Рамные пролетные строения

Основной несущей частью рамных пролетных строений являются жестко соединенные в одну систему балки (ригели) со стойками. Опирание рам на фундаменты производится посредством шарнирных опорных частей. Рамные пролетные строения имеют разнообразные конструкции. Они бывают однопролетными, многопролетными, консольными и неразрезными, с наклонными стойками. Рамные мосты могут иметь решетчатую конструкцию стоек и ригеля, что приводит к облегчению монтажа благодаря малой массе монтируемых блоков и созданию условий для унификации элементов (рис. 6.30) [11, 23].

Стальные рамные мосты находят применение в путепроводах, эстакадах, виадуках, особенно через каньоны или горные ущелья.

Рис. 6.30. Схема рамного моста под железнодорожную нагрузку

6.9. Основные положения расчета пролетных строений
со сплошными балками

При расчете однопутных железнодорожных пролетных строений принимают равномерное распределение вертикальных нагрузок. Расчетная схема представляет собой разрезную балку на двух опорах с пролетом l_р, на которую действуют вертикальные равномерно распределенные нагрузки собственного веса металлических пролетов р_м; веса мостового полотна р_мп; временная вертикальная нагрузка интенсивностью , определяемая в зависимости от класса нагрузки К, длины загружения = l_р и положения вершины линии влияния a = а / l_р (рис. 6.31).

Расчетные изгибающие моменты в одной главной балке в середине ее пролета определяют по формулам:

– для расчета на прочность

; (6.1)

– для расчета на выносливость

, (6.2)

где – коэффициенты надежности по постоянной и временной нагрузкам, определяемые по [12]; – динамический коэффициент, определяемый по [12]; – площадь линии влияния изгибающего момента (рис. 6.31).

Рис. 6.31. Расчетная схема главной балки: а – фасад балки; б – расчетная схема и линии влияния изгибающего момента и поперечной силы; в – поперечное сечение балки

Наибольшая поперечная сила в опорном сечении главной балки

, (6.3)

где – площадь линии влияния поперечной силы (рис. 6.31).

При подборе сечений двутавровых главных балок сначала определяют наивыгоднейшую высоту балки из условия минимально требуемой площади сечения балки [11]

, (6.4)

где – коэффициент, учитывающий неравномерность изгибающего момента по длине балки, равный 1,2–1,5; ; – расчетное сопротивление стали балки, определяемое по [12]; – толщина стенки (рис. 6.31).

Толщину пояса принимают мм, где – площадь сечения пояса балки (рис. 6.31); 60[50,40]мм – толщина соответственно обычного и северного А и Б исполнений. Если требуемая толщина пояса превышает указанные величины, то применяют пояса, состоящие из двух листов. Ширину пояса рекомендуют определять: (рис. 6.31).

Расчет по прочности сечений главной балки производят по нормальным и касательным напряжениям (рис. 6.32).

Расчет по нормальным напряжениям состоит в проверке условия

, (6.5)

где – коэффициент, учитывающий ограниченное развитие пластических деформаций в сечении и определяемый по [12]; – момент сопротивления сечения нетто балки, определяемый с учетом эффективной ширины пояса по [12]; – коэффициент условий работы.

Расчет по касательным напряжениям состоит в проверке условия

, (6.6)

где – статический момент полусечения брутто; , – значения минимального и максимального касательных напряжений в сечении стенки, определяемые в предположении упругой работы [12].

В местах обрыва горизонтальных листов, где одновременно действуют достаточно высокие нормальные и касательные напряжения, производят проверку условия

, (6.7)

где – нормальные напряжения в проверяемой точке сечения; – среднее касательное напряжение в стенке балки; – расчетные изгибающий момент и поперечная сила в проверяемом сечении; – момент инерции проверяемого сечения нетто; = 1,15.

