А.М. ОСТРОВИДОВ, И.А. КУЗНЕЦОВ

ТАБЛИЦЫ
ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МОСТОВ

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
АВТОТРАНСПОРТНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

МОСКВА 1959

Содержание

В справочнике приводятся основные данные для проектирования мостов и труб: таблицы по расчету отверстий, основные сведения о главнейших строительных материалах, таблицы для статического расчета конструкций, а также нормативные материалы по габаритам, расчетным нагрузкам, допускаемым напряжениям и пр.

Справочник рассчитан на инженеров, студентов вузов и техников, проектирующих мосты.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Большой объем строительства мостов в Советском Союзе сопровождается широким развитием научно-исследовательских, изыскательских и проектных работ.

Основная масса мостов выполняется из железобетона. Среди них большое внимание уделяется новым прогрессивным конструкциям: тонкостенным, из легких бетонов, с каркасной и предварительно напряженной арматурой и др. Массовое применение получают сборные железобетонные конструкции и детали.

Из новых рациональных систем мостов больших пролетов получили широкое распространение металлические пролетные строения, объединенные для совместной работы с железобетонной плитой проезжей части. Создаются новые типы металлических мостов, основанные на идее предварительного напряжения конструкций, которые в ближайшие годы должны найти применение в большом масштабе.

Кроме железобетона и металла, в мостостроении используется дерево в области малых и средних мостов. Развитие строительства деревянных мостов идет по пути повышения его технического уровня и придания ему индустриального характера. Особого внимания заслуживают клеефанерные конструкции и клеестальные соединения, обладающие большой долговечностью и позволяющие создать эффективные сборные деревянные пролетные строения. Что касается каменных материалов, то применение их на строительстве мостов вытесняется бетоном и железобетоном.

Внедрение новых эффективных конструкций и рациональных схем в мостостроении требует от инженеров и техников конструкторов более полного использования этих новейших достижений передовой науки и техники. Обширный круг вопросов, с которыми приходится сталкиваться конструкторам в своей работе, требует самых разнообразных сведений из различных областей техники.

Цель издания справочных таблиц для проектирования мостов - дать основные сведения по расчету и конструированию, Которые охватывают вопросы повседневной практики проектирования мостов на автомобильных дорогах. Пользование такими справочными данными будет способствовать повышению производительности и облегчению труда проектировщиков.

Справочные таблицы отражают действующие ГОСТы, технические условия и нормы проектирования.

В таблицах, состоящих из четырех разделов, приведены сведения, относящиеся к гидрологии мостового перехода, расчету отверстий искусственных сооружений, основным строительным материалам, механическим характеристикам различных сечений, данным для статических расчетов, нормам допускаемых напряжений и прогибов, нагрузкам и габаритам. Раздел первый «Расчет отверстий мостов и регуляционных сооружений» составлен И.А. Кузнецовым, остальные разделы Л.М. Островидовым.

Справочные таблицы рассчитаны на инженеров и техников, занимающихся проектированием искусственных сооружении.

Авторы выражают глубокую благодарность кандидатам технических наук В.С. Кириллову и О.В. Андрееву, а также К.М. Ротштейну, М.Г. Ивянскому и другим инженерам Союздорпроекта за ряд ценных указаний, данных ими при подготовке книги к изданию.

РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ

РАСЧЕТ ОТВЕРСТИЙ МОСТОВ И РЕГУЛЯЦИОННЫХ СООРУЖЕНИЙ

Глава 1

РАСЧЕТ СТОКА ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД

§ 1. Общие указания

Министерством автомобильного транспорта и шоссейных дорог, Министерством путей сообщения и Министерством транспортного строительства в 1954 г. утверждены новые нормы расчета стока с малых бассейнов¹, разработанные Союздорнии, ЦНИИС и Главтранспроектом.

¹ Союздорнии. Нормы стока и инструкции по расчету стока и отверстий малых мостов и труб. Автотрансиздат, 1955.

Кроме новых норм, в практике проектирования часто применяются и другие методы. Ниже приводятся необходимые данные для расчета стока как по нормам 1954 г., так и по способам Соколовского и Протодьяконова - Лапина, получившим наибольшее распространение.

