1. Группы предельных состояний

Конструкции мостовых сооружений следует рассчитывать по методу предельных состояний. Под предельными понимают состояния, при которых конструкция перестает удовлетворять предъявляемым к ней в процессе эксплуатации требованиям.

В соответствии с ГОСТ 27751 предельные состояния подразделяются на две группы:

- Первая группа – характеризуется невозможностью эксплуатации конструкций сооружения или утратой несущей способности сооружения в целом;

- Вторая группа – характеризуется усложнением (препятствием) для нормальной эксплуатации сооружения, уменьшением проектной долговечности.

Предельное состояние I группы или аварийное разрушение:

- потеря несущей способности грунтов основания;

- потеря прочности;

- потеря устойчивости формы;

- потеря устойчивости положения (опрокидывание, скольжение и т.п.);

- потеря выносливости.

Предельное состояние II группы, усложнение или невозможность нормальной эксплуатации:

- чрезмерные деформации;

- образование трещин или достижение трещинами предельно допустимой ширины раскрытия;

- недопустимые колебания конструкций при воздействии временных нагрузок;

- другие явления, при которых возникает необходимость временного ограничения нормальной эксплуатации сооружения (например, разрушение элементов мостового полотна, появление усталостных трещин и т.д.).

Конструкции не достигнут предельных состояний в том случае, если от действующих на эти конструкции (элементы конструкций) нормируемых нагрузок и воздействий, расчетные характеристики возникающего в них напряженно-деформированного состояния (усилия, напряжения, деформации, перемещения, образование или раскрытие трещин) (S_расч.) не превысят установленных предельных значений (S_пред.), т.е. для каждого предельного состояния выполнится неравенство

∑S_{i, расч} ≤ S_пред. , (1)

где S_{i, расч.} – расчетное значение характеристики напряженно-деформи-рованного состояния от действия i-й нагрузки (воздействия);

S_пред - предельные значения характеристик напряженно-деформированного состояния.

Расчетные значения характеристик напряженно-деформированного состояния (S_{i, расч.}) определяются по нормативным значениям нагрузок (воздействий) (S_{i, норм.}) с учетом возможных отклонений их фактических значений от нормативных путем введения коэффициентов надежности по нагрузке γ и коэффициента сочетаний нагрузок ψ:

S_{i, расч.} = γ _n× γ _fi× ψ_i×S_i,норм , (2)

где γ_n – коэффициент надежности по ответственности, учитывающий экономические, социальные и экологические последствия возможного выхода сооружения из эксплуатационного состояния;

γ_fi – коэффициент надежности по нагрузке, учитывающий возможные отклонения нагрузки в неблагоприятную (большую или меньшую) сторону от ее нормативного значения вследствие изменчивости или отступлений от условий нормальной эксплуатации;

ψ_i – коэффициент сочетания нагрузок, учитывающий пониженную вероятность одновременного наибольшего воздействия двух или нескольких нагрузок.

Предельные значения характеристик напряженно-деформированного состояния в общем случае определяются следующим образом

, (3)

где - совокупность нормативных значений прочностных и жесткостных характеристик материалов в составе рассчитываемого элемента конструкции (сечения), принимаемых, как правило, с 95%-й обеспеченностью;

- значение геометрических характеристик рассчитываемого элемента конструкции (сечения);

γ_m – коэффициенты надежности по материалу, учитывающие возможные отклонения характеристик прочности или жесткости материалов (грунтов) в неблагоприятную сторону;

m – коэффициенты условий работы, учитывающие возможные отклонения принятой расчетной схемы от реальных условий работы элементов конструкций, а также изменения свойств материалов во времени.

Временные нагрузки от подвижного состава (транспортных средств) железных и автомобильных дорог в случаях, предусмотренных настоящим техническим кодексом, следует вводить в расчет с соответствующими динамическими коэффициентами.

При единовременном учете действия на сооружение двух или более временных нагрузок расчетные значения этих нагрузок следует умножать на коэффициенты сочетаний, менее или равные единице.