Расчет главных балок на общую устойчивость. В середине пролета разрезных балок верхние пояса работают на сжатие. При закреплении поясов в отдельных точках возникает опасность потери устойчивости пояса по изгибно-крутильной форме. Расчет в этом случае состоит в проверке условия

, (6.8)

где – расчетный изгибающий момент в пределах расчетной длины сжатого пояса (расстояние между узлами связей); – момент сопротивления сечения брутто балки для крайнего волокна сжатого пояса; – коэффициенты, определяемые по [12] в зависимости от марки стали и гибкости балки из плоскости стенки.

Если сжатый пояс балки объединен железобетонной плитой, то проверку общей устойчивости не выполняют.

Расчет на местную устойчивость стенки балки состоит в проверке устойчивости отдельных прямоугольных отсеков шириной а, равной расстоянию между осями поперечных ребер жесткости, и высотой , равной расстоянию между осями поясов балки при отсутствии продольных ребер (рис. 6.33).

Устойчивость каждого отсека балки проверяют с учетом трех компонентов ее напряженного состояния: продольных , поперечных нормальных напряжений и касательных напряжений . Указанные напряжения определяют из предположения упругой работы материала по сечению брутто изгибаемой балки, расположенному в середине отсека стенки (рис. 6.33) [23]. Проверку устойчивости отсека стенки, имеющей только поперечные ребра жесткости, выполняют по условию [11, 12, 23].

, (6.9)

где – критические продольное нормальное, поперечное нормальное и касательное напряжения, определяемые по [12] в зависимости от марки стали, величины приведенных напряжений, упругости защемления пластинок, соотношения сторон отсека и др.; – коэффициенты, принимаемые по [12].

Расчет на выносливость. Расчет на выносливость сечений балки выполняют по нормальным напряжениям по формуле

, (6.10)

где – коэффициент, определяемый по формуле

, (6.11)

где =1 для железнодорожных мостов; – коэффициенты, учитывающие марку стали и нестационарность режима нагружения [11]; – эффективный коэффициент концентрации напряжений, принимаемый по [12];
– коэффициент, зависящий от длины загружения линии влияния [11]; – коэффициент асимметрии цикла переменных напряжений; – наименьшее и наибольшее по абсолютным значениям напряжения со своими знаками.

Расчет прикрепления поясов к стенке балки. Соединения пояса со стенкой и горизонтальных листов пояса между собой рассчитывают на горизонтальную сдвигающую силу и вертикальное давление временной подвижной нагрузки. Производят расчеты на прочность сварных соединений угловыми швами пояса со стенкой балки при отсутствии (нижний пояс балки) и воздействии (верхний пояс балки) местного вертикального давления по металлу шва и по металлу границы сплавления по [11, 12]. Также производят расчеты сварных соединений на выносливость, расчет соединений высокопрочными или обычными болтами.

Расчет по второй группе предельных состояний включает в себя расчет на вертикальный прогиб. Максимальный упругий прогиб от статической нормативной временной подвижной вертикальной нагрузки для простой разрезной балки определяют [11] как

, (6.12)

где – коэффициент временной подвижной нагрузки; – эквивалентная временная вертикальна нагрузка для и ; – пролет балки;
– жесткость сечения балки при изгибе.

Расчетный период свободных поперечных колебаний железнодорожных балочных разрезных пролетных строений должен удовлетворять условию , но не более 1,5 [11].

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Дайте характеристику промежуточных опор балочных мостов.

2. Дайте характеристику береговых опор балочных мостов.

3. Какие нагрузки учитывают при расчете промежуточных опор мостов?

4. Какие нагрузки учитывают при расчете береговых опор мостов?

5. Дайте описание расчета опор мостов на прочность и трещиностойкость.

6. Дайте описание расчета опор мостов на опрокидывание и по несущей способности основания.

7. Расскажите об особенностях расчета опор мостов в условиях сурового климата.

8. Какие применяют конструкции для обеспечения температурного режима вечномерзлых грунтов в зоне опор мостов?

9. Какие применяют конструкции для защиты опор мостов в условиях наледеобразования.

10. Назовите область применения стальных мостов и материалы, из которых они возводятся.

