министерство
строительства предприятий
нефтяной и газовой промышленности
Всесоюзный
научно-исследовательский институт
по строительству магистральных трубопроводов
ВНИИСТ
РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО РАСЧЕТУ ВЕТРОВЫХ ТРОСОВ
В ВИСЯЧИХ И ВАНТОВЫХ ТРУБОПРОВОДНЫХ ПЕРЕХОДАХ
Р 549-84
Москва 1985
Настоящие
Рекомендации содержат методику учета, действия ветровой нагрузки при
проектировании висячих трубопроводных переходов. Рекомендации разработаны в
развитие действующих нормативных документов на основе теоретических и
экспериментальных исследований, проведенных Всесоюзным научно-исследовательским
институтом по строительству Магистральных трубопроводов (ВНИИСТом) Грозненским
нефтяным институтом (ГНИ), и обобщения имеющегося опыта проектирования
различных сооружений.
Рекомендации
составлены кандидатами технических наук: В.В. Спиридоновым (ВНИИСТ, отдел
трубопроводов, сооружаемых в особых условиях) и Л.А. Луневым. (Грозненский
нефтяной институт.
Рекомендации предназначены для специалистов
проектных и научных организаций, а также для работников, занятых на
строительстве трубопроводов.
Содержание
1.1
Настоящие Рекомендации распространяются на проектирование висячих и вантовых
трубопроводных переходов (а именно расчет их на действие статической и
динамической нагрузок ветра).
1.2
Модель воздействия ветра принимается в виде стационарного однородного процесса;
1.3
Ветровая нагрузка q действующая на
конструкции перехода, определяется как сумма - статической
составляю щей, соответствующей усредненному скоростному напору, и - динамической
составляющей, вызываемой пульсациями скоростного напора ветра.
1.4
Динамическая составляющая ветра должна учитываться в конструкциях с периодом
колебаний более 0,25 с [1].
1.5
Явление аэродинамической неустойчивости не рассматривается.
2.1.
Нормативную ветровую нагрузку , действующую на конструкции трубопроводных переходов,
определяют по формуле:
|
(1)
|
где q0 - скоростной напор
ветра, принимают по СНиП II-6-74 [1] или по формуле
|
(2)
|
где
αn = 0,75 + S/V
поправочный коэффициент, принимаемый не более единицы;
V - скорость ветра;
Cх - аэродинамический коэффициент, принимаемый по
данным аэродинамических испытаний.
2.2.
Расчетную ветровую нагрузку находим по формуле
|
(3)
|
где
n - коэффициент перегрузки;
d - диаметр трубы.
2.3. Уравнение изогнутой оси
трубопровода определяют по формуле
|
(4)
|
где ξ=X/l
l - пролет трубопровода;
X - расстояние от левой опоры трубопровода до
сечения X;
А - определяют из
уравнений, указанных ниже, для различных конструкции трубопроводных переходов.
2.4. Висячий трубопроводный переход с
ветровыми оттяжками
где .
li - длина хорды провисания
i-й стяжки;
βoi -
угол наклона оттяжки;
μ,
Vn, Р - линейная плотность, скорость и
давление внутреннего потока;
αТ - коэффициент линейного расширения трубы;
Δt
- приращение температуры;
H0i -
первоначальный распор в i-й оттяжке;
αK -
вылет компенсатора;
fi - стрела провисания
ветрового i-го троса;
qв - масса трубопровода с
продуктом транспортирования;
h - расстояния от оголовка
троса до оси трубопровода;
l - пролет трубопровода.
Распоры
в i-x оттяжках в наветренных и заветренных тросах:
2.5.
Висячий трубопроводный
переход с ветровыми фермами
где fT - стрела подъема ветрового троса в середине
пролета;
Н0 - распор в тросе от
предварительного напряжения:
βТ - угол наклона оттяжки;
EF - жесткость ветровых
трос о, в при растяжении;
- пролет трубопровода;
hоT -
высота консоли оттяжки.
Распоры
в наветренных и заветренных тросах:
|
(10)
|
|
(11)
|
где - боковое смещение
трубопровода в середине пролета, равное A/16
|
|
|
(12)
|
где
n= (0,9 - 0,6), берется в зависимости от остаточного
предварительного напряжения в заветренных тросах.
3.1. Максимальное смещение трубопровода в сечении Х определяется
по формуле
|
(13)
|
где
- прогиб трубопровода
при действии статической ветровой нагрузки, определяемой пп. 2.3,
2.4;
КТ - число стандартов,
принимаемое по СНиП II-6-74;
Duj - дисперсия смещения
трубопровода, определяемая по формуле
|
(14)
|
где S(ω) - нормированная
спектральная плотность ветра;
|
(15)
|
- средняя часовая скорость ветра на высоте 10
м;
ωj - частота;
m - масса трубы с продуктом транспортировки;
K0 - коэффициент
шероховатости подстилающей поверхности, принимаемый в первом приближении для
водной поверхности реки 0,003-0,004;
|
(16)
|
λ1 = 4,73: λ2 = 7,85; λ3
= 10,99; λj > 4 = (2j+1)π/2
α1 = 1,0178; α2 = 0,99922; α3
= 0,999; αi > 3 = δ
δ - логарифмический декремент конструкции
перехода.
