Основные положения расчета опор

Сбор нагрузок и определение расчетных усилий.Опоры мостов работают под воздействием многих нагрузок, которые условно можно подразделить на три группы (табл. 5.1) [12].

Таблица 5.1

Нагрузки, действующие на опоры

Постоянные нагрузки и воздействия	Временные нагрузки от подвижного состава	Прочие нагрузки и воздействия
Собственный вес конструкций , Давление грунта от веса насыпи Воздействие предварительного натяжения Гидростатическое воздействие воды Воздействие усадки и ползучести бетона Воздействие осадки грунта	Вертикальная нагрузка Горизонтальное давление грунта Горизонтальная поперечная нагрузка от ударов подвижного состава Горизонтальная поперечная нагрузка от центробежной силы С Горизонтальная продольная нагрузка от торможения или силы тяги Т	Ветровая нагрузка Ледовая нагрузка Нагрузка от навала судов Температурные климатические воздействия Воздействие морозного пучения грунта Строительные нагрузки Сейсмические нагрузки

Промежуточные опорырассчитывают на действие нагрузок вдоль и поперек оси моста (рис. 5.15).

Определение нагрузок, действующих на опоры, производят в соответствии со СНиП 2.05.03-84^* [12]. Нормативное значение собственного веса частей опор определяют по предварительно назначенным размерам.

Расчет опор осуществляют, как правило, на основное и дополнительное сочетания нагрузок, рассматривая их отдельно вдоль и поперек оси моста. Определяют расчетные внутренние усилия N и M в наиболее опасных сечениях: по обрезу (сечение 1-1) и подошве (сечение 2-2) фундамента (рис. 5.15). При определении суммарной нормальной силы в расчетном сечении учитывают все силы, действующие выше расчетного сечения. Суммарный момент определяют умножением силы на плечо с последующим сложением полученных значений [11]. При расчете на основное сочетание постоянных и временных нагрузок учитывают опорное давление от веса пролетных строений и временной нагрузки, стоящей на обоих пролетах или на одном большем (рис. 5.15). При расчете на дополнительные сочетания учитывают, кроме постоянных и временной нагрузки (по первой или второй схемам загружения), тормозную силу Т, суммарную ветровую нагрузку , давление льда , а также нагрузку от навала судов (рис. 5.15).

Рис. 5.15. Расчетная схема загружения промежуточной опоры: а – вдоль оси; б –поперек оси моста; 1, 2 – временные вертикальные эквивалентные нагрузки интенсивностью по первой и второй схемам загружения; 3, 4 –линии влияния вертикальных сил по первой и второй схемам загружения; ПР – отметка подошвы рельса; – расчетная длина пролетного строения; – длина загружения линии влияния; – площадь линии влияния

Далее определяют эксцентриситет , его величину сравнивают с предельными значениями, приведенными в [12]. Наибольший относительный эксцентриситет для промежуточных опор железнодорожных мостов при учете только постоянных нагрузок не должен превышать 0,1, а постоянных и временных в наиболее невыгодном сочетании – 1,0. Величина – радиус инерции ядра сечения – равна , где момент сопротивления, а – площадь подошвы фундамента [11].

Расчеты промежуточной опоры производят по прочности, устойчивости и трещиностойкости при выполнении условий [11]:

· по прочности

; (5.1)

· по устойчивости

; (5.2)

· по трещиностойкости (на раскрытие трещин) по формуле (4.8),

где – расчетное сопротивление бетона сжатию; – площадь сечения сжатой зоны бетона, определяемая из условия, что сила проходит через центр тяжести [11,12]; 1,0– коэффициент продольного изгиба, определяемый по [12].

Кроме указанных выше, выполняют проверки [11,12]:

· на опрокидывание

; (5.3)

· по несущей способности основания под подошвой фундамента [11, 12]:

– мелкого заложения

; (5.4)

– глубокого заложения [20,21]

, (5.5)

где – эксцентриситет нормальной силы относительно центра тяжести сечения; – расстояние от центра тяжести до наиболее сжатой грани сечения; =1,2 – коэффициент надежности; и – соответственно среднее и максимальное давление фундамента на основание; – расчетное сопротивление основания осевому сжатию; = 1,4 – коэффициент надежности; =1,0¸1,2 – коэффициент условий работы, зависящий от вида грунта и учитываемого сочетания нагрузок; – расчетная вертикальная нагрузка на один элемент фундамента глубокого заложения (сваю, столб, оболочку); – собственный вес элемента фундамента (сваи, столба, оболочки); – допускаемая расчетная нагрузка по грунту на сваю (столб, оболочку), определяемая по [20, 21].