11. Дайте характеристику стальных пролетных строений со сплошными балками.

12. Дайте характеристику сталежелезобетонных пролетных строений.

13. Дайте характеристику стальных коробчатых пролетных строений.

14. Дайте характеристику стальных неразрезных пролетных строений.

15. В чем заключаются особенности рамных и арочных стальных
мостов?

16. Дайте описание расчета пролетных строений со сплошными балками.

ВОДОПРОПУСКНЫЕ ТРУБЫ

План лекции

7.1. Общие сведения

7.2. Конструкции сборных железобетонных и бетонных труб

7.3. Конструкции металлических труб

7.4. Водопропускные трубы в условиях наледеобразования

7.5. Основные положения расчета труб

Общие сведения

Водопропускные трубы в системе железнодорожного транспорта относят к малым искусственным сооружениям. Они располагаются в теле насыпи и предназначены для пропуска малых постоянных или периодически действующих водотоков.

Трубы являются наиболее распространенными искусственными сооружениями на железных дорогах. В зависимости от рельефа местности в Сибири и на Дальнем Востоке на 1 км пути приходится от 1 до 1,5 трубы, что составляет примерно 67 % от общего количества искусственных сооружений.

Водопропускные трубы широко применяют при проектировании новых железных дорог. Согласно СНиП 2.05.03-84* [12], трубы проектируют на безнапорный режим работы, но допускается предусматривать полунапорный и напорный режимы для пропуска наибольшего расхода и при устройстве специальных защитных мероприятий (рис. 7.1).

Трубы предназначены для пропуска через тело насыпи малых периодически действующих и постоянных водотоков при отсутствии карчехода и ледохода. При пересечении дорогой малых водотоков предпочтение отдается трубам по сравнению с малыми мостами, так как они имеют меньшую стоимость и более простую конструкцию. Водопропускные трубы характеризуются следующими достоинствами по сравнению с малыми мостами:

§ не нарушают непрерывности земляного полотна;

§ имеют значительно меньшие эксплуатационные расходы;

§ обладают меньшей чувствительностью к динамическому воздействию и увеличению временной подвижной нагрузки.

Рис. 7.1. Режимы протекания потока в трубе: а – безнапорный; б – полунапорный; h_тр – высота трубы; Н – высота подпора воды; h_вх – высота потока на входе; h_вых – то же на выходе

Выбор между трубой и малым мостом обосновывается при технико-экономическом сравнении.

По форме поперечного сечения трубы бывают круглые, прямоугольные, овоидальные. По числу отверстий трубы подразделяют на одно-, двух- и трехочковые.

Водопропускные трубы состоят из следующих элементов: секций, в состав которых входят от трех до пяти звеньев, входного и выходного оголовков, фундамента (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Водопропускная труба: 1 – сборное звено; 2, 3 – входной и выходной оголовки; 4 – фундамент; 5 – деформационный шов между секциями; 6 – насыпь; 7 – гидроизоляция; l_c – длина секции; i – уклон

Общую длину трубы определяют шириной основной площадки, высотой и уклонами откосов насыпи, продольными размерами входного и выходного оголовков. Минимальную высоту насыпи принимают с учетом высоты трубы и толщины засыпки не менее 1,0 м, считая от верха звена до подошвы рельсов.

Длину звеньев трубы принимают равной 1,0 м, а длину секций 3,0–5,0 м. В нижней части трубы устраивают лоток, которому придают продольный уклон, обеспечиваемый ступенчатым расположением секций.

При строительстве трубе придают строительный подъем в продольном направлении со стрелой .

Основной характеристикой трубы является отверстие , которое определяет ее водопропускную способность. Очертание и форму поперечного сечения звеньев трубы принимают по конструктивным соображениям, а отверстие – в зависимости от водопропускной способности, определяемой гидравлическим расчетом [24].

