Арочные и комбинированные мосты

Характерной особенностью работы арочных систем является возникновение распора в опорных сечениях при действии вертикальных нагрузок. Сечения арок под действием нагрузок работают на внецентренное сжатие, что приводит к более экономичным решениям по сравнению с сечениями балок одинаковых пролетов.

В мостах находят применение различные типы арочных пролетных строений: бесшарнирные, двух- и трехшарнирные; с ездой поверху, понизу, посредине (рис. 4.30) [11].

Рис. 4.30. Схемы арочных пролетных строений: а, б, в – с ездой поверху; г – с ездой посередине; д – с ездой понизу; е – с опиранием балок проезжей части на свод и опору; ж – с дисковыми арками

В арочных пролетных строениях усилия от временной нагрузки воспринимаются балками проезжей части и через стойки или подвески передаются на арки. Арки объединяются между собой системой связей, обеспечивающих единую пространственную конструкцию и устойчивость арок при продольном изгибе из их плоскости.

Конструкцию проезжей части арочных пролетных строений выполняют в виде плиты, опертой на поперечные стенки-стойки или ребристой конструкции, опертой на арки (рис. 4.31).

Рис. 4.31. Поперечные сечения арочных пролетных строений: а, б – с плитой проезжей части, опертой на поперечные стенки-стойки; в, г – с ребристой плитой, опертой на арки через стойки

В практике мостостроения применяют различные типы поперечных сечений арок (рис. 4.32) [11].

Рис. 4.32. Поперечные сечения сводов и арок: а, б – сплошные и коробчатые своды; в, г, д – прямоугольная, двутавровая и коробчатая формы арок

Высоту сечения арок изменяют в пределах (1/25¸1/60) l. Элементы арок работают преимущественно на сжатие и изгиб в вертикальной плоскости. При различных положениях временной нагрузки в сечениях арок могут возникать изгибающие моменты разных знаков, поэтому арки армируют в верхней и нижней зонах сечения.

Выделяют комбинированные системы, которые для железнодорожных мостов образованы из балки и арки, имеющих различные сочетания жестких и гибких элементов (рис. 4.33).

Рис. 4.33. Схемы арок с затяжками: а – с жесткими арками и гибкими затяжками; б – с гибкими арками и жесткими затяжками; в – с жесткими арками и жесткими затяжками

Наиболее распространенным типом комбинированных систем для железнодорожных мостов являются арки с затяжками, в которых распор воспринимается затяжками, расположенными в уровне проезжей части [11]. Поперечные сечения жестких арок и затяжек имеют, как правило, двутавровую форму. Считается, что арки или затяжки являются жесткими, если отношение моментов инерции не менее 80. Они являются наиболее экономичными.

К числу достоинств арочных мостов относят их долговечность, высокие эстетические и архитектурные качества, а к основным недостаткам – большую стоимость и конструктивную индивидуальность (рис. 4.34).

Рис. 4.34. Арочный мост через р. Амур у г. Хабаровска

4.5. Основные положения проектирования железобетонных
балочно-разрезных пролетных строений

В условиях сурового климата на эксплуатационную надежность железобетонных пролетных строений оказывают воздействие такие климатические факторы, как низкие отрицательные температуры наружного воздуха, их перепады в течение короткого промежутка времени и многократная повторяемость, солнечная радиация, влажность, ветер.

Степень воздействия климатических условий на работу пролетных строений значительно зависит от свойств и качества строительных материалов, конструктивных особенностей, технологии изготовления и монтажа.

Согласно СНиП [12,17] зону сурового климата в зависимости от среднемесячной температуры наиболее холодного месяца подразделяют на два вида: с суровыми климатическими условиями при от минус 10 до минус 30 ^оС и особо суровыми климатическими условиями при ниже минус 30 ^оС .

В настоящее время в качестве основного критерия климатических показателей зоны сурового климата при проектировании железобетонных пролетных строений принята средняя температура наружного воздуха наиболее холодной пятидневки минус 40 ^оС и ниже. Разработаны типовые проекты пролетных строений из обычного и предварительно напряженного железобетона северного исполнения (Ленгипротрансмост, серия 3.501.1-146, инв. № 557/11, № 556/11-15).

Конструкции пролетных строений северного исполнения изготовляют по специальным технологиям, что приводит к их более высокой стоимости.

Бетон для пролетных строений рекомендуют применять класса В25 и выше, а по морозостойкости – марки не менее F300. При этом для приготовления бетонной смеси предъявляют высокие требования к свойствам цемента, отдавая предпочтение сульфатостойким портландцементам или портландцементам с минеральными добавками. Кроме того, в состав бетонной смеси для пролетных строений вводят комплексные добавки: пластифицирующие в виде СДБ (сульфтно-дрожжевой бражки) и смолы или кремнийорганического полимера. Применение комплексных добавок обеспечивает получение бетона требуемой марочной морозостойкости, а также увеличивает его стойкость к перепадам отрицательных температур. В качестве крупного заполнителя рекомендуют применять щебень из горных пород, а мелкого – крупный и средний песок с модулем крупности не менее 2,2.