Основные положения норм 1954 г., принятые на автодорожном транспорте, сводятся к следующему.

Нормы стока воды надлежит применять для определения расчетных расходов и отверстий водопропускных искусственных сооружений на автомобильных дорогах при водосборной площади до 100 км². В районах Черноморского побережья Кавказа, Карпат, Приморья, Дальнего Востока, Сахалина, Камчатки площадь эта может быть увеличена до 300 км², но при параллельных натурных наблюдениях.

Нормы стока удовлетворяют следующим основным, положениям:

а) обеспечивают возможность определения расчетных расходов в любых климатических условиях при любой вероятности превышения паводков, устанавливаемой ТУ, а также предельно возможного максимального расхода для каждого бассейна - ММ (максимум-максиморум);

б) дают способ определения полного объема стока за время дождя и построения гидрографа для учета аккумуляции воды перед искусственными сооружениями;

в) удовлетворяют проверке объемов стока воды по общему балансу: в любой момент стока объем выпавших осадков (за вычетом потерь) должен равняться сумме объемов воды, имеющейся на склонах, в руслах, и воды, прошедшей через замыкающий створ бассейна;

г) слой стока (водоотдачи) определяется графическим путем как разность нарастающего слоя осадков и нарастающего слоя потерь в момент окончания дождя, при этом интенсивность водоотдачи может приниматься постоянной за период водоотдачи;

д) дают возможность вычислять расходы от дождей для проверки норм по фактически наблюдаемым осадкам и стоку.

Размеры отверстий мостов и труб определяются по расчетным расходам, вероятность превышения которых назначается по действующим ТУ на проектирование мостов и труб на автомобильных дорогах.

В нормах даны основные формулы и указания по двум видам стока: ливневому и смешанному.

Определение расхода производится для этих двух видов стока, и из полученных величин расходов для расчета отверстия следует принимать наибольшую.

В районе, для которого необходимо произвести расчеты стока ледникового, грунтового, маревого, селевого или какого-либо другого вида, отличного от ливневого и смешанного, надлежит разрабатывать специально обоснованные предложения о порядке расчета вида стока после производства соответствующих гидрологических изысканий.

Для бассейнов со значительным постоянным стоком грунтовых вод полный расход слагается из расхода, вычисленного по настоящим нормам, и грунтового стока, определенного по натурным данным. Грунтовым стоком менее 5% можно пренебречь.

Нормы применимы как при достаточном однообразии почвенных и топографических условий в пределах рассматриваемых бассейнов, так и при резком различии указанных условий. В последнем случае необходимо производить расчет для каждой части бассейна отдельно.

При составлении проектных заданий и технических проектов расчет всех малых сооружений на ливневый сток производится по упрощенной формуле Болдакова.

При рабочем проектировании рассчитываются вторично по точному методу Союздорнии:

а) все мосты отверстием более 10 м и прямоугольные трубы отверстием 2 м и более;

б) круглые трубы одноочковые и многоочковые, пропускающие расчетный расход после учета аккумуляции воды перед сооружением 10 м³/сек и более.

Определение расчетного расхода и объема смешанного стока может производиться путем суммирования расходов и объемов снегового и ливневого стока. Снеговой сток может определяться по методу Союздорнии (метод предельных интенсивностей).

Большинство максимальных расходов воды (объем воды, проходящей через определенный створ в единицу времени) на всех реках имеет дождевое происхождение.

Снеговые и смешанные расходы бывают больше дождевых в средней и северной частях Советского Союза и в Сибири.

Горно-ледниковые паводки в сочетании с дождями бывают во всех высокогорных районах, кроме Крайнего Севера.

Расчет на снеговой и смешанный сток является обязательным во всех районах, где имеется заметный снеговой покров.

§ 2. Ливневый (дождевой) сток

Ливневые районы

К ливневым районам относятся по инструкции:

Район № 1 - Белоруссия. Центральный район. Северная граница по водоразделу между р. Западной Двиной и р. Волгой. Череповец. Тотьма. Урал. Поволжье до Сталинграда. Воронеж. Орел. Брянск.

Район № 2 - Украина до Карпат и водораздела между р. Бугом и р. Днестром. Северная часть Крыма. Район с севера граничит с районом № 1.