Расчет береговых опорпроизводят с учетом сил, указанных на рис. 5.16. Определение нагрузок, действующих на опору, производят в соответствии с [11, 12]. Сбор нагрузок осуществляют только вдоль оси береговой опоры (рис. 5.16). Расчет опор выполняют на основное и дополнительное сочетания нагрузок. При расчете береговой опоры на основное сочетание рассматривают две схемы загружения временной вертикальной нагрузкой: по первой ее располагают на пролете, устое и призме обрушения с длиной загружения ( ), по второй – только на призме обрушения с длиной загружения (рис. 5.16). В дополнительное сочетание нагрузок, кроме основного, включают тормозную силу Т [11].

Рис. 5.16. Расчетная схема загружения береговой опоры: 1, 2 – загружение опоры временной вертикальной нагрузкой по первой и второй схемам; 3, 4 – эпюры горизонтального давления грунта от временной нагрузки и собственного веса; 5 – эпюра отпора грунта засыпки; 6 – линии влияния вертикальных сил; ЦТ – центр тяжести; А – цент опрокидывания опоры; – расчетная длина пролета; – длина загружения линии влияния; – площадь линии влияния; – высота засыпки грунта; – плечи сил

Работу береговой опоры проверяют также на стадии, когда насыпь еще не отсыпана, учитывая только вертикальные постоянные нагрузки [11]. Расчет береговых опор производят аналогично промежуточным по формулам (5.1)–(5.5).

Особенности расчета опор для суровых климатических условий.В условиях сурового климата применяют опоры преимущественно на фундаментах глубокого заложения или безростверкового типа на столбах или сваях-оболочках.

Выбор конструкции опор производят с учетом анализа природно-клима­тических, геологических и гидрологических условий, а также способов производства работ, результатов технико-экономического сравнения вариантов. При выборе оснований и назначении глубины заложения фундаментов опор учитывают расположение такого подстилающего слоя грунта, который обеспечивал бы восприятие и передачу давления от опоры на нижележащие слои грунта. При этом подстилающим грунтом могут служить малосжимаемые или скальные породы, а также вечномерзлые грунты при первом принципе их использования в качестве основания.

Если обосновываются безростверковые опоры, то в первую очередь рассматривают типовые конструкции столбов (инв. №1062, ЛГТМ). Допускается их индивидуальное проектирование с учетом местных условий и возможностей строительных подразделений. При наличии вечномерзлых грунтов оснований отдают предпочтение опорам безростверкового типа из буроопускных столбов или оболочек, которые располагают вертикально, обеспечивая необходимую жесткость в горизонтальном направлении [21].

Глубину заложения столбов или оболочек определяют с учетом полного использования расчетных сопротивлений грунта на вертикальную и горизонтальную нагрузки, а также прочностных характеристик конструкций. Глубину заложения назначают в соответствии с принятым принципом использования вечномерзлых грунтов в качестве основания опор и проверяют расчетом по устойчивости [7]. Глубину заложения столба или оболочки при использовании вечномерзлых грунтов в качестве оснований по принципу I рекомендуют определять по выражению [21]:

, (5.6)

где – глубина расположения вечномерзлого грунта, считая от расчетной поверхности грунта; – толщина слоя пластичномерзлого грунта; = 1,0; – диаметр столба или оболочки.

При использовании вечномерзлых грунтов в качестве оснований по принципу I расчеты производят для твердомерзлых грунтов по несущей способности; для пластичномерзлых, сильномерзлых грунтов и подземных льдов по несущей способности и деформациям [7].

Расчет оснований безростверковых опор при использовании вечномерзлых грунтов по принципу I по несущей способности (первой группе предельных состояний) производят по условию [7]:

, (5.7)

где – расчетная нагрузка на основание; – несущая способность основания, определяемая по [7].