2. Классификация труб на автомобильных и городских дорогах

Трубы под насыпями можно классифицировать по следующим признакам:

• по характеру протекания воды;

- безнапорные - поток на всем протяжении трубы имеет свободную поверхность

- полунапорные - входное сечение трубы затоплено, а на остальном протяжении поток имеет свободную поверхность.

- напорные - вода заполняет все сечение трубы.

• по форме поперечного сечения трубы:

- Круглые;

- Прямоугольные;

- Овоидальные;

- Арочные.

• по числу отверстий:

- Одноочковые;

- Двухочковые;

- Многоочковые.

• по материалу труб:

- Каменные;

- Бетонные;

- Железобетонные;

- Металлические;

- Полимерные.

• по типу оголовков:

а)

а) с портальным оголовком;

б) с коридорным оголовком;

в) с раструбным оголовком;

г) с воротниковым оголовком (при воротниковом оголовке трубы срезаны в плоскости откоса насыпи, а потому их иногда называют трубами со скошенными оголовками);

д) с обтекаемым оголовком.

3. Нагрузки и воздействия (одиночная ось, нагрузка НК, нагрузка НГ)

А. Постоянные

Собственный вес конструкций

Воздействие предварительного напряжения (в том числе регулирования усилий)

Давление грунта от веса насыпи

Гидростатическое давление

Воздействие усадки и ползучести бетона

Воздействие осадки грунта

Б. Временные

От подвижного состава и пешеходов

Вертикальные нагрузки

Давление грунта от подвижного состава

Горизонтальная поперечная нагрузка от центробежной силы

Горизонтальные поперечные удары подвижного состава

Горизонтальная продольная нагрузка от торможения или силы тяги

Прочие

Ветровая нагрузка

Ледовая нагрузка

Нагрузка от навала судов

Температурные климатические воздействия

Строительные нагрузки и нагрузки от эксплуатационных обустройств

Одиночная ось (рисунок 4) для проверки проезжей части мостов, проектируемых под нагрузку А8.

Р=108кН

Рисунок 4 - Одиночная ось

При пропуске по мосту специальных автотранспортных средств, весовые параметры которых выходят за пределы, определенные для весовых параметров автотранспортных средств общего пользования нормативная временная нагрузка представляется в виде одиночной тяжелой четырехколесной нагрузки НК (рисунок 5) весом 1098 кН (НК-112) на дорогах Iа-III категорий, для больших мостов и в городах с населением более 100 000 жителей и весом 785 кН – для всех остальных мостов (НК-80).

Рисунок 5 – нагрузка НК

Для деревянных мостов на дорогах V категории и мостов на местных автомобильных дорогах низших категорий допускается принимать гусеничную нагрузку HГ-60 общим весом 588 кН (рисунок 6).

Рисунок 6 – нагрузка НГ- 60

Нагрузка НК учитывается при отсутствии других подвижных нагрузок на мосту и устанавливается в самое неблагоприятное положение вдоль и поперек моста в пределах габарита проезжей части, включая и полосы безопасности. Нагрузки НК-112, НК-80 и НГ-60 не учитывают совместно с временной нагрузкой на тротуарах, а также при расчетах на выносливость. При расчетах по раскрытию трещин нагрузка НК-112 принимается с коэффициентом 0,8.

4. Нагрузки и воздействия (автомобильная колесная АК)

А. Постоянные

Собственный вес конструкций

Воздействие предварительного напряжения (в том числе регулирования усилий)