Район № 3 - Карпаты, а также район к западу от водораздела между р. Бугом и р. Днестром.

Район № 4 - Черноморское побережье Кавказа. Южная часть Крыма.

Район № 5 - Прибалтика до устья р. Одера. Район Ленинграда с юга граничит с районом № 1.

Район № 6 - Северный Кавказ и район Главного Кавказского хребта - принимать по району № 2. Малый Кавказ, степи Кура-Араксинской низменности, Астраханские, Манычские, Сальские степи, Каспийское побережье от порта Ильича до Махачкалы - по району № 1. Каспийское побережье от Ленкорани до Астары и южнее - по району № 4.

Район № 7 - Пустыни Средней Азии и Монголии. Район предгорий для бассейнов с высотой водоразделов в 2 - 3 раза меньше главных хребтов (при этом для пустынь величина t - время водоотдачи - ограничивается 30 мин.). Принимать данные по району № 1. Район главных хребтов Средней Азии принимать при отметке водораздела до 3000 м по району № 2.

Район № 8 - Алтайский край. Целинные земли. Саяны. Забайкалье до Яблонового хребта.

Район № 9 - Центральная Сибирь и Южная Сибирь (принимать по району № 1).

Район № 10 - Приморье Дальнего Востока до бухты Де-Кастри. Бассейн Уссури до водораздела между р. Бикан и р. Хор и далее по хребту Сихотэ-Алинь. Горная часть Буреинского хребта. Юго-восточная часть Камчатки. Центральный и Южный Сахалин.

Для Приамурья до хребтов Яблонового, Кодар и Станового величина расхода и объем стока уменьшаются при грунтах I - III категорий на 10% и IV - VI - на 15 - 20%.

Упомянутые районы можно распространить:

район № 1 - на Польшу, кроме Прибалтийской части;

район № 2 - на Румынию, Болгарию, Албанию, Югославию, Чехословакию; в западной части Венгрии и далее, в районе Граца, максимальный расход может быть больше, чем по району № 3, в 1,5 - 3 раза;

район № 8 - на Монголию, при времени водоотдачи не более 30 мин.;

район № 10 - на Корею, Маньчжурию и часть Китайской Народной Республики в бассейне Желтого моря.

Определение расчетного расхода ливневого стока по нормам Союздорнии

Расчетный расход определяется по формуле:

Q = ωυ = ωmH^2/3i^1/2 м³/сек,

где ω - площадь живого сечения, м²;

υ - средняя скорость, м/сек (см. также табл. 16);

H - средняя глубина потока, м;

m - характеристика гидравлической шероховатости;

i - средний уклон главного лога.

Гидравлическая шероховатость m устанавливается в зависимости от характера лога и принимается равной:

ровное земляное ложе . . . . . . . . . . . . . 25

извилистое или заросшее ложе . . . . .  20

сильно заросшее ложе . . . . . . . . . . . . . 15

русло в завалах, валуны . . . . . . . . . . . 10

По упрощенной формуле Болдакова расчетный расход ливневого стока:

Q = ψ(h - z)^3/2F^2/3 м³/сек,

где h - слой стока в мм в зависимости от категории почв но впитыванию (табл. 1) при времени стока t = 30 мин. (табл. 2);

z - слой задержанного растительностью стока в мм, принимаемый для густой травы, редкого кустарника равным 5; среднего леса, кустарника 10; густого леса 15; тайги, завалов, мохового болота 20 - 40;

ψ - коэффициент, равный для бассейнов плоских 0,04, равнинных 0,06, холмистых 0,08, гористых 0,11, горных 0,14;

F - площадь бассейна, км².

Объем стока в обоих случаях:

W = (h - z)F тыс. м³.

Таблица 1

Категории почв по впитыванию (применительно к центральной территории Союза)

Таблица 2

Слой стока h, мм (при z = 0 и t = 30 мин.)

Для других районов Советского Союза в категории почв по впитыванию нужно вносить следующие поправки:

лесные районы и лесостепь - без изменении,

степи - ниже на одну категорию,

пустыни - ниже на две категории,

муссонный климат - выше на одну категорию.

Категория почв бассейна определяется путем обследования выработок глубиной до 0,5 м. На 1 км² бассейна нужно иметь не менее одной выработки при предварительных изысканиях и не менее двух при предпостроечных изысканиях.