Водопропускная способность трубы зависит от типа оголовков. Основное назначение оголовков – обеспечение плавного втекания и вытекания водного потока, поддержание откосов насыпи и предотвращение продольных деформаций (обеспечение устойчивости насыпи, окружающей трубу) [12, 24]. В этом плане наилучшими являются раструбные оголовки в сочетании с повышенным звеном на входе [11] (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Оголовки раструбного типа: а, б – поперечное сечение круглой и прямоугольной труб; в, г – вид вдоль оси трубы

Укрепление подводящего и отводящего русел, а также откосов насыпи производят бетонными квадратными и призматическими плитами, а также каменной наброской. Тип укрепления выбирают с учетом скорости протекания воды и допускаемых скоростей по типовым проектам.

Водопропускные трубы под железнодорожными насыпями не требуют особых условий и могут располагаться при любых сочетаниях профиля и плана трассы. Чаще всего ось вновь строящейся водопропускной трубы располагают под прямым углом к оси дороги. В то же время допускается применение косых труб с типовыми или индивидуальными конструктивными элементами, обеспечивающими допускаемый пропуск водотока [3, 9].

Набольшее распространение получили сборные железобетонные трубы круглого, прямоугольного и овоидального сечений (рис. 7.4).

Рис. 7.4. Поперечные сечения сборных железобетонных труб: а – круглое цилиндрическое; б – круглое с плоской пятой основания; в – прямоугольное;
г – овоидальное

Для конструкций водопропускных труб применяют тяжелый бетон классов по прочности на сжатие от В20 до В40 и выше [15], а по морозостойкости – в зависимости от климатических условий зоны расположения F200–F300. Учитывая, что водопропускные трубы относятся к гидротехническим сооружениям, их проектируют из бетона с маркой по водопроницаемости не ниже W6 [12]. Для железобетонных труб марку арматурной стали устанавливают по расчету с учетом условий работы и средней температуры наружного воздуха наиболее холодной пятидневки района проектирования по [12].

В зависимости от условий входа водного потока трубы подразделяют на равнинные и косогорные.

Основными гидравлическими характеристиками водопропускных труб являются: расход воды в сооружении , м³/с; подпертая глубина воды H (см. рис. 7.1); скорость потока .

7.2. Конструкции сборных железобетонных
и бетонных труб

Сборные железобетонные трубы в зависимости от поперечного сечения подразделяют на круглые цилиндрические, круглые с плоской пятой основания, прямоугольные и овоидальные (рис. 7.4).

Водопропускные трубы круглого сечения применяют при высоте насыпи преимущественно не более 8 м. Круглые звенья труб под железнодорожными насыпями опираются на фундаменты мелкого или глубокого заложения, сборные, сборно-монолитные или монолитные. Конструкция фундамента трубы зависит от несущей способности грунта основания. г - овоидальноее;нования; сборных железобетонных труб: а - круглое ания, прямоугольные и овоидальные, рис.

При опирании круглого цилиндрического звена на плоский фундамент находит применение лекальный блок (рис. 7.5).

Рис. 7.5. Схема секции круглой трубы: 1 – круглое звено; 2 – лекальный блок; 3 – фундамент; 4 – деформационный шов между секциями; 5 – деформа­цион­ный шов между звеньями толщиной 1 см

Арматурный каркас круглых звеньев состоит из двух рядов (наружного и внутреннего) рабочей спиральной арматуры, поперечной арматуры – хомутов, а также распределительной продольной арматуры (рис. 7.6).

Рис. 7.6. Схема арматурного каркаса трубы круглого сечения для звена длиной 1 м: а – поперечный разрез; б – вид 1-1 и фасад; в – спираль; d_k – диаметр каркаса; d^H_k, d^B_k – диаметр расположения наружной и внутренней спиралей

Арматурный каркас состоит из одинакового количества спиралей, располагаемых по наружному и внутреннему контурам звена, которое определяется расчетом. Проектным институтом Ленгипротрансмост разработаны следующие типовые проекты железобетонных труб круглого сечения:

№ГС 3.501.1-144 – круглые железобетонные водопропускные трубы для железных и автомобильных дорог;

№ГС 3.501.1-144. Выпуск 0-1. Инв. № 1313/2 – круглые железобетонные водопропускные трубы с плоским опиранием для железных дорог в обычных климатических условиях.

