Область применения, основные системы и материалы

На железных дорогах России применяют в основном малые и средние железобетонные мосты.

По своим конструктивным особенностям пролетные строения железобетонных мостов подразделяют на два вида: с ненапрягаемой арматурой и с предварительно напряженной арматурой главных балок.

Они бывают однопутными и двухпутными, но предпочтение отдают пролетным строениям с одной веткой железнодорожного пути.

К основным системам железобетонных мостов относят балочные (разрезные, неразрезные и консольные), рамные, арочные.

Балочные разрезные железобетонные пролетные строения получили наиболее широкое применение (рис. 4.1,а).

Рис. 4.1. Основные системы железобетонных мостов: а – балочные разрезные;
б – балочные неразрезные; в – балочные консольные; г – рамные; д – арочные

Они используются преимущественно для малых и средних мостов. Балочные неразрезные конструкции применяют для перекрытия больших пролетов (рис. 4.1,б). По расходу материала они более экономичны по сравнению с простыми разрезными системами, но имеют ограничения в применении из-за чувствительности к неравномерным осадкам опор, усадке и ползучести бетона, а также температурным деформациям. Рамные системы железобетонных мостов характеризуются жестким соединением ригеля и стойки, работающих совместно (рис. 4.1,г). Их преимущество перед простыми балочно-разрезными системами заключается в повышенной жесткости конструкции и меньшем расходе материала, но в то же время они обладают такими же недостатками, что и неразрезные пролетные строения. Арочные пролетные строения применяют для перекрытия больших и гигантских пролетов. Их преимущество перед разрезными пролетами заключается в том, что арки, работающие в основном на сжатие, в наибольшей степени обеспечивают прочностные свойства железобетона (рис. 4.1,д). Находят применение арочные распорные и безраспорные мосты, а также бесшарнирные и шарнирные системы. Арочные мосты долговечны, но весьма трудоемки и являются дорогостоящими объектами.

Применяются комбинированные железобетонные мосты, в которых совмещена работа двух и более систем. К ним относят мосты с арочными пролетами с ездой посередине, а также вантовыми и висячими пролетными строениями (рис. 4.2).

Такие мосты отличаются своими архитектурными достоинствами и более экономичными показателями и, как правило, используются для перекрытия больших, гигантских и супергигантских пролетов. Вантовые и висячие пролеты находят применение преимущественно в системе автодорожных и городских мостов.

Железобетон – это комплексный строительный материал, состоящий из бетона и стальной арматуры (1–4 %), работающих совместно под нагрузкой. При распределении функций между бетоном и арматурой предусматривают условие, при котором бетон обеспечивает работу конструкций в основном в сжатой, а стальная арматура – в растянутой зонах.

К достоинствам железобетонных мостов относят высокую прочность, долговечность, огнестойкость, способность к сопротивлению при воздействии природно-климатических факторов, низкие эксплуатационные затраты.

Бетон. Для элементов железобетонных мостов применяют конструкционный тяжелый бетон со средней плотностью 2200–2500 кг/м³.

К основной характеристике, определяющей прочностные свойства, относят класс бетона по прочности на сжатие. Класс бетона по прочности на сжатие выражают нормативным сопротивлением осевому сжатию кубов размером 15´15´15 см с обеспеченностью 0,95, измеряемым в мегапаскалях. Зависимость между классом бетона Впо прочности на сжатие и определяемой на кубах прочностью бетона выражают [13] зависимостью

, (4.1)

где – коэффициент вариации прочности бетона, который согласно нормативным документам для тяжелого бетона принимают = 0,135; – среднеквадратическое отклонение значений прочности бетона в серии испытываемых образцов; – среднее значение прочности бетона в серии образцов.

Для конструкций железобетонных мостов применяют бетон классов В20; В22,5; В25; В27,5; В30; В40; В45; В50; В55; В60.

Бетон является упругопластичным материалом, в котором под действием нагрузки одновременно развиваются упругие и пластические деформации. Отношение напряжения в бетоне к упругим относительным деформациям определяет упругие свойства материала, характеризуемые модулем упругости бетона . Модуль упругости бетона имеет одинаковое значение при сжатии и растяжении и зависит от класса бетона по прочности и условий твердения, его определяют по СНиП 2.05.03-84^* [12] в зависимости от класса бетона.

К бетону мостовых конструкций предъявляют требования по морозостойкости в зависимости от климатических условий строительства и эксплуатации. Марку бетона по морозостойкости определяют по СНиП 2.05.03-84^* [12].

Марку бетона по водонепроницаемости, характеризующую плотность и подвижность бетонной смеси, определяют по СНиП 2.05.03-84^* [12].

При строительстве, ремонте или реконструкции мостов к числу значимых характеристик относят скорость набора прочности бетона. Согласно [11] обычный бетон достигает 50 % прочности через 3 суток при температуре плюс 20 ^оС, а при подогреве и пропаривании бетонной смеси он может набрать до 80 % прочности через 2 суток.

Арматура является составной частью железобетона. Требования, предъявляемые к арматуре, заключаются в том, что она должна надежно обеспечивать совместную работу с бетоном на всех стадиях эксплуатации мостовых конструкций, использоваться до физического или условного предела текучести при исчерпании их несущей способности, а также соответствовать условиям механизации при производстве монтажных работ.

Арматуру элементов железобетонных мостов подразделяют на рабочую и конструктивную. Под рабочей понимают арматуру, площадь сечения которой определяют расчетом на действие внешних нагрузок. К конструктивной относят монтажную и распределительную арматуру, устанавливаемую без расчета по конструктивным или технологическим соображениям. Монтажная арматура обеспечивает жесткость арматурного каркаса. Распределительная арматура предназначена для более равномерного распределения сосредоточенных усилий в стержнях рабочей арматуры. Конструктивную арматуру устанавливают также для частичного восприятия неучитываемых расчетом усилий от усадки и ползучести бетона, температурных напряжений, местных напряжений от действия сосредоточенных сил, случайных напряжений, возникающих при изготовлении, транспортировке и монтаже конструкций.

Арматуру подразделяют на горячекатаную стержневую, холоднотянутую проволочную и термически упрочненную гладкую и периодического профиля, ненапрягаемую и напрягаемую.

Арматурную сталь характеризуют классом и маркой. Класс арматуры определяет прочностные свойства стали. Марка низколегированной стали указывает на ее химический состав, а углеродистой – на сведения о степени раскисления, группе и категории гарантии.

Ненапрягаемую стержневую арматуру применяют классов А-I, A-II, A_с-II, A-III диаметром от 6 до 40 мм. Напрягаемую арматуру используют из проволоки диаметром 3–5 мм класса B-II в виде пучков, а также стержневой высокопрочной арматуры периодического профиля классов A-IV, A-V, A-VI.

Основной прочностной характеристикой арматурной стали является физический или условный предел текучести. Физический предел текучести характерен для сталей классов, применяемых для ненапрягаемой арматуры, а условный – стержневой повышенной прочности и высокопрочной напрягаемой арматуры. Высокопрочную арматурную сталь характеризуют условным пределом текучести, за который принимают напряжение с остаточной относительной деформацией величиной 0,2 %. Основным показателем прочности твердых сталей является временное сопротивление разрыву.

Для напрягаемой высокопрочной арматуры характерна релаксация напряжений. Она зависит от прочности и химического состава стали, технологии изготовления, температуры, величины натяжения арматуры и других факторов. Релаксация напряжений протекает неравномерно: наиболее интенсивно в первые часы, а затем процесс постепенно затухает.