При расстоянии центра тяжести площади бассейна до сооружения более 1 км расход и объем стока уменьшают за счет распластывания паводка путем умножения на коэффициент β (табл. 3).

Таблица 3

Значение коэффициента β

При бассейнах длиной или шириной более 5 км расход и объем стока уменьшают за счет неравномерности выпадения осадков путем умножения на коэффициент γ (табл. 4).

Таблица 4

Значения коэффициента γ

Примечание. В зону муссонного климата входят Дальний Восток, Черноморское побережье Кавказа, Карпаты и Каспийское побережье Талышской низменности на участке Ленкорань-Астара и южнее.

Окончательно формулы Болдакова можно представить в следующем виде:

Q = βγψ(h - z)^3/2F^2/3;

W = βγ(h - z)F.

Следует иметь в виду, что вводить в эти формулы дополнительные поправки на заболоченность и озера не требуется, так как влияние заболоченности учитывается увеличенным для этого случая значением z, а от наличия озер пи расход, ни объем ливневого стока не изменяются.

При учете аккумуляции воды (что обычно делают, если можно ожидать снижения расхода на 20% и более) расчетный расход

где Q_A - уменьшенный расход в сооружении;

W - объем пруда перед сооружением;

α - см. табл. 6.

Остальные обозначения прежние.

Объем пруда подсчитывают по плану в горизонталях или по формуле:

где H- глубина пруда (до лотка сооружения), м;

b - ширина зеркала пруда в м (вдоль трассы) при глубине H;

i - средний уклон в тысячных выше сооружения в пределах пруда.

Для ориентировочных соображении объем пруда можно принимать по табл. 5.

Таблица 5

Ориентировочный объем пруда W₁

Таблица 6

Значения коэффициента α в зависимости от отношения

Пример. Автодорога III категории. Ливневый район № 10 (Южный Сахалин). Вероятность превышения расчетного паводка 1:n = 1:50. Почвы суглинистые (II категория по впитываемости). Район бассейна горный, переходящий у сооружения в гористый (ψ = 0,14). Площадь бассейна 3,5 км². Залесенность небольшая (z = 10). Уклон лога у сооружения i = 15°/_○○.

Слой стока (по табл. 2, район № 10, категория почвы II, 1:n = 1:50) h = 46 мм;

Q = 0,14(46 - 10)^3/2 3,5^2/3 = 69 м³/сек;

W = (46 - 10)3,5 = 126 тыс. м³.

Глубина подпертой воды у сооружения Н = 3,3 м.

По табл. 5 (бассейн гористый, Н = 3,3 м):

W₁ = 28 тыс. м³

или по табл. 6

Q_A = 0,68×69 = 47 м³\сек.

Определение расчетного расхода ливневого стока по упрощенной формуле Соколовского

Максимальный расход дождевого паводка:

Q = BF^1/2 м³\сек,

где F - площадь бассейна, км²;

B - районный коэффициент, принимаемый по табл. 7.

Таблица 7

Значения коэффициента B

Определение расчетного расхода ливневого стока по формуле Протодьяконова-Лапина

Расход дождевого стока по формуле Протодьяконова-Лапина, в интерпретации Е.В. Болдакова:

где c - коэффициент, зависящий от вероятности паводка (см. табл. 9);

k - климатический коэффициент, принимаемый для Севера 0,8, для Центрального района и Средней Сибири 1,0, для южной части Центрального района и Южной Сибири 1,2;

I - уклон дна лога, определяемый как отношение разности отметок водораздела у истоков водотока и дна лога у искусственного сооружения к длине лога;

F - площадь бассейна, км²;

n - показатель степени, принимаемый при F ≤ 10 км² равным ³/₄; при F > 10 км² (но не более 100 км²) равным ²/₃.

Вероятность паводка (расхода) по формуле Протодьяконова-Лапина-Болдакова получается равной примерно .

Для перехода к другим вероятностям превышения можно пользоваться коэффициентами, приведенными в табл. 8.