Звенья круглых сборных железобетонных водопропускных труб опираются на фундаменты мелкого заложения – монолитные бетонные, сборные из бетонных блоков, а также глубокого заложения – свайные или столбчатые в зависимости от вида грунта основания.

Звенья круглых труб с плоским основанием имеют более экономичное армирование, схема которого, согласно разработкам Ленгипротрансмост, представлена на рис. 7.7.

Конструкцию входного и выходного оголовков железобетоннойтрубы круглого сечения из условия унификации принимают одинаковой. Оголовки состоят из откосных стенок (крыльев), располагаемых под углом к оси трубы, и портальных стенок (рис. 7.8).

Арматурный каркас откосных крыльев выполняют из сеток (рис. 7.9).

Рис. 7.8. Конструкция оголовка круглой трубы: а – фасад; б – разрез по оси трубы; в – план (насыпь не показана); 1 – коническое звено; 2 – портальная стенка, 3 – откосная стенка; 4 – лекальный блок; 5 – фундамент

Рис. 7.9. Конструкция арматурного каркаса откосных крыльев оголовка круглой трубы: а – фасад; б – план

Откосные стенки оголовков устанавливаются на железобетонные плиты, уложенные на щебеночную или гравийно-песчаную подготовку. Между откосными крыльями располагают бетонный лоток на гравийно-песчаной подготовке (см. рис. 7.8).

Сборные железобетонные трубы прямоугольного сечениясостоят из секций по 2–3 звена (рис. 7.10), а также двух разновидностей оголовков: входного раструбного типа с повышенным звеном и выходного с нормальным звеном.

В типовом проектировании предусмотрено увеличение повышенных звеньев на 0,5 м по сравнению с нормальными. Разработаны следующие типовые проекты сборных железобетонных труб прямоугольного сечения:

№ГС 3.501-177.93 – железобетонные прямоугольные водопропускные трубы для железных и автомобильных дорог (АО Трансмост, 1994);

№ГС 3.501-177.93. Выпуск 0-2 – прямоугольные трубы для железных дорог в умеренных и суровых климатических условиях (АО Трансмост, 1994);

№ГС 3.501-107. Инв. №1130/1,2 – прямоугольные бетонные водопропускные трубы для железных и автомобильных дорог.

Арматурный каркас звена прямоугольной трубы включает в себя сетки, состоящие из рабочей и распределительной арматуры, располагаемые по наружному и внутреннему контурам с учетом обеспечения защитного слоя бетона, которые объединяют с помощью хомутов (рис. 7.11).

Рис. 7.11. Схема арматурного каркаса прямоугольного звена: а – поперечный разрез; б – вид вдоль оси трубы

В средней части типовых конструкций труб длина секций составляет 2,01 и 3,02 м. Звенья опираются на фундамент по слою цементного раствора. Фундаменты секций могут быть монолитными, сборными железобетонными или из бетонных блоков, мелкого или глубокого заложения. Между секциями устраивают деформационный шов толщиной 3 см.

В железобетонных трубах прямоугольного сечения применяют раструбные оголовки с откосными крыльями, расположенными под углом не менее 20^о (рис. 7.12).

На железных дорогах, строящихся в районах с суровыми климатическими условиями, наибольшее распространение получили прямоугольные железобетонные и бетонные водопропускные трубы. В настоящее время разработаны типовые проекты прямоугольных труб для суровых климатических условий:

№ГС 3.501.1-177.93. Выпуск 0–3. Трубы для железных и автомобильных дорог в особо суровых климатических условиях. (АО Трансмост, 1994 г.);

№ГС 3.501-65. Инв.№ 1016. Водопропускные трубы для железных и автомобильных дорог при расчетной температуре минус 40^оС и ниже, глубоком сезонном промерзании и наледях. Прямоугольные бетонные трубы. (Ленгипротрансмост, 1976 г.).