Условие прочности заделки столбов или оболочек в твердомерзлом грунте [21]:

, (5.8)

где – изгибающий момент и поперечная сила в рассматриваемом сечении столба или оболочки на глубине ; – диаметр и глубина заложения столба (оболочки) в твердомерзлом грунте; – расчетное сопротивление твердомерзлого грунта под подошвой столба или оболочки.

Расчет оснований по деформациям (второй группе предельных состояний) производят с учетом выполнения условия [7]:

, (5.9)

где – деформация (осадка) пластично-мерзлого основания под нагрузкой; – предельно допустимая деформация основания под опорой за расчетный срок эксплуатации.

Осадки оснований из сильнольдистых грунтов и подземных льдов определяют с учетом деформационных характеристик грунтов в зависимости от температуры, времени и развития пластических деформаций льда по СНиП 2.02.04-88 [7].

Устойчивость опор и их фундаментов на действие касательных сил морозного пучения грунтов проверяют по условию [7]:

, (5.10)

где – расчетная удельная касательная сила пучения; – площадь бокового смерзания фундамента в пределах расчетной глубины сезонного промерзания-оттаивания грунта; – расчетная нагрузка на фундамент;
– расчетное значение силы, удерживающей фундамент от выпучивания, определяемое по [7].

Устойчивость фундамента (мелкого заложения) на действие нормальных сил морозного пучения проверяют по условию [7]:

, (5.11)

где – удельное нормальное давление пучения грунта на подошву фундамента; – площадь подошвы фундамента.

Для обеспечения температурного режима вечномерзлых грунтов оснований и предотвращения деформаций опор предусматривают устройство теплоизоляционной подсыпки, толщину которой определяют теплотехническим расчетом по [7, 22] (рис. 5.17).

При проектировании мостов по принципу I использования вечномерзлых оснований рекомендуют предусматривать различные способы охлаждения грунтов в течение эксплуатации, к которым относят трубчатые охлаждающие установки автоматического действия, термоопоры ЦНИИС, каменные наброски конусов подходных насыпей, а также специальные конструктивные мероприятия безростверковых опор.

Применяются охлаждающие установки, которые заполняют теплоносителем – керосином, системы Гапеева или коаксиальные системы Макарова (рис. 5.18).

Охлаждающие установки диаметром труб 100–190 мм заглубляют в грунт на величину не менее 5 м. При этом, как правило, площадь поверхности их надземной части (от поверхности снежного покрова) составляет около 50% площади подземной части, а объем теплоносителя – 60%. Охлаждающие установки располагают группами в зоне опор с шагом не более 3 м в количестве от 6 до 10 у береговых опор и не менее 4 – у промежуточных опор. Для столбчатых опор рекомендуют применять по одной установке на каждый столб.

Термоопоры ЦНИИС представляют собой безростверковые конструкции с пустотелыми стойками (оболочками), охлаждающий эффект которых достигается за счет естественной конвенции воздуха внутри полости в зимний период (рис. 5.19). Как правило, их применяют для малых и средних мостов в районах со среднегодовой температурой наружного воздуха минус 6 ^оС и ниже и при начальных температурах вечномерзлых грунтов минус 1,5 ^оС и ниже. Чаще всего термоопоры применяют из сборных железобетонных оболочек диаметром 1,6 м с толщиной стенки 20–25 см из бетона с маркой по водонепроницаемости W8. После установки оболочек зазор между их боковыми поверхностями и скважины заделывают цементно-песчаным раствором или сухим песком ниже глубины сезонного оттаивания, а в зоне деятельного слоя – местным грунтом.

Каменные наброски для сохранения естественного вечномерзлого состояния оснований рекомендуют применять при высоте подходных насыпей не более 7 м, среднегодовой температуре наружного воздуха минус 5 ^оС и выше, начальной температуре вечномерзлых грунтов минус 1 ^оС и выше (рис. 5.20).

Увеличения охлаждающего эф­фекта безростверковых опор мостов достигают с помощью утройства под монолитной насадкой по периметру специальных ограждающих элементов, создавая под насадкой воздушный зазор.