Давление грунта от веса насыпи

Гидростатическое давление

Воздействие усадки и ползучести бетона

Воздействие осадки грунта

Б. Временные

От подвижного состава и пешеходов

Вертикальные нагрузки

Давление грунта от подвижного состава

Горизонтальная поперечная нагрузка от центробежной силы

Горизонтальные поперечные удары подвижного состава

Горизонтальная продольная нагрузка от торможения или силы тяги

Прочие

Ветровая нагрузка

Ледовая нагрузка

Нагрузка от навала судов

Температурные климатические воздействия

Строительные нагрузки и нагрузки от эксплуатационных обустройств

При нормальном движении по мосту автотранспорта общего пользования и пешеходов без каких-либо ограничений (1 случай) или при временном стеснении габарита проезда вследствие ремонта покрытия, ДТП и т.п. (2 случай), нормативная нагрузка принимается в виде полос автомобильной нагрузки АК (рисунок 3), каждая из которых включает одну двухосную тележку с давлением на ось, равным 10К (кН) и равномерно распределенную нагрузку интенсивностью К(кН/м) (на обе колеи), где К – класс нагрузки.

Рисунок 3 - Автомобильная нагрузка АК

Класс нагрузки К следует принимать равным 14 для мостов и труб на дорогах I-a, I-б, I-в, II и III категорий, для больших мостов и мостов в городах с населением более 100 000 жителей, и равным 11 для малых и средних мостов на дорогах общего пользования IV и V категорий и дорогах необщего пользования. Класс нагрузки К для деревянных мостов на дорогах V категории и мостов на автомобильных дорогах низших категорий допускается принимать равным 8.

При загружении полосами нагрузки АК в случае 1 должны выполняться следующие условия:

- число полос нагрузки, размещаемой на мосту, не должно превышать установленного числа полос движения;

- полосы нагрузки АК размещаются в пределах проезжей части (не включающей полосы безопасности) вдоль направления движения;

- расстояние между осями смежных полос нагрузки должно быть не менее 3,0м;

- нагрузкой АК загружаются также трамвайные пути, расположенные на необособленном полотне, причем оси полос нагрузки АК следует совмещать с осями трамвайных путей;

- при многополосном движении в каждом направлении и отсутствии разделительной полосы на мосту ось крайней левой (внутренней) полосы нагрузки каждого направления должна быть расположена на расстоянии не менее, чем на 1,5м от линии, разделяющей направления движения;

- если на мосту предусмотрена разделительная полоса шириной 3м и более без ограждений, то при загружении моста временными вертикальными нагрузками следует учитывать возможность использования в перспективе разделительной полосы для движения;

- при наличии линий влияния, имеющих три или более участка разных знаков, тележкой загружается участок, дающий для рассматриваемого знака наибольшее значение усилия (перемещения); равномерно распределенной нагрузкой (с необходимыми ее перерывами по длине) загружаются все участки, вызывающие усилие (перемещение) этого знака;

Для случая 2 нормативная нагрузка представляется в виде двух полос нагрузки АК, размещаемых в невыгодном положении по всей ширине ездового полотна (включая полосы безопасности).

При этом оси крайних полос нагрузки АК должны быть расположены на расстоянии не менее чем на 1,5м от ограждения.

При расчетах конструкций на выносливость и по предельным состояниям второй группы следует рассматривать только случай 1.

5. Виды транспортных сооружений на автомобильных и городских дорогах

• Водопропускные трубы

Их укладывают в тело земляного полотна дороги, они служат для пропуска под дорогой небольших ручьев, пешеходов и животных.

Достоинство - земляное полотно не прерывается.

• Мостовые сооружения

Они прерывают земляное полотно дороги своими конструкциями, которые состоят из пролетных строений и опор. Пролетные строения перекрывают пространство между опорами, поддерживают перемещающиеся по сооружению нагрузки и передают их и собственный вес на опоры. Опоры передают нагрузку на грунт.

Различают следующие виды мостовых сооружений:

1) мост - служит для пропуска дороги над водным препятствием.

2) путепровод - служит для пропуска одной транспортной магистрали над другой.

3) эстакада - служит для пропуска дороги на некоторой высоте над поверхностью земли, чтобы пространство под ними могло быть использовано для различных целей.

4) виадук - для пропуска дороги над глубоким оврагом, ущельем, суходолом с высоким расположением уровня проезда над низом препятствия.