Рис. 7.12. Конструкция выходного оголовка прямоугольной трубы: а – фасад; б – разрез по оси трубы; в – план (насыпь не показана)

Звенья железобетонных труб прямоугольного сечения применяют отверстием от 1,5 до 6,0 м. Они опираются на сборно-моно­лит­ные фундаменты, состоящие из сборных железобетонных блоков Г- или Т-образной формы (рис. 7.13, 7.14) и монолитного бетона, а также фудаменты глубокого заложения на сваях и столбах (рис. 7.15, 7.16).

Рис. 7.13. Прямоугольная железобетонная труба с фундаментами Г-образной и Т-образной форм: а – поперечное сечение секции; б – фасад оголовка

Рис. 7.14 Общий вид железобетонной трубы прямоугольного сечения

Рис. 7.15. Прямоугольная железобетонная труба с фундаментами на сваях и столбах: а – оголовок; б, в – поперечное сечение секций

Рис. 7.16. Общий вид прямоугольной железобетонной трубы с фундаментами на сваях

Конструкции бетонных прямоугольных трубприменяют отверстием от 1,5 до 6,0 м, которые обеспечивают водопропускную способность до 150 м³/с. Средние секции труб имеют длину 3–4 м. Конструкции таких труб состоят из железобетонных плит перекрытия, бетонных блоков стен, насадок, лотка и фундамента (рис. 7.16, 7.17). Трубы отверстием 1,5–3,0 м имеют сплошные фундаменты, а остальные – раздельные на естественном основании, монолитные, сборные, а также глубокого заложения на сваях или столбах. Лотки бетонируют на песчаной подготовке. Трубы имеют раструбные оголовки с повышенным входным и нормальным выходным звеньями.

Типовые бетонные водопропускные трубы имеют аналогичные фундаменты, что и железобетонные (рис. 7.17, 7.18).

Рис. 7.17. Прямоугольные бетонные трубы: а, б – поперечное сечение секции и оголовка; в – с фундаментами Г-образной и Т-образной форм

Рис. 7.18. Прямоугольная бетонная труба с фундаментами из железобетонных блоков: а – поперечное сечение секции; б – поперечное сечение оголовка

При типовом проектировании водопропускных труб прямоугольного сечения фундаменты из железобетонных блоков Г-образного и Т-образного сечений предусмотрены для глубины промерзания грунта основания, равной 2,3 и 4 м.

В суровых климатических условиях при наличии в основании талых и слабых грунтов крайние секции и открылки оголовков предпочитают устанавливать на свайных фундаментах (см. рис. 7.16). Применение свайных фундаментов повышает жесткость основания и предохраняет трубы от растяжек. При слабых грунтах основания целесообразно применять в крайних секциях и открылках оголовков фундаменты с наклонными сваями.

При сооружении водопропускных труб на вечномерзлых грунтах обеспечивают сохранение естественного режима основания, не нарушая природные условия. В этом случае предпочтение отдают трубам с фундаментами на буроопускных столбах диаметром 0,6–0,8 м (см. рис. 7.15,в).

Конструкции бетонных и железобетонных трубовоидального сечения применяются отверстием от 1,0 до 3,0 м (рис. 7.19, 7.20). Железобетонные звенья овоидальных труб имеют арматуру в виде замкнутых спиралей (рис. 7.21).

Данный вид арматурного каркаса обеспечивает надежную работу конструкции с учетом полного спектра нагрузок. Все сечения звеньев овоидальных труб работают как внецентренно сжатые элементы.

Применение бетонных овоидальных труб позволяет сократить трудоемкость заводского изготовления и расход арматурной стали. Их применяют при высоте насыпи до 20 м.

Железобетонные трубы овоидального сечения являются более эффективными сооружениями при сравнении с круглыми конструкциями по расходу арматуры в среднем до 40–45 %.

Рис. 7.20. Общий вид бетонной трубы овоидального сечения

Рис. 7.21. Арматурный каркас овоидального звена