Схемы неразрезных, консольных и рамных систем - Проектирование мостов

В сечениях балок, имеющих наиболее простую статическую схему, возникают изгибающие моменты одного знака. Если определить максимальные изгибающие моменты от постоянной и временной нагрузок в каждом сечении балки, можно построить их график - огибающую эпюру моментов (Рис. 1.10).

Рис. 1.10 - Огибающие эпюры моментов для пролетных строений с простыми и неразрезными балками

Если для моста вместо двух простых балок применить двухпролетное неразрезное пролетное строение, то в огибающей эпюре моментов над средней опорой появится момент противоположного знака. За счет разгружающего действия опорного момента уменьшатся моменты в пролете, что особенно важно при значительном собственном весе конструкции. Это позволяет уменьшить строительную высоту пролетного строения в пролете, сократить размеры поперечного сечения и в результате снизить расход бетона и стали. Дополнительная экономия может быть получена за счет сокращения размеров опоры поверху, так как вместо двух на опоре располагают только одну опорную часть.

Вертикальное опорное давление от неразрезного пролетного строения передается на опору центрально и вызывает в сечениях опоры, а также в ее основании равномерно распределенные сжимающие напряжения. В случае опирания двух простых балок и загружения временной нагрузкой только одной из них линия действия опорного давления не совпадает с осью опоры и в сечениях опоры возникают изгибающие моменты от вертикальной нагрузки, вследствие чего может потребоваться увеличение размеров тела опоры или ее основания. С другой стороны, тормозная сила передается на опору от неразрезного пролетного строения с двух пролетов, поэтому опора, на которой расположена неподвижная опорная часть (левый устой (см. Рис. 1.10, б)), воспринимает большее горизонтальное усилие, чем в случае опирания на нее простой балки.[4]

Двухпролетная неразрезная балка является простейшим примером конструкции, в пролетах которой моменты уменьшаются действием опорных моментов. Аналогичный эффект достигается также применением консольных и рамных систем. Экономия материалов, получаемая от применения неразрезных балок вместо простых, возрастает с увеличением пролетов.

Кроме того, непрерывность конструкции пролетных строений обеспечивает плавный профиль проезда по мосту, что становится особенно важным при повышении скоростей движения транспорта. В мостах под автомобильную дорогу резко сокращается число деформационных швов проезжей части, конструкцию которых можно сделать более совершенной. Между тем переломы профиля проезда приводят к появлению значительных инерционных сил, а при проезде через простейшие деформационные швы - ударов. Это делает езду неспокойной, может нарушить сцепление колес автомобиля с проезжей частью и вследствие этого привести к потере управления автомобилем.

В связи с этим целесообразно применять неразрезные пролетные строения даже при малых пролетах, начиная с 12-15 м. Эксплуатационные качества таких пролетных строений достаточно высокие.

Сокращения числа деформационных швов в мостах с простыми балочными пролетными строениями под автомобильную дорогу можно добиться объединением проезжей части в непрерывную конструкцию на протяжении нескольких пролетов (так называемые температурно-неразрезные пролетные строения).

Ранее в мостах применяли главным образом двухпролетные и трехпролетные неразрезные балки. В последние 10-15 лет с целью повышения эксплуатационных качеств сооружения число пролетов неразрезных систем практически не ограничивают. С увеличением общей длины пролетного строения температурные перемещения его концов становятся весьма большими и требуется устройство совершенных деформационных швов. Кроме того, тормозные силы, передающиеся на неподвижные опорные части, также велики, что должно быть учтено при проектировании опор.

В пролетных строениях с неразрезными балками при числе пролетов более двух целесообразно, чтобы величины изгибающих моментов в средней части крайних и средних пролетов были примерно одинаковыми. В этом случае, назначив размеры поперечного сечения и армирование балки в этих пролетах также одинаковыми, можно получить простую конструкцию с полным использованием прочности бетона и арматуры. Этому удовлетворяет отношение длины крайнего пролета к среднему, равное ?0,8 при трехпролетной схеме и ?0,7 при большем числе пролетов. Местные условия могут потребовать и другого соотношения между длиной крайних и средних пролетов.