Таблица 8

Коэффициенты перехода от вероятности паводка  к другим вероятностям по Е.В. Болдакову

Таблица 9

Значения коэффициента c

§ 3. Снеговой и смешанный сток

Районы снегового и смешанного стока

К районам снегового и смешанного стока по инструкции Союздорнии относятся:

Район № 1 - Северная граница: Рига, Великие Луки, Москва, Горький, Казань, Свердловск, Тюмень, Новосибирск. Южная часть Байкала. Район Яблонового и Станового хребтов и побережье Охотского моря. Камчатка. Южная граница европейской части Союза до зоны заметного снегового покрова, включая Полтаву, Сталинград. Далее, к востоку, южная часть Урала. Саяны. Алтай. Хамар-Дабан. Маньчжурия. Север Кореи.

Кроме того, по нормам района № 1 могут временно рассчитываться горные районы Карпат, Кавказа, Средней Азии.

Район № 2 - Северная граница до Северного Ледовитого океана. Южная граница до границы района № 1.

Район № 3 - Сальские и Астраханские степи. Южная Сибирь.

Определение расчетного расхода по нормам Союздорнии

Максимальный расход смешанного стока (за время интенсивного таяния в течение 10 час):

где W - объем смешанного стока, тыс. ж³;

τ - время наступления пика паводка после 14 час. (зависящее от времени формирования максимумов как склонового, так и руслового стекания), час.

Объем смешанного стока:

W_см = W_сн + W тыс. м³

где W_сн - объем снегового стока, равный W_сн = W_нF тыс. м³, причем W_н принимается по табл. 10;

W - объем ливневого весеннего стока, равный W_сн = hF тыс. м³, причем h (слой стока) принимается по табл. 11;

F - площадь бассейна, км².

Время наступления пика паводка после 14 час.:

τ = 0,025τ₁L₀ час.,

где τ₁ - время стекания потока по логу в мин. на каждый пикет (100 м) длины лога в зависимости от расхода Q и гидравлической шероховатости m принимается по табл. 12;

L₀ - расстояние центра тяжести бассейна до сооружения, в пикетах.

Данные табл. 10 относятся к бассейнам длиной или шириной до 10 км.

Таблица 10

Объем стока W_н, тыс. м³ с 1 км²

Таблица 11

Слой стока h, мм

Таблица 12

Время стекания потока по логу τ₁, в мин. на каждый пикет (100 м) длины лога

При больших бассейнах объем стока W_н надо умножать на коэффициенты:

На рис. 1 приведен гидрограф (ход изменения расхода воды во времени) снеготаяния на склонах и гидрограф стока у сооружения. По гидрографу можно учесть аккумуляцию воды перед сооружением при расчете отверстия, но с тем, чтобы опорожнение пруда происходило не позднее утра следующего дня, когда под влиянием солнечных лучей может начаться интенсивное снеготаяние.

Рис. 1. Гидрографы:
а - накопление воды в бассейне при снеготаянии на склонах; б - расхода воды у сооружения

Пример. F = 33 км²; I = 6%; L = 5 км = 50 пикетов; вероятность превышения  район № 2; почва проницаемая; m = 20.

Задаемся расходом Q = 50 м³/сек.

По табл. 12 (при Q = 50; m = 20; i = 6) τ₁ = 1,35 мин. на пикет. Следовательно, τ = 0,025×1,35×50 = 1,7 часа.

По табл. 11 (для района № 2) h = 14 мм. Следовательно, W = 14×33 = 462 тыс. м³.

По табл. 10 (при вероятности превышения  и районе № 2 W_н = 41 тыс. м³ с 1 км². Следовательно, W_н = 41×33 = 1350 тыс. м³.

Отсюда

W_см = 1350 + 462 = 1812 тыс. м³

и

(разница более 5 %).

Поэтому повторяем расчет при Q = 70 м³\сек. По табл. 12 τ₁ = 1,27 мин., τ = 0,025×1,27×50 = 1,6 часа; остальные величины не меняются.

Расход  т.е. не отличается от принятого (70 м³\сек) более чем на 5 %. Этот расход и принимаем за расчетный.

Определение расчетного расхода по формуле Соколовского

Формула Соколовского применима как для малых, так и для больших бассейнов, хотя впервые была выведена для последних. Формула основана на том, что .если для интересующего пас водотока имеется река-аналог с достаточно большим рядом горизонтов, то можно расчетные расходы с этого бассейна перенести па новый переход, определив сначала коэффициент A на реке-аналоге.

