ТЕМПЕРАТУРНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ В ЦЕМЕНТНО-ПЕСЧАНОЙ ОБЛИЦОВКЕ СТАЛЬНЫХ ТРУБ

Цементно-песчаные покрытия на внутренней поверхности водоводов (рис.1) обеспечивают длительную и эффективную защиту от коррозии. Они обладают рядом преимуществ: цементно-песчаные покрытия можно применять в трубопроводах питьевого водоснабжения, они не обрастают карбонатными отложениями и обеспечивают стабильность гидравлических характеристик. Срок службы труб с внутренней цементно-песчаной облицовкой составляет примерно 50-70 лет [1].

Рисунок 1. Стальная трубы с ц/п покрытием

При хранении изолированных труб в трассовых условиях на бровке траншеи неизбежно воздействие переменных температур, которые обусловливают появление температурных усилий (рис.2) и напряжений в системе «сталь-бетон». Изолированная труба представляет собой статически неопределимую систему, где совместная деформация стальной трубы и песчаного бетона облицовки обеспечивается надежной адгезией [2].

Рисунок 2. Продольный разрез трубы

Из условия статического равновесия:

 – продольная сила в стальной трубе;

 – продольная сила в цементно-песчаном покрытии.

Совместная работа стальной трубы и минеральной облицовки обеспечивает равенство продольных деформаций:

 – изменение длины стальной трубы;

 – изменение длины слоя облицовки.

Решим совместно уравнения (1) и (2):

 - температурный коэффициент линейного расширения;

E - модуль упругости;

A – площадь поперечного сечения;

  - изменение температуры.

Определим усилия и напряжения  в системе «сталь-бетон» (рис.3) для стандартной стальной электросварной трубы диаметром 1020 мм и толщиной стенки 14 мм с внутренней облицовкой толщиной 12 мм.

Рисунок 3. Сечение трубы с покрытием

Найдем площадь поперечного сечения трубы:

d – диаметр трубы;

 – толщина стенки стальной трубы.

Найдем площадь поперечного сечения цементно-песчаного покрытия:

 – толщина цементно-песчаного покрытия.

Из системы уравнений (3) получаем формулу для расчета продольной силы в стальной трубе:

После подстановки и решения получим: N_б =58,8 кН, N_с = -58,8 кН

Для нахождения температурных нормальных напряжений используем следующую формулу:

Найдем температурные напряжения в цементно-песчаном слое по формуле (7):

Найдем температурные напряжения в стальной трубе по формуле (7):

Были выполнены аналогичные расчеты для труб мм и построен график зависимости напряжений в облицовке от диаметра трубы (рис.4). Делаем вывод: при увеличении диаметра стальной трубы температурные напряжения в цементно-песчаном слое уменьшаются.

Рисунок 4. Зависимость напряжений в цементно-песчаной облицовке от диаметра стальной трубы

Также были выполнены расчеты расчеты для трубы диаметром 1020 мм с толщиной стенки от 3,5 до 32 мм и построен график зависимости напряжений в облицовке от толщины стенки стальной трубы (рис.5). Делаем вывод: при увеличении толщины стенки стальной трубы температурные напряжения в облицовке увеличиваются.

Рисунок 5. Зависимость напряжений в слое цементно-песчаной облицовки от толщины стенки стальной трубы диаметром 1020 мм

В уложенном водоводе, который находится в эксплуатации, температурный режим относительно стабильный, а если бы температура повышалась, то напряжения можно найти аналогичным расчетом с учетом стесненных условий.

Список литературы:

1. Маслов Е.Б. Применение способа сухого формования для устройства внутренней цементно-песчаной облицовки в стальных трубах // Механизация строительства.  2016. № 4.  c. 12-15.
2. Маслов Е.Б., Глазков Д.В. Исследование адгезии песчаного бетона к стали // Научные труды SWorld. 2014. Т. 17. № 2. С. 25-29.