Неразрезные балки - статически неопределимые системы. Степень их статической неопределимости равна числу опор минус два. Как и во всякой статически неопределимой системе, при неравномерных осадках опорных точек в неразрезных балках возникают дополнительные изгибающие моменты. Поэтому неразрезные пролетные строения не рекомендуется применять, если возможны существенные осадки оснований опор. Опоры должны быть заложены в малосжимаемых грунтах или на жестких свайных основаниях.

Многопролетная неразрезная система может быть преобразована в статически определимую консольную систему, если включить шарниры в отдельных поперечных сечениях. Такая система нечувствительна к осадкам опор.

Введение шарниров дает четкое распределение знаков изгибающих моментов в том пролете, где они введены: в сечениях консолей действуют только отрицательные моменты и требуется постановка рабочей арматуры только в верхней зоне; в подвесных балках имеются лишь положительные моменты и арматуру надо ставить только внизу. Это дает определенные конструктивные и технологические преимущества, позволяя, например, применять в качестве подвесных балок типовые пролетные строения с простыми балками.

С другой стороны, в консольных пролетных строениях возникают переломы профиля проезда под временной нагрузкой, а иногда и вследствие длительных деформаций. Это серьезный недостаток, особенно при высоких скоростях движения транспорта. Кроме того, увеличивается количество деформационных швов, что также нежелательно.

Иногда применяют однопролетные консольные мосты под автомобильную дорогу (рис. 1.11, а), конструкция которых экономична, так как не требует сооружения устоев. Кроме того, консоли разгружают основной пролет. При длине консоли а = 0,3-0,4L можно добиться равенства нулю изгибающего момента в середине пролета от постоянной нагрузки.

При сопряжении моста с насыпью без устоя необходимо исключить значительные осадки насыпи и обеспечить постепенное возрастание жесткости основания проезжей части у въезда на мост. Для этого применяют железобетонные плиты, заложенные в насыпь и шарнирно прикрепленные к концу пролетного строения. Однако и в этом случае в период начала эксплуатации моста часто наблюдаются заметные осадки насыпи, препятствующие движению транспорта с высокими скоростями.

Однопролетные консольные системы нередко применяют в случаях, когда вследствие стесненных условий подмостового габарита или из архитектурных соображений необходимо уменьшение строительной высоты пролетного строения в середине пролета. Такие требования часто предъявляют к городским мостам.

В городском консольном мосту (рис. 1.11, б) сокращение строительной высоты пролетного строения в середине пролета достигнуто устройством шарнира, обеспечивающего равенство нулю изгибающего момента в этом сечении. Система моста - трехпролетная, статически неопределимая, крайние пролеты значительно меньше средних. Консольные балки предохраняют от опрокидывания противовесами, вынесенными на консоли за крайние опоры, которые оформлены в виде двух шарнирных стоек.

Рис. 1.11 - Схемы консольных мостов

Если объединить опоры с пролетным строением так, чтобы изгибающие моменты, возникающие в сечениях опор, облегчали работу на изгиб пролетного строения, получим рамную систему. Рамные системы (рис. 1.12) часто использовали до широкого распространения сборных железобетонных конструкций мостов. Несущая конструкция их состоит из горизонтального ригеля и жестко связанных с ним железобетонных стоек.

Рис. 1.12 - Схемы монолитных рамных мостов

Основным недостатком таких рамных мостов является трудность индустриализации их строительства. Чтобы собрать рамный мост из элементов, изготовленных на заводе, необходимо расчленить его конструкцию на монтажные блоки стыками, расположенными в сечениях со значительными изгибающими моментами. Соединение и омоноличивание стыков следует производить на месте.