Расход воды по Соколовскому:

Q = δδ'AF^{(1 - n)} м³/сек,

где F - площадь бассейна, км²;

A - коэффициент, характеризующий сток весеннего половодья (определенный на основании непосредственных водомерных наблюдений в данном пункте - табл. 13);

n - показатель степени, принимаемый:

для F ≤ (20 - 50) км² - равным 0,

для 100 > F > 50 км² - равным 0,15,

для прочих водосборов равным 0,25;

δ - коэффициент уменьшения расхода за счет озер и заболоченности бассейна;

δ' - то же, за счет лесистости бассейна.

δ = 1 - 0,6lg(1 + α + 0,2β),

где α - площадь озер в процентах от общей площади бассейна;

β - площадь болот в процентах от общей площади бассейна.

δ' = 1 – λ(γ – γ₁),

где γ - лесистость бассейна в долях от единицы

γ₁ - средняя лесистость всего района;

λ - коэффициент, равный от 0,3 для лиственных лесов лесостепной зоны до 0,6 для таежных лесов Севера.

По последним данным, залесенность бассейна может уменьшать расход смешанного паводка только до тех пор, пока она не превысит 50 %. При дальнейшем увеличении залесенности расход вновь увеличивается. Поэтому коэффициенты δ и δ' рекомендуется принимать по Е.В. Болдакову (таблицы 14 и 15).

В результате расход, смешанного стока по Соколовскому будет:

при F ≤ (20 - 50) км² Q = δδ'AF м³ /сек,

при 100 > F > 50 км² Q = δδ'AF^0,85 м³/cек,

для прочих водосборов Q = δδ'AF^0,75 м³/cек,

где А - см. табл. 13;

δ - см. табл. 14;

δ' - см. табл. 15;

F - площадь бассейна, км².

Пример. Требуется определить максимальный расход с вероятностью превышения  (1 % обеспеченности) весеннего половодья р. Ваймуги (приток р. Ельца, бассейн р. Северной Двины) у ст. Обозерская с площадью водосбора 340 км². Озер в бассейне нет, заболоченность и лесистость неизвестны.

Значения коэффициента A по рекам Северного Края, выписанные из таблицы 13, приведены в следующей таблице.

Таблица "а"

Таблица 13

Расходы воды в половодье рек (по Д.Л. Соколовскому)

* Сток искажен набором воды на орошение.

Учитывая маловодность последнего периода и в этой связи некоторую преуменьшенность средних максимумов расходов по этим створам, принимаем среднее значение A = 2,40 м³/сек. Тогда расход 1 % обеспеченности составит

Q = AF^0,75 = 240×340^0,75 = 190 м³/сек.

В том случае, если в районе перехода имеются небольшие реки-аналоги (не указанные, в табл. 13) с площадью бассейна до 1000 км² (с достаточно большим рядом горизонтов на водомерном посту и гидрометрическими расходами), то можно расчетные расходы с этого бассейна перенести на новый переход, определив вначале параметр на реке-аналоге:

где Q и F - расход и площадь бассейна на реке-аналоге, а затем найти расход на новом переходе:

Q₁ = AF₁^0,75,

где Q₁ и F₁ - расход и площадь бассейна на новом переходе.

Таблица 14

Значения коэффициента заболоченности δ

Таблица 15

Значения коэффициента залесенности δ'

§ 4. Определение расхода, глубин и бытовых скоростей в подходящих руслах

Определение гидравлических характеристик подводящих русел производится следующим образом.

По живому сечению потока у сооружения ω и принятой гидравлической шероховатости лога m вычисляют (при разных, обычно трех-четырех, глубинах, через 0,5 - 1 м) бытовые скорости:

υ = mH^2/3i^1/2 м/сек

и расходы:

Q = ωυ м³/сек,

где H - глубина воды в логе, м;

i - уклон лога в тысячных;

m - гидравлическая шероховатость тога.

Скорость течения воды по логу можно принимать по табл. 16, в зависимости от сечения лога, уклона и глубины лога H₁.

Таблица 16

Скорости течения воды по логу
υ = mH^2/3i^1/2