Описание: Виадук Мийо́ (Миллау) (фр. le Viaduc de Millau) — вантовый дорожный мост, проходящий через долину реки Тарн вблизи города Мийо в южной Франции (департамент Аверон). Мост является последним звеном трассы А75, обеспечивающей высокоскоростное движение из Парижа через Клермон-Ферран к городу Безье. До создания моста движение осуществлялось по национальной трассе № 9, проходящей вблизи Мийо, и приводило к большим заторам в конце летнего сезона. Многие туристы, следующие из южной Франции и Испании, выбирают этот путь, так как он наиболее прямой и по большей части бесплатен. Авторами проекта моста являются французский инженер Мишель Вирложо, известный проектом второго по протяжённости вантового моста в мире — моста Нормандия — и английский архитектор Норман Фостер, являющийся также автором проектов аэропорта в Гонконге и реставрации здания Рейхстага в Берлине. Виадук был создан по договору концессии французского правительства с группой «Eiffage» (французской конструкторской компанией, в которую в том числе входят мастерские Густава Эйфеля, построившего Эйфелеву башню). Срок действия договора концессии — 78 лет. Мост пересекает долину реки Тарн в её самой нижней точке, связывая плато Ларзака с красным плато и проходит по внутренней стороне периметра природного парка Большое плато. Это самый высокий транспортный мост в мире, одна из его опор имеет высоту 341 метр — немного выше, чем Эйфелева башня, и всего на 40 метров ниже, чем Эмпайр-стейт-билдинг. Мост был торжественно открыт 14 декабря 2004 года, и для движения — 16 декабря 2004 года.

• Тоннели

Применяются для пропуска дороги сквозь толщу горного массива или под крупными реками, морскими проливами или заливами. В городах их применяют для пропуска под землей авто и пешеходов.

• Галереи - служат для защиты от снежных лавин и камнепадов (рис. а),

• Балконы - обеспечивают необходимую ширину проезда на крутых склонах при сокращении объемов работ по разработке скальной породы (рис. б),

• Подпорные стенки - предотвращают обрушение на дорогу находящегося за ними грунта или обеспечивают устойчивость откоса земляного полотна (рис. в). По месту расположения бывают верховые и низовые.

6 Элементы мостового перехода

Мостовой переход - это комплекс сооружений, предназначенных для преодоления дорогой водной преграды.

1 - мост перекрывает наиболее глубокую часть живого сечения потока и служит для пропуска воды;

2- подходные насыпи - устраиваются на наиболее высоких участках речной долины и перекрывают часть живого сечения потока;

3- струенаправляющие дамбы - устраиваются для регулирования движения потока и защиты конструкции моста от размыва;

4- траверсы – регулируют движение потока и защищают откос подходной насыпи от размыва;

5- укрепление берега.

7 Элементы водопропускной трубы

1. Входной оголовок; 2. Выходной оголовок; 3. Тело трубы; 4. Секция трубы; 5. Звено трубы; 6. Фундамент; 7. Деформационный шов

Рисунок 7 - Конструкция ж.б. трубы

Оголовок необходим для плавного ввода в отверстие трубы и защиты откосов насыпи от размыва. В связи с тем, что от воздействия временной и постоянной нагрузок осадка насыпи над трубой происходит неравномерно, давление, передаваемое на трубу, увеличивается к середине и уменьшается к оголовкам. Поэтому осадка тела трубы также происходит неравномерно. Для предотвращения образования трещин в элементах трубы, устроены деформационные швы. Трубе при строительстве придают строительный подъём по круговой кривой со стрелой подъёма от 1/40 до 1/80 высоты насыпи.

Для элементов ж.б. труб применяют тяжёлый гидротехнический бетон со средней плотностью от 21,2 до 23,5 кг/м³ с классом по прочности на сжатие не ниже В20. Марка бетона по морозостойкости не менее F200. Принимают портландцемент в качестве вяжущего: сульфатостойкий портландцемент гидрофобный. Используют арматуру S240, S400, S500. Наиболее часто применяют звенья сборные, круглые или прямоугольные.