На водотоках с наледеобразованием,как правило, проектируют малые и средние мосты. На водотоках с природными наледями рекомендуют применять свайно-эстакадные мосты. Используют следующие принципы проектирования мостов: свободный пропуск наледи; безналедный пропуск водотока; задержание наледи выше моста. Выбор принципа проектирования осуществляют в зависимости от размера и характера развития наледи, мерзлотно-гидрогеологических условий, рельефа местности, технико-экономического обоснования.

При свободном пропуске наледи отверстие моста определяют с учетом пропуска паводковых вод и наледеобразующей воды по поверхности наледного льда [3]. Рекомендуют выполнять условие, при котором отверстие моста , где – мощность наледи, а длина пролетных строений м. Высоту подмостового габарита проектируют с учетом обеспечения свободного пропуска в течение всего зимнего периода наледеобразующих вод и весеннего паводка по поверхности наледи [3]:

, (5.12)

где – высота подмостового габарита от средней отметки дна лога под мостом до низа конструкции; – наибольшая расчетная мощность наледи; – высота пропуска по наледи расчетного расхода весенних вод; – свободное пространство под мостом, определяемое по [12].

Безналедный пропуск водотока обеспечивают с использованием концентрации, спрямления и утепления русла в зоне моста и на подходах. Принцип безналедного пропуска водотоков применяют в районах со значительным снежным покровом и среднемесячной температурой наиболее холодного месяца минус 25 ^оС и выше. Для обеспечения безналедного пропуска водотока применяют следующие противоналедные мероприятия и устройства: утепление русла под мостом для предотвращения глубокого промерзания и возникновения мерзлотной перемычки; специальные водоотводные сборные железобетонные лотки с утеплением пенопластом или другими теплоизоляционными материалами (рис. 5.21, 5.22) [3, 4].

Рис. 5.21. Утепление русла устройством железобетонного лотка: а – план расположения лотка в зоне моста; б – конструкция утепленного лотка; 1 – пролетное строение; 2 – сборный железобетонный утепленный лоток; 3 – водозаборник; 4 – водоприемник; 5 – снегозадерживающие щиты; 7 – доски; 8 – пенопласт; 9 – грунт; 10 – снег; 11 – гравий с песком

Рис. 5.22. Утепление русла под мостом: а – утепление снегом; б – утепление теплоизолирующим покрытием; РУВ – расчетный уровень воды; 1 – промежуточная опора; 2 – снег; 3 – щиты; 4 – теплоизолирующее покрытие (полиэтиленовая пленка, хворост и др.)

Задержание наледей выше мостов применяют, как правило, с малыми расходами наледеобразующей воды, при широких и пологих логах, в районах с малым снежным покровом, а также при среднемесячной температуре наиболее холодного месяца минус 25 ^оС и ниже. В качестве противоналедных устройств сооружают: противоналедные валы, и противоналедные заборы (рис. 5.23); водонепроницаемые экраны (рис. 5.24).

Рис. 5.24. Водонепроницаемый экран: ИССО – искусственное сооружение; h – высота противоналедного вала; 1 – экран с теплоизолирующей пленкой; 2 – противоналедный вал

Противоналедные мероприятия подразделяют на две группы: пассивные (защитные), выполняемые периодически во время образования наледей, и активные (предупредительные) постоянного типа, обеспечивающие задержание наледи с верховой стороны или пропуск наледной воды в низовую сторону. К первой группе относят такие мероприятия, как предотвращение «взрывов» наледных бугров путем их прокола, оттаивания наледей; устройство задерживающих валов из снега, льда, грунта и временных заграждений. К мероприятиям второй группы относят углубление и спрямление русла водотока, отвод воды, образующей наледь, устройство постоянных удерживающих противоналедных сооружений [11].

Контрольные вопросы

1. Назовите конструктивные элементы промежуточных и береговых опор балочных мостов.

2. Перечислите виды промежуточных опор, применяемых для балочно-разрезных мостов.

3. Перечислите виды береговых опор, применяемых для балочно-разрезных мостов.

4. Какие бывают опоры безростверкового типа?

5. Какие нагрузки учитывают при расчете опор балочных мостов?

6. На какие сочетания нагрузок рассчитывают опоры балочных мостов?