Арматурная сталь железобетонных пролетных строений должна отвечать требованиям хладостойкости, при которой в условиях низких отрицательных температур (ниже минус 60 ^оС) она обеспечивала бы стойкость против хрупкого разрушения. Количественным показателем стали принято считать ударную вязкость, поэтому рекомендуют для работы пролетных строений в условиях низких отрицательных температур применять стали с ударной вязкостью не менее 3–2,5 кгс м/см².

Для пролетных строений из обычного железобетона этим требованиям отвечает арматура из низколегированной стали класса А_с-II марки Ст10ГТ, диаметром 16–32 мм и класса А-III марки Ст25Г2С, диаметром 6–40 мм. Рекомендуют применять вязаные арматурные каркасы, так как при наличии низких температур происходит разрушение сварных стыков арматурных сеток сварного типа.

Для железобетонных пролетных строений в качестве предварительно напряженной арматуры рекомендуют применять высокопрочную проволоку класса В-II диаметром 5 мм из стали марки Ст20ХГ2Ц [12]. Особые требования по хладостойкости предъявляют к стали для закладных деталей [12].

Для элементов и деталей тротуарных консолей, диафрагм, смотровых приспособлений применяют низколегированную сталь марок Ст10ХСНД, Ст15ХСНД, Ст10Г2С1Д; для болтов крепления – низколегированную сталь марок Ст09Г2 и Ст09Г2С.

Гидроизоляцию проезжей части пролетных строений применяют оклеечную на тиоколовой мастике (марки См-1,0), сохраняющей водонепроницаемый слой, который не имеет признаков разрушения при температуре от плюс 60 до минус 50 ^оС. В качестве армирующего слоя гидроизоляции применяют стеклосетчатую ткань марки Э3-200.

При проектировании пролетных строений соблюдают требования СНиП 2.05.03-84 [12] в целях обеспечения долговечности и расчетной несущей способности в течение нормативного срока службы с учетом их работы в более сложных климатических условиях.

Бетон в раннем возрасте при низких температурах (минус 50 ^оС) с последующим оттаиванием имеет тенденцию к снижению прочности на сжатие, поэтому расчетные сопротивления бетона принимаются по 2.05.03-84 [12] с учетом понижающих коэффициентов условий работы.

Расчет. Железобетонные балочные пролетные строения рассчитывают по предельным состояниям первой и второй групп. По первой группе производят расчеты по прочности и выносливости, а по второй – по трещиностойкости (образованию, раскрытию трещин) и деформациям (прогибам).

При расчетах по прочности расчетные нагрузки принимают с коэффициентами надежности g_f, а к временной вертикальной нагрузке от подвижного состава вводят динамический коэффициент (1+ m) [12]. В расчетах на выносливость принимают g_f =1, а динамический коэффициент (1+2/3 m).

Расчеты по второй группе предельных состояний производят по нормативным нагрузкам.

Главные балки пролетных строений балочно-разрезной системы рассчитывают по линиям влияния изгибающих моментов и поперечных сил [11, 13, 16] (рис. 4.35).

Рис. 4.35. Линии влияния и схемы загружения главной балки пролетного строения

Плиту балластного корыта индустриальных пролетных строений рассматривают как двухконсольную балку, жестко защемленную в ребре [12] (рис. 4.36).

Расчет по прочности сечений, нормальных к продольной оси элемента, включает в себя подбор рабочей арматуры растянутой зоны , определение высоты сжатой зоны бетона х из условия равенства нулю суммы проекций всех сил на горизонтальную ось и проверку прочности сечений при условии [11, 12, 13, 16]:

· если граница сжатой зоны проходит в плите

+ ; (4.2)

· если граница сжатой зоны проходит в ребре

, (4.3)

где М_0,5 – изгибающий момент из расчета на прочность в сечении посередине балки; – расчетное сопротивление бетона при осевом сжатии;
– расчетная ширина плиты балластного корыта; – толщина ребра балки; – высота сжатой зоны; – рабочая высота сечения балки; – расчетное сопротивление сжатой арматуры; – площадь поперечного сечения сжатой арматуры; – расстояние от центра тяжести сжатой арматуры до сжатой грани сечения; – приведенная толщина полки плиты.

Расчет по прочности сечений, наклонных к оси элемента, производят на действие поперечной силы , возникающей в конце наклонного сечения, а также на действие изгибающего момента по наклонному сечению [11, 12, 13, 16]:

; (4.4)

, (4.5)

где , – суммы проекций усилий отогнутой арматуры и хомутов, пересекающих наклонное сечение; – угол наклона отогнутых стержней арматуры к продольной оси балки; – поперечное усилие, передаваемое на бетон сжатой зоны над концом наклонного сечения; – расстояние от усилий в рабочей, отогнутой арматуре и хомутах, пересекающих наклонное сечение, до точки приложения равнодействующей усилий в сжатой зоне бетона.