3.2. Квадрат круговой
частоты висячего трубопроводного перехода с ветровыми оттяжками
|
(17)
|
где Zj(ξi) - функция Z
при
фиксированном значении ξi в местах прикрепления i-й
оттяжки;
l - пролет трубопровода.
3.3. Квадрат круговой частоты висячего
трубопроводного перехода с ветровыми фермами
|
(18)
|
где
3.4 Распор
в ветровых тросах с учетом динамического воз действия ветра определяем по
формулам (6) - (8), (10) - (12) с по мощью подстановки нового значения U
(т.е, Umax).
ПРИЛОЖЕНИЯ
Параметры
перехода:
трубопровод
377×12 мм,
l = 130
м,
P = 6 МПа,
q = 450 Па,
диаметр
тросов 19 мм,
жесткость
тросов EF = 2,65·107 Па,
угол
наклона коротких оттяжек 28°30'
длинных
47°20'
αK = 600
см (рис. 1, 2)
Рис. 1. Схема висячего перехода в вертикальной
плоскости
Определяем
А по формуле (5)
;
А=143,3
см
;
.
Рис. 2. Схема висячего перехода (в плане) с
вантовыми ветровыми тросами
;
;
НН1=581+349,6-107,8=892,8
кг
;
;
НН2=651+320,4-47,16=924,27
кг;
;
;
;
;
;
.
Найдем
распор в длинных наветренных оттяжках как самых напряженных с учетом
динамического воздействия:
Н2=Н0+ΔНН2-ΔННt=651+869,2-47,16=1473,05
кг
Разрывное
усилие в канате 19450,0 кгс. В настоящее время для ветровых тросов коэффициент
запаса прочности по рекомендациям [2]
составляет:
1:(γcγкК/γuγmγn)=1:(1,05×0,95×0,85/1,3×1,2×1,1)=1:0,494=2,02
где
γс - коэффициент общих условий работы канатного элемента;
γк - коэффициент условий работы, учитывающий
влияние на прочность каната местных концентраторов напряжений;
К - коэффициент
агрегатной прочности каната; |
γu - коэффициент надежности для элементов конструкций,
рассчитываемых по временному сопротивлению разрыва;
γn - коэффициент надежности по назначению.
Фактический
запас прочности составляет К = 19450,0/1473 = 13. Таким образом, сечение
троса назначают с большим запасом прочности.
Параметры
перехода следующие:
630×8
мм,
l - 200
м,
Р = 6 МПа,
q0 = 270 Па,
диаметр
тросов 19 мм,
жесткость
тросов EF = 2,65·107 Па,
V = 2 м/с, продукт транспортировки - нефть (рис. 1,
3).
Рис. 3. Схема висячего перехода (в плане) с
ветровыми тросами и растяжками
Определяем А
по формуле (9):
;
;
Δр=4,386
см; Δt=12 см.
60×Ц/l2×105=4626,2×60/200004
=6,6×10-6 А;
;
;
;
;
;
;
;
;
После
предварительных вычислений получаем:
1,24×10-8
А2+1,16×10-4 А-0,1322=0
откуда А = 1030,4
см,
Н0 =
2,366×1030,4+2203,2 = 2438,06 + 2203,2 = 4641,26
кг ~ 46412,6 Н.
Определяем Umax no формулам пп. 3.1,
3.2,
3.3
;
;
;
;
;
.
После
предварительных вычислений получаем:
;
ω1 =
8,189×10-1
U=1200×0,819/20,8 =
47,24 с-2;
;
;
.
Определяем
дисперсию перемещения для второй частоты:
;
ω2 =
1,28 1/с;
U=1200×1,28/20,8=73,9;
;
.
Определяем
дисперсию перемещения для третьей части:
;
ω3 =
1,939 1/с;
U=1200×1,939/20,8=111,87;
;
;
;
;
;
.
Самым невыгодным
загружением является отсутствие температурного воздействия:
Нн = 7597,1
кг.
Разрывное
усилие в канате диаметром 19 мм
равно 10450,0 кгс. Фактический запас прочности составляет К = 19450,0/7597 =
2,56 > 2,02. Таким образом, сечение троса назначено правильно.
1
СНиП II-6-74.
Нагрузки
и воздействия.
М., 1976.
2
Рекомендации по расчету прочности стальных канатов, применяемых в строительных
металлических конструкциях. М., ЦНИИПСК, 1982.