Монолитные рамы (см. рис. 1.12) применяли только при малосжимаемых основаниях опор, так как при осадках или горизонтальных смещениях опор в сечениях ригеля и стоек возникают дополнительные изгибающие моменты. Кроме того, при большой длине рамы в ней могут возникать значительные изгибающие моменты от воздействия температуры. Можно уменьшить влияние смещений опор, а также температуры и усадки бетона, включив в конструкцию рамы шарниры и деформационные швы.

Развитие конструкций и методов сооружения мостов из предварительно напряженного железобетона позволило строить балочные неразрезные, консольные, а также рамные мосты значительных пролетов, например мост консольной системы пролетом 148 м, сооруженный в СССР в 1962 г. (см. рис. 1.12), построенные в 1965 г. мост через р. Рейн у Бендорфа (208 м) и в 1972 г. мост Урадо в Японии (229 м).

Эффективными методами сооружения мостов больших пролетов из преднапряженного железобетона являются способ навесного бетонирования, предложенный в ФРГ и широко применяемый за рубежом, и способ навесной сборки, разработанный в СССР (так называемый "русский способ"). Оба эти метода не требуют подмостей в пролете: сооружаемые балки или ригели рам постепенно наращивают от опор в пролет в виде консолей (рис. 1.13, а). Ригели или балки сооружают в обе стороны от промежуточных опор уравновешенно, чтобы в опоре не возникали значительные изгибающие моменты (рис. 1.13, б).

Рис. 1.13 - Сооружение неразрезных пролетных строений навесным способом

При навесном бетонировании наращивание консолей ведут бетонированием очередной секции на подмостях, подвешиваемых к готовой части балки или ригеля. После затвердевания бетона и натяжения арматуры, закрепляемой на забетонированном участке, подмости перемещают вперед. При навесной сборке блоки балки или ригеля, размеры которых определяются грузоподъемностью применяемых кранов, заготовляют на заводе или полигоне и поочередно подвешивают к ранее собранной части консоли, закрепляя их натяжением арматуры.

Сооружаемая внавес часть моста работает в период постройки на отрицательные изгибающие моменты, требующие расположения рабочей арматуры у верхнего волокна (рис. 1.14, а). Рационально использовать эту арматуру и для работы на постоянную и временную нагрузки при эксплуатации моста. При возникновении в период эксплуатации положительных изгибающих моментов необходима дополнительная арматура в нижней зоне, однако количество такой арматуры должно быть минимальным, так как размещение и закрепление ее связаны с конструктивными трудностями. В связи с этим стали применятьрамно-консольные и рамно-подвесные мосты.

Рис. 1.14 - Схемы рамно-консольных и рамно-подвесных мостов

Основой таких мостов служат Т-образные рамы, ригели которых сооружают навесным способом. В рамно-консольной системе (рис. 1.14, б) Т-образные рамы соединяют в середине пролетов шарнирами, допускающими относительные продольные перемещения концов ригелей соседних рам. В рамно-подвесной системе (рис. 1.14, в) на концы ригелей смежных рам опирают подвесные балки, имеющие одну неподвижную и одну продольно-подвижную опорные части. При этом для установки подвесных балок на ригели обычно требуются краны большей грузоподъемности, чем для навесной сборки ригелей.

С другой стороны, рамно-подвесные мосты лучше вписываются в очертание требуемого подмостового сухоходного габарита. Кроме того, в рамно-консольных мостах у шарниров возникают положительные изгибающие моменты от временной нагрузки в соседнем пролете, что может привести к необходимости постановки нижней рабочей арматуры. В рамно-подвесных мостах ригели работают только на отрицательные, а подвесные балки только на положительные моменты. Переломы профиля в шарнирах рамно-подвесных систем менее резкие, чем рамно-консольных.

