонепроницаемым благодаря герметичности замков, котлован был совершенно сухим, что позволило производить в нем работы с минимальными затратами энергетических и материальных ресурсов. Благодаря применению панелей ПШС опора № 7 была сооружена в заданные сроки. Панели ПШС 50/100-3000 были применены также в конструкции шпунтового ограждения при сооружении опоры № 3 реконструированного автодорожного моста через реку Быстрый Культ-Ягун.
Рассмотрим ещё один пример применения панелей ПШС для строительства шпунтового ограждения при возведении фундамента русловой опоры № 4 совмещённого метромоста ч/р. Иртыш в г. Омске. Мостовой переход выполнен по схеме: 108 + 3 х 144 + 108.
В феврале 1999 года технической службой МО 63 (ОАО Омскстроймост) было принято решение - при возведении ограждения опоры № 4 вместо шпунта Ларсен 5 использовать сварные шпунтовые панели ПШС 45/150-2130 длиной 14,6 м. Периметр котлована 99.3 м, общая потребность панелей ПШС 200.5 т, а шпунта Ларсен 5 потребовалось бы 347,5т с дополнительными затратами на стыковку по длине. Забивка панелей ПШС производилась со льда после разбивки и закрепления на местности продольных осей шпунтового ограждения. Наборку стены вели при помощи двухъярусного направляющего каркаса, установленного на льду (рисунок 5.2).
Он обеспечивал при погружении вертикальность и прямолинейность шпунтового ряда и одновременно служил подмостями при заводке панелей в замок. Панели плавкраном, вмёрзшим в лёд и оснащенным электрическим вибропогружателем В-402, подавали в направляющий каркас и вибропогружателем заглубляли их в грунт до тех пор, когда голова погружаемой панели достигала отметки на 1,5 м выше верхнего яруса направляющего каркаса. Под действием вынуждающей силы вибропогружателя панели хорошо проходили через 80 сантиметровую толщу льда с углублением до 2,5 метров в песок мелкий средней плотности.
Замыкание ограждения котлована осуществлялось в следующей очерёдности операций: предпоследнюю панель, пройдя слой льда, поставили на грунт, а первую панель извлекли и оставили стоящей на фунте, измерив расстояние между осями замков первой и предпоследней панелями (оно оказалась 1750 вверху и 1700 мм внизу), двумя талрепами стянули эти шпунтины, зафиксировав расстояние между ними 1500 мм. и завели в замки последнюю замыкающую шпунтовую панель. Добивку панелей до проектной отметки производили трубчатым дизель-молотом с массой поршня 2,5 м в подвесной направляющей с применением плавкрана (рисунок 5.3)
Примеры применения панелей ПШС на стройках
Применение панельного шпунта для ограждения котлованов при строительстве опор мостов позволяет увеличить производительность труда при погружении шпунта в 2 - 2.5 раза за счёт увеличения ширины панели, сокращая при этом количество циклов выполняемых технологических операций по подъёму панели, заводке в замок и опусканию её под собственным весом до грунта.
Отпадает необходимость стыковки по длине, т.к. ЗАО «Курганстальмост» поставляет шпунтовые панели длинной оговоренной в заказе. По данным строительных организаций затраты на стыковку по длине колеблются от 490 до 580 рублей за 1 тонну стыкуемого шпунта.
За счёт ширины панели и правильно рассчитанных зазоров в замках исключается наклон (веерность) шпунтовых элементов в плоскости шпунтовой стены. По данным ОАО трест «Севзапморгидрострой» при погружении 436 шт. (1656 тн.) шпунтовых панелей ПШС 45/150-3245-14 веерности не наблюдалось.
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 см /м группы из 3 - 5 профилей различной ширины для каждого из сортаментних 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 /„, и отношения толщины к ширине полки v = t/bf и стенки ц = tjiw. Установлено при этом, что на несущую способность профилей данной ширины Ъ 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 \1 = 0,029, V = 0,022) из стали класса прочности 345 на воздействие бокового давления до 309 тс/м2, 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.