7. Какие расчеты выполняют для бетонных и железобетонных опор балочных мостов?

СТАЛЬНЫЕ МОСТЫ

План лекции

6.1. Общие сведения

6.2. Пролетные строения со сплошными балками

6.3. Сталежелезобетонные пролетные строения

6.4. Коробчатые пролетные строения

6.5. Балочно-разрезные пролетные строения с фермами

6.6. Балочно-неразрезные пролетные строения с фермами

6.7. Арочные пролетные строения

6.8. Рамные пролетные строения

6.9. Основные положения расчета пролетных строений со сплошными балками

Общие сведения

Область применения стальных мостов – большие и внеклассные мосты. Они характеризуются длительным сроком службы – более 70 лет.

Надежность мостов при работе под тяжелыми динамическими нагрузками обеспечивают строительные стали, обладающие высокой прочностью, пластичностью и ударной вязкостью [11].

Металлические мосты существуют балочной, арочной, рамной и комбинированной систем (рис. 6.1) [23].

К основным достоинствам стальных мостов относят: индустриализацию и высокое качество заводского изготовления; применение автоматической электросварки; возможность применения скоростных технологий монтажа с высоким уровнем механизации и малой трудоемкостью.

Основным недостатком стальных мостов является подверженность коррозии элементов, что требует особых приемов в содержании.

Материалы стальных мостов.Элементы стальных мостов изготовляют из высококачественных углеродистых и низколегированных сталей, удовлетворяющих требованиям эксплуатации [12].

В мостовых конструкциях применяют малоуглеродистые стали с содержанием углерода не более 0,25 %. В зависимости от способа выплавки и степени раскисления стали подразделяют на спокойные (сп), полуспокойные (пс) и кипящие (кп). По условиям поставки углеродистые стали подразделяют на три группы: А, Б и В, а по нормируемым показателям качества – на шесть категорий: 1–6. Применяются также углеродистые стали марок ВСт3, ВСт2сп и др.

Рис. 6.1. Системы металлических пролетных строений: а, б – балочно-разрезные; в, г, д – балочно-неразрезные; е–н – арочные и комбинированные; п, р – с жестким поясом; с, т – рамные; l – длина пролета; l₁ –длина крайнего пролета; h – высота балки проезжей части; H – высота фермы; f – стрела арки

Для несущих элементов пролетных строений широко используются низколегированные стали, которые представляют собой сплав железа с углеродом и легирующими добавками (до 2,5 %). В зависимости от вида термообработки низколегированную сталь подразделяют на три категории: 1 – без термической обработки (сырую); 2 – нормализованную; 3 – термически улучшенную после закалки и высокого отпуска. Для несущих элементов пролетных строений применяют стали марок 10ХСНД, 15ХСНД.

В зависимости от расчетной минимальной температуры воздуха районов проектирования мостов применяют три типа исполнения стали (по хладостойкости): обычного (минус 40 ^оС и выше); северного А (от минус 40 до минус 50 ^оС); северного Б (ниже минус 50 ^оС). К сталям для пролетных строений северного исполнения предъявляют дополнительные требования по ограничению содержания серы до 0,030 % и фосфора до 0,025 % [5, 11].

Сортамент стали.Наиболее широко применяют листовую сталь. В России получила распространение для пролетных строений толстолистовая сталь толщиной 6–60 мм, шириной 1250–2600 мм и длиной до 4200 мм. Масштабно используют универсальную широкополосную сталь длиной до 12 м [11]. Находят применение угловая равнополочная и неравнополочная сталь длиной до 13 м и шириной полок до 250 мм, а также двутавровая, швеллерная, круглая, фасонная, волнообразного и корытообразного профиля стали.

Соединение отдельных элементов.При изготовлении и монтаже элементы мостовых конструкций соединяют электросваркой, высокопрочными болтами из стали марки Ст40Х, а в некоторых случаях обычными болтами. Большое количество эксплуатируемых мостов имеют соединение элементов на заклепках из стали марок Ст2сп, СтО9Г2. Кроме того, в железнодорожных мостах применяют болтосварные соединения, когда элементы на заводах изготовляют сварными, а при монтаже используют болты.