При назначении основных размеров схемы рамно-консольных и рамно-подвесных мостов необходимо иметь в виду, что опоры работают на изгиб при несимметричном расположении временной нагрузки и требуют довольно мощного армирования. В опорах не должны возникать дополнительные моменты от постоянной нагрузки, поэтому нагрузки, действующие на консоли ригеля от собственного веса и от веса подвесных балок, следует уравновешивать. Пролеты подвесных балок часто зависят от возможности установки балок кранами, т. е. не превышают 42 м.

Навесным способом строят и мосты с неразрезными или консольными балками. В этом случае балки сооружают как консоли, используя в качестве анкерных береговые пролеты, построенные на подмостях (см. рис. 1.13, а). Многопролетные конструкции можно сооружать уравновешенно в обе стороны от промежуточных опор. Для этого балку объединяют с опорой (см. рис. 1.13, б), образуя на время постройки Т-образную раму, или рядом с постоянной опорой сооружают временные. По окончании постройки пролетное строение объединяют в неразрезную или консольную балку и освобождают от связи с опорой, оставляя лишь шарнирное опирание. В таких пролетных строениях необходима дополнительная нижняя арматура в средней части пролета.

Рамно-консольный мост можно превратить в рамно-неразрезной, соединив концы ригелей Т-образных рам после сооружения не шарнирами, а жестко. В полученной системе требуется нижняя арматура. Степень статической неопределимости, а следовательно, и чувствительность к перемещениям опор, воздействию температуры и усадки бетона при этом возрастают. Однако уменьшаются деформации от действия временной нагрузки, что особенно важно для мостов под железную дорогу.

Разновидностью рамно-неразрезных мостов является рамная система с наклонными стойками, получившая название "бегущая лань" (рис. 1.15). Эта система имеет хороший внешний вид и особенно рациональна при переходах через ущелья с крутыми откосами, где наклон стоек позволяет существенно уменьшить их длину.

Рис. 1.15 - Рамная система типа "бегущая лань"

В шарнирах консольных, рамно-консольных и рамно-подвесных мостов при проходе сравнительно тяжелой железнодорожной нагрузки наблюдаются переломы профиля пути (рис. 1.16). Это увеличивает динамическое воздействие нагрузки на мост и препятствует плавному проходу подвижного состава, что особенно неблагоприятно при высоких скоростях движения. Поэтому системы, имеющие шарниры в балках или ригелях рам, для мостов под железнодорожную нагрузку применяют редко. Угол перелома упругой линии от нормативной временной вертикальной нагрузки должен быть проверен расчетом. Он не должен превосходить допускаемой величины 0,006 радиана.

Рис. 1.16 - Деформация рамно-подвесного моста при загружении одной консоли ригеля

Кроме навесных способов сооружения пролетных строений мостов средних и больших пролетов в ряде случаев оказывается целесообразной продольная надвижка неразрезных пролетных строений (рис.1.17). На берегу устраивают жесткий стапель (1), на котором сооружают первую секцию (3) пролетного строения с применением крана (2). Готовую часть пролетного строения с помощью домкратов или лебедок выдвигают в пролет и изготовляют следующую секцию, соединяя ее с первой. Этот процесс повторяют до окончания сооружения пролетного строения.

Рис. 1.17 - Продольная надвижка неразрезного пролетного строения

Во время передвижки необходимо обеспечивать устойчивость пролетного строения против опрокидывания, а изгибающие моменты в сечениях не должны быть слишком велики. Для этого, как правило, используют аванбек (5) - легкую металлическую консоль, прикрепляемую к концу надвигаемого пролетного строения. Аванбек достигает следующей опоры при сравнительно небольших изгибающих моментах в конструкции. Если аванбека недостаточно, можно применить временные опоры (6) для поддержки пролетного строения во время надвижки, однако использование их нежелательно. Лучше увеличить длину аванбека, применяя для его изготовления высокопрочную сталь, алюминиевый сплав, или поддерживая аванбек с помощью тросового шпренгеля так, чтобы при надвижке пролетное строение опиралось только на постоянные опоры (4).

