Опорные части и деформационные швы для мостов.

Как правило способ опирания пролетного строения выбирают при его проектировании. Недостаточные знания в этой области могут стать причиной повреждения сооружения в целом, или отдельных его частей в ходе эксплуатации.

Устранение повреждений, связанных с неправильным опиранием сооружений, требует значительных затрат. Характер повреждения сложных сооружений был мало известен ранее из истории строительства в связи с отсутствием значительного числа сложных сооружений (неразрезных большой протяженности, криволинейных в плане, со значительной косиной, большой шириной и т.п.). В последние годы доля таких сооружений в общем количестве строящихся объектов постоянно возрастает, следовательно, вопросам проектирования опорных частей и узлов опирания следует уделять более серьезное внимание.

В общем случае каждая точка сооружения в пространстве имеет шесть степеней свободы – три линейных перемещения по осям X, Y, Z и три угла поворота относительно этих осей. Оси координат, как правило, располагаются следующим образом. Ось X – направление вдоль моста, Y – поперек моста, Z – направление по вертикали.

Опорные части, устанавливаемые на сооружении, запрещают в обязательном порядке перемещения вдоль оси Z (вертикальные), при этом углы поворота относительно осей, как правило, разрешаются, а перемещения вдоль осей X и Y могут быть разрешены или запрещены, в зависимости от типа выбранной опорной части. Какие перемещения необходимо запретить, а какие разрешить, должен решать проектировщик, с учетом особенностей конструкции.

В качестве примера рассмотрим плоскую балку разрезного пролетного строения. В плоскости каждая точка на этой балке имеет три степени свободы – перемещения в осях X и Z и угол поворота относительно оси, перпендикулярной плоскости (будем считать ее осью Y). Для расчета такой балки необходимо обеспечить ее геометрическую неизменяемость в плоскости, что может быть сделано с помощью двух опорных частей, одна из которых неподвижная, а вторая – подвижная. Неподвижная опорная часть запрещает перемещения по вертикали (ось Z) и вдоль моста (ось X) и разрешает при этом угол поворота относительно оси Y. Подвижная опорная часть обеспечивает запрет перемещений только по вертикали (ось Z) и разрешает их вдоль моста (ось X), также позволяя угол поворота относительно оси Y.

Смещение подвижной опорной части при прогибе пролетного строения

Рис. 1 Смещение подвижной опорной части при прогибе пролетного строения

Величина перемещения вследствие поворота сечения балки вычисляется по формуле:

∆l=ϕ·r

где ϕ – угол поворота балки в опорном сечении,

r – расстояние между перемещающейся точкой опорной части и центром вращения пролетного строения (рис. 1).

При подвижных опорных частях этот центр вращения находится в точке пересечения оси опоры с осью, проходящей через центр тяжести балки пролетного строения. Если опорная часть расположена в центре тяжести, то эта составляющая отсутствует.

Балка поворачивается в обоих опорных сечениях, но поскольку неподвижная опорная часть остается на месте, все продольные перемещения от угла поворота на опорах реализуются только у подвижной опорной части. Однако из-за поворота на неподвижной опорной части нейтральная ось и верх балки перемещаются в сторону подвижной опорной части. Величина этого смещения определяется по формуле:

∆l_ϕ=ϕ·r+ϕ_F·r_{F ,}

Где ϕ_F· и r_F – соответствующие значения для неподвижной опорной части (см. рис.1).

Углы поворота опорных сечений от постоянных нагрузок обычно компенсируются заданным строительным подъемом балки. Прогибаясь под нагрузкой, балка от заданного заводским строительным подъемом положения, приближается к проектному положению, поэтому учитывать углы поворота от постоянных нагрузок и соответствующие перемещения в опорных узлах нет необходимости. Углы поворота от нормативных временных нагрузок и соответствующие им перемещения необходимо учитывать при проектировании опорных частей и деформационных швов, назначая соответствующие запасы по перемещениям, в дополнение к перемещениям от температуры.