Расчет на выносливость гарантирует конструкции целостность от усталостных напряжений. В этих целях расчет сводится к определению напряжений в бетоне и арматуре [11, 12, 13, 16]:

; (4.6)

, (4.7)

где – изгибающий момент из расчета по выносливости в сечении посередине балки; – момент инерции приведенного к бетону сечения относительно нейтральной оси [16]; – высота сжатой зоны бетона из расчета на выносливость [16]; – коэффициент приведения арматуры к бетону;
– высота балки; – расстояние от центра тяжести первого ряда рабочей арматуры балки до растянутой грани сечения; – параметры, определяемые по [12, 16].

Принято, что железобетонные балки с ненапрягаемой арматурой должны удовлетворять категории требований по трещиностойкости 3в [12]. При этом трещиностойкость обеспечивается, если соблюдается условие [11, 12, 13, 16]:

, (4.8)

где – напряжения в наиболее растянутых стержнях продольной арматуры [12, 16]; – модуль упругости арматурной стали; – коэффициент раскрытия трещин [12, 16].

Расчет по деформациям (прогибов) выполняют с использованием методов сопротивления упругих материалов, а также с учетом жесткости сечений [12, 13]. Жесткость сечений при действии временной нагрузки определяют с учетом образования трещин, а при действии постоянной нагрузки – с учетом образования трещин ползучести бетона [11]. Вертикальные прогибы при действии временной нагрузки не должны превышать для железнодорожных мостов [11]:

или , (4.9)

где – расчетная длина пролета, м.

Плавность движения подвижного состава обеспечивают путем создания строительного подъема пролетных строений, стрела которого после учета деформаций от постоянной нагрузки составляет 40% упругого прогиба от временной нагрузки [11].

Расчет балочных пролетных строений из напрягаемой арматуры имеет свои особенности, изложенные в [11, 12, 13, 18].

Контрольные вопросы

1. Назовите область применения железобетонных мостов и материалы для их изготовления.

2. Какие основные системы железобетонных мостов находят применение в практике мостостроения?

3. Дайте характеристику конструкций плитных пролетных строений.

4. Дайте характеристику конструкций ребристых пролетных строений с ненапрягаемой арматурой.

5. Назовите основные принципы армирования конструкций ребристых пролетных строений с ненапрягаемой арматурой.

6. Изложите подробно, как армируются главные балки пролетных строений с ненапрягаемой арматурой.

7. Изложите подробно, как армируется плита балластного корыта пролетных строений с ненапрягаемой арматурой.

8. Дайте характеристику конструкций свайных и стоечно-эстакадных мостов.

9. Дайте характеристику конструкций ребристых пролетных строений с напрягаемой арматурой.

10. Назовите основные принципы армирования конструкций ребристых пролетных строений с напрягаемой арматурой.

11. Дайте характеристику конструктивных деталей железобетонных пролетных строений.

12. Что такое балочно-неразрезные железобетонные мосты? Где они находят применение?

13. Что такое рамные железобетонные мосты? Где они находят применение.

14. Что такое арочные железобетонные мосты? Где они находят применение?

15. Назовите особенности бетона и арматуры при проектировании железобетонных пролетных строений в суровых климатических условиях.

16. Назовите основные положения расчета железобетонных пролетных строений на прочность.

17. Перечислите основные положения расчета железобетонных пролетных строений на выносливость.

18. Назовите основные положения расчета железобетонных пролетных строений на трещиностойкость.

ОПОРЫ БАЛОЧНЫХ МОСТОВ

План лекции

5.1. Общие сведения

5.2. Промежуточные опоры

5.3. Береговые опоры

5.4. Основные положения расчета опор

Общие сведения

Вследствие различных условий передачи нагрузок и эксплуатации опоры мостов подразделяют на промежуточные (быки) и береговые (устои).

Назначение промежуточных опор – воспринимать нагрузку от пролетного строения и подвижного состава и равномерно передавать на грунт основания. Береговые опоры воспринимают, кроме вертикальных, еще и значительные горизонтальные нагрузки от давления грунтов подходных насыпей.

Для железобетонных и металлических балочных мостов применяют опоры массивные и облегченного типа.

Конфигурацию поперечного сечения тела массивных опор определяют в зависимости от интенсивности ледохода и класса реки. Для опор, расположенных на суходоле, применяют прямоугольное или круглое сечение, а в русловой части – с закругленными или заостренными боковыми гранями (рис. 5.1). В старых мостах применяли опоры с ледорезами.

Основным строительным материалом для опор служит железобетон и бетон классов В20–В50. В суровых климатических условиях для защиты опор применяют облицовку из естественного камня или железобетонных блоков из бетона класса В60.