Сборку на берегу осуществлять удобнее, чем в пролете (как при навесном монтаже). Серьезный недостаток продольной надвижки, особенно при увеличении пролетов, - значительные изгибающие моменты в сечениях балки, возникающие во время передвижки и в ряде случаев превышающие моменты от постоянной и временной нагрузки при эксплуатации, а часто и не совпадающие с ними по знаку. Это приводит к необходимости постановки дополнительной монтажной арматуры, которую можно снять по окончании надвижки, но полностью использовать которую обычно не удается.

Части балки или рамы моста можно изготовлять на берегу в виде крупных блоков, выкатывать эти блоки по специально построенным пирсам в реку, поднимать плавучими опорами и доставлять на плаву в проектное положение. Этот способ требует больших затрат на вспомогательные сооружения (пирсы, подъемники, плавучие опоры) и оказывается приемлемым лишь при изготовлении и перевозке большого числа блоков.

В зарубежной и отечественной практике применяют метод монтажа неразрезных пролетных строений на перемещающихся из пролета в пролет металлических инвентарных подмостях, опирающихся на постоянные опоры. На подмости подают блоки, изготовленные на заводе. После окончания монтажа в одном пролете подмости перемещают в следующий пролет. Несмотря на значительный расход металла на инвентарные подмости этот способ монтажа целесообразно применять для многопролетных мостов при величине пролетов до 40-50 м.

За рубежом, в частности во Франции, построен ряд мостов рамной системы со стойками рам в виде сквозных шпренгельных треугольников. Пролеты таких рам достигают 80 м. Вертикальный элемент стойки имеет небольшую высоту (1/7-1/17L) и соединяется с пролетным строением шарнирно (рис. 1.18, а). Наклонный элемент стойки работает на растяжение, поэтому выполняется предварительно напряженным.

Рис. 1.18 - Разновидности рамных систем

В рамно-подвесных мостах с V - или Х-образными опорами можно добиться экономически целесообразного деления ригеля на пролеты, почти исключить из работы на изгиб наклонные элементы опор и сделать опоры сборными. Такие системы применены в ряде мостов за рубежом при пролетах до 85 м (рис. 1.18, б).

Неразрезные и консольные балки или ригели рам при значительных пролетах можно усиливать на опорных участках, где действуют максимальные отрицательные изгибающие моменты, постановкой подкосов или подпруг (рис. 1.19). Этот конструктивный прием аналогичен резкому увеличению высоты поперечного сечения у опор. Длину неусиленных участков балок в середине пролета получают небольшой. Расстояния между точками, в которых балка поддерживается подкосами или стойками подпруг, также невелики. Поэтому высоту главных балок можно назначить постоянной по длине и весьма малой по отношению к пролету (1/50-1/80L).

В главных балках таких систем, кроме изгибающих моментов, возникают продольные силы от горизонтальных составляющих усилий в подкосах или распора подпруг.

Веерно-подкосная система имеет наклонные подкосы, работающие на сжатие (рис. 1.19, а).

Рис. 1.19 - Усиление балок подкосами и подпругами

Эти подкосы целесообразно выполнять из железобетонных труб, изготовляемых методом центрифугирования на заводах.

Усиление неразрезной балки подпругами (рис. 1.19, б) может дать достаточно экономичную конструкцию. Большим достоинством такой системы является хороший внешний вид. Однако эта система не приспособлена к навесному монтажу.

Следует отметить, что пролетные строения с неразрезными балками и рамные системы из предварительно напряженного железобетона до настоящего времени не нашли применения в отечественных мостах под железную дорогу. Отчасти это объясняется большей ответственностью железнодорожных мостов.

Однако представляется, что неразрезные и рамно-неразрезные системы, имеющие значительные преимущества перед простыми балками, могли бы быть успешно применены в железнодорожных мостах, опираясь на опыт проектирования строительства и эксплуатации мостов под автомобильную дорогу.

Схемы неразрезных, консольных и рамных систем - Проектирование мостов

Похожие статьи