Круглые звенья имеют внутренний диаметр от 0,5 до 2метров. Толщина стенок от 8 до 24см. Длина звеньев 1; 5метров.

8. Назначение ширины мостовых сооружений

Ширина моста включает ширину проезжей части, полос безопасности, разделительной полосы, тротуаров и ограждений. Размеры этих элементов назначают с учетом требований стандартных габаритов. Габарит моста, называемый также габаритом приближения конструкций, - это контур в плоскости, перпендикулярной оси проезжей части, внутрь которого не должны заходить никакие элементы сооружения или расположенные на нем устройства.

Схемы габаритов приближения конструкций автодорожных и городских мостов при отсутствии трамвайного движения приведены на рисунке 1, при этом левая половина каждой схемы относится к случаю примыкания тротуаров к ограждениям, правая – к случаю раздельного размещения тротуаров.

а) При отсутствии разделительной полосы

б) С разделительной полосой без ограждений

в) С разделительной полосой при наличии ограждений

Рисунок 1 – Схема габаритов приближения конструкций

автодорожных и городских мостов:

Обозначения, принятые на схемах габаритов:

В – общая ширина проезжей части или ширина проезжей части для движения одного направления;

n – число полос движения, b - ширина каждой полосы движения, принимаются:

- для мостов на дорогах общего пользования – по таблице 5, ТКП 45-3.03-19;

- на дорогах промышленных предприятий – по СНиП 2.05.07;

- на улицах и дорогах в городах, поселках и сельских населенных пунктах – по ТКП 45-3.03-227.

Н – габарит по высоте (расстояние от поверхности проезда до низа пролетного строения над проездом);

П – полосы безопасности (предохранительные полосы);

С – разделительные полосы (при многополосном движении в каждом направлении), ширина которых равна расстоянию между кромками проезжих частей разного направления движения;

ЗП – защитные полосы, ширину которых, как правило, следует принимать равной 0,5м, для деревянных мостов с ездой понизу – 0,25м;

Г – расстояние между ограждениями проезда, в которое входит и ширина разделительной полосы, не имеющей ограждений;

Т – ширина тротуаров по ТКП 45-3.03-232-2011, п. 5.9;

а – высота ограждений проездов в соответствии с указаниями ТКП 45-3.03-232-2011, п. 5.14;

h_T – габарит по высоте на тротуарах, принимаемый не менее 2,5м.

8. Элементы мостов

Мосты состоят из пролетных строений и опор.

Пролётные строения – перекрывают пространство между опорами, поддерживают все перемещающиеся по пролёту нагрузки и передают их и собственный вес на опоры. В состав пролётных строений входят: 1- несущие элементы пролётного строения; 2 - несущие элементы проезжей части; 3 -мостовое полотно; 4 - система связей; 5 - опорные части.

1. Несущие элементы пролётного строения – воспринимают действие собственного веса, временные нагрузки, передавая его на опоры. В балочных мостах малых пролётов несущими элементами являются деревянные или металлические прогоны, ж. б. плиты или балки. При средних и больших пролётах несущими элементами являются: балки, арки, фермы, рамы.

2. Несущие элементы проезжей части – воспринимает нагрузку от транспортных средств и пешеходов, передавая её на основные несущие конструкции. Несущие элементы проезжей части могут быть двух видов:

1) балочная клетка – это совокупность продольных и поперечных балок.

1.Ж.б. плита;

2.Главная балка;

3.Продольная балка балочной клетки;

4.Поперечная балка балочной клетки.

Рисунок 2 – балочная клетка

2) ортотропная плита – это стальной лист, подкреплённый рёбрами жёсткости.

5.Ортотропная плита

6.Поперечная балка

Рисунок 3 – ортотропная плита

3) ребристые или сплошные плиты

7.Сплошная плита с пустотами.

Рисунок 4 – ребристые и сплошные плиты

3. Мостовое полотно расположено над несущими элементами и предназначено для безопасного движения транспорта, пешеходов и отвода воды. В состав мостового полотна входят: перильные и барьерные ограждения, одежда ездового полотна и тротуаров, устройство для освещения и водоотвода, деформационные швы.

I - тротуар; II - полоса безопасности; III - проезжая часть; IV - ездовое полотно;

1 - перильное ограждение; 2 - одежда тротуаров; 3 - барьерное ограждение;

4 - устройство для освещения; 5 - устройство для водоотвода; 6 - одежда ездового полотна; 7 - несущие элементы проезжей части; 8 - несущие элементы пролетного строения

Рисунок 5 - Элементы мостового полотна:

4. Связи между главными балками, фермами или арками, служат для объединения их в единую жёсткую конструкцию, способные воспринимать всеми элементами, вертикальные и горизонтальные нагрузки.

5.Опорные части – это элементы, с помощью которых опорные реакции от несущих конструкций передаются на опоры в заданном месте. Опорные части обеспечивают поворот и смещение главных балок при их прогибе от действия временных нагрузок, а также продольного и поперечного смещения концов балок в результате температурных деформаций.

Опоры мостов служат для передачи нагрузок с пролётного строения на грунт или воду. По месту расположения, опоры могут быть: береговые (устои) или промежуточные (быки).

8. Опоры автодорожных мостов

Опоры классифицируют:

• по месту расположения:

-береговые;

-промежуточные:

• по материалу:

-из железобетона;

-бетона;

-бутобетона;

-металла;

Опоры из ж/б относятся к тонкостенному типу, из бетона и бутобетона - к массивному.

• по способу возведения:

-монолитные;

-сборные;

-сборно-монолитные;

• по форме в плане:

-прямоугольная (на суходолах)

-обтекаемой формы в плане

Виды промежуточных опор

Высота опоры зависит от вида сооружения, от величины подмостового габарита, от условий местности и от типа фундамента. Размеры опор поверху зависят от размеров про­летного строения, количества конструкций опорных частей. Для мостов с балочной стати­ческой схемой используют следующие виды промежуточных опор:

1. Массивная с ледорезом

2. Массивная с водорезом

У массивной опоры объём кладки при работе на прочность используется не полно­стью т.к. размеры опоры назначают по конструктивным соображениям. Поэтому с целью экономии материала данный вид опор имеет 2-х консольный оголовок.

3. Массивная с облегченной верхней частью

Такой вид опор применяется на судоходных реках, столбы установлены с целью экономии материала. Опоры целесообразны в многопролетных мостах с двумя главными балками. Они позволяют свободно перемещаться под мостом смотровой тележке с целью осмотра и ремонта пролетных строений.

4. Столбчатая облегченная

Такой вид опор применяют при благоприятных геологических условиях. При вы­соте опоры до 14м толщине льда (60-100см). Количество столбов в опоре зависит от ши­рины моста, геологических условий. Если высота опоры до 8м, а величина габарита 8м и менее, устанавливают столбчатые опоры в виде Т-образной рамы. Расстояние между столбами 3 - 4,2м.

5. Опоры стенки

Такой вид опор состоит из вертикально поставленных плит объединенных поверху ригелем. Применяют эти опоры при пролете 12 - 42м на реках со слабым ледоходом и при отсутствии косоструйного течения. Толщина плит опоры стенки 50 – 70см. При высоте опор от 8м до 13,5м в стенках могут быть устроены проемы.

6. Свайные

Применяются в условиях равнинной и слабопересечённой местности на малых реках и суходолах. При подъёме паводковых вод от 2 до 4 м и при высоте насыпи от 4 до 6 м в толщине льда до 0,3 м.

Достоинство – мало конструктивных элементов, изготовление которых хорошо освоено на заводах; возможность перевозки различными видами транспорта. Количество раствора для омоноличивания не превышает 2% от объёма сборного ж/б.

При длине пролёта до 9 м опоры однорядные с призматическими сваями размером 35х35 см.

При длине пролёта до 21 м опоры однорядные секционные с призматическими или полыми круглыми сваями диаметром 60 см. Однородные опоры считаются гибкими, поэтому для полного восприятия горизонтальных усилий устраивают через каждые 50-60 м длины моста двухрядные жёсткие опоры.

Виды береговых опор автодорожных мостов

1. Массивная монолитная с откосными крыльями

1 – откосные крылья, 2 – тело опоры, 3 – фундамент, 4 – опорная часть

Применяются при высоте H опоры более 10 м и длине пролёта более 40 м. Если по условию обеспечения отверстия моста возможно устройство конуса.

2. Сборная двухстоечная

5 – стойка, 6 – шкафная стенка, 7 – подферменик.

Сечение стоек квадратное. Минимальный размер 25 см, максимальный – 75 см.

3. Сборная с одним рядом свай

8 – свая

H≤3м – высота опоры.

8. Распределение временной нагрузки между балками пролетного строения

Постоянные и временные нагрузки не одинаково распределяются между прогонами. Постоянная нагрузка распределена в плане практически равномерно. Все прогоны от действия этой нагрузки будут иметь одинаковое напряжение. Временная нагрузка может занимать на проезжей части произвольное положение, как правило эксцентрично относительно оси пролётного строения, и вызывать не только изгиб, но и кручение пролётного строения. Элементы проезжей части участвуют в распределении нагрузки между прогонами, обеспечивая пространственную работу пролётного строения, при котором временная нагрузка, находящаяся в любом месте проезжей части, вызывает усилие во всех элементах пролётного строения.

Усилие в прогонах с учётом пространственной работы определяют на основе двух подходов:

- при первом подходе пролётное строение рассматривают как систему взаимосвязанных элементов. Усилие в элементах такой системы определяют методами строительной механики, такими как метод конечных элементов, метод балочного ростверка;

- при втором подходе раздельно рассматривают работу элементов пролётного строения в поперечном и продольном направлении (метод коэффициентов поперечной установки).

Суть метода КПУ: усилия, возникающие в прогонах зависят от положения нагрузки в поперечном направлении. При разрезных поперечных балках (прогонах) нагрузка между соседними балками будет распределяться по закону рычага, а линия влияния опорной реакции на каждую из балок или прогон будет треугольной (рис. 5.4).

Рисунок 5.4 – Схема к определению КПУ

Загружая пролётное строение нагрузкой в виде нескольких сосредоточённых сил определяем воздействие на рассматриваемую балку как опорную реакцию по следующей формуле

D=ΣP*Y_i=PΣ Y_i , (1)

где n – количество сил находящихся на одной балке;

Y_i – ордината на линии влияния под сосредоточенной силой.

Разделив выражение (1) на нагрузку, находящуюся на всём пролётном строении, получаем коэффициент поперечной установки.

η= D/ n^’* P= Σ Y_i / n^’

где n^’ – количество сил на всём пролётном строении.

В настоящее время КПУ определяют как отношение воздействия D воспринимаемого одной главной балкой к временной нагрузке находящейся на пролётном строении в одной полосе загружения с двумя осями.

На основании этого КПУ определяют по формуле

η= Σ Y_i / 2.

Существует несколько способов построения линии влияния воздействий на главные балки или прогоны, требуемых для вычисления КПУ, учитывающих жесткость поперечных связей пролётного строения. Это способ рычага, способ внецентренного сжатия.

8. Требования к бетону для железобетонных мостов

Мосты эксплуатируются в сложных условиях. Они находятся под воздействием тяжелых подвижных нагрузок, колебаний температуры, влажности, вредных газов, а их опоры находятся под активным воздействием ледохода, карчехода и изменяющегося в течение года уровня воды в реке. Сложные условия работы мостов, а также условия производства работ при их строительстве определяют к материалам и изделиям для