Углы поворота от обращающейся нормативной нагрузки в обычных условиях невелики – от 0,0005 до 0,003 рад, но они происходят постоянно, вызывая усталостные разрушения опорных частей и деформационных швов.

Кроме рассмотренных выше перемещений в опорных частях и деформационных швах от внешних вертикальных нагрузок, эти конструкции работают на перемещения, возникающие вследствие температурных деформаций.

Изменение температуры, как известно из школьного курса физики, приводит к изменению длины всех элементов, входящих в конструкцию. При этом значительных внутренних усилий в конструкции, как правило, не возникает, поскольку почти все элементы укорачиваются или удлиняются пропорционально своей длине, а поскольку длины основных составляющих конструкцию элементов не очень велики, внешние изменения в узлах конструкции глазу не заметны.

Если же говорить о длине пролета или о длине неразрезной балки пролетного строения, то этот показатель является значительным для сооружения и должен учитываться при проектировании опорных частей и деформационных швов.

Температурные перемещения опорных узлов пролетного строения определяются по формуле:

∆L=αL(t_n,T-t_n,X)γ_f

В формуле обозначено:

α – коэффициент линейного расширения

L – температурный пролет;

t_n,T – нормативная температура воздуха теплого климатического периода, обеспеченностью 0,99;

t_n,X – нормативная температура воздуха наиболее холодной пятидневки, обеспеченностью 0,98;

γ_f - коэффициент надежности, принимаемый равным 1,2 (табл.17 СНиП 2.05.03-84*).

Коэффициент линейного расширения «α» принимается равным 1,2·10^-5 для стальных конструкций и 1,0·10^-5 – для железобетонных конструкций. Для сталежелезобетонных конструкций, имеющих объединение для совместной работы стальной и железобетонной частей, коэффициент линейного расширения принимают как для стальных конструкций.

Длина температурного пролета «L» зависит от того, в каком элементе конструкции мы хотим определить перемещения.

Для опорных частей температурный пролет во всех случаях равен расстоянию от рассматриваемой подвижной опорной части до неподвижной опорной части, а для деформационного шва, температурный пролет в разрезной балочной схеме будет равен длине пролета. Если к разрезному пролетному строению примыкает смежный пролет, то температурный пролет уже будет равен расстоянию между неподвижными опорными частями. В схемах мостов, имеющих несколько пролетных строений по длине, температурный пролет для деформационных швов определяется как сумма расстояний от деформационного шва до неподвижной опорной части каждого из сопрягаемых швом пролетных строений.

Нормативная температура воздуха теплого климатического периода «t_n,T» определяется по климатическим параметрам теплого периода года для выбранного района строительства по СНиП 23-01-99* «Строительная климатология», таблица 2, столбец 4.

Нормативная температура воздуха наиболее холодной пятидневки «t_n,X» определяется по климатическим параметрам холодного периода года для выбранного района строительства по СНиП 23-01-99* «Строительная климатология», таблица 1, столбец 4.

Конструкции опорных частей.

Выбор типа опорной части в первую очередь зависит от величины опорных реакций и перемещений в конструкции. При небольших опорных реакциях - до 150 т и перемещениях до 50 мм могут применяться резино-металлические опорные части, сокращенно называемые РОЧ. Эти опорные части состоят из резины, армированной стальными пластинами. Схематично конструкция резино-металлических опорных частей представлена на рисунке 2.

Рис. 2 Резино-металлические опорные части РОЧ

При небольших перемещениях (до 50 мм) и реакциях более 150 т могут применяться опорные части стаканного типа. Схематично конструкция стаканных опорных частей представлена на рисунке 3.

Рис. 3 Стаканные опорные части

Кроме рассмотренных, могут также применяться опорные части других типов, представленные на рисунке 4.

Рис. 4 Другие типы опорных частей

Рис.5 Однокатковая опорная часть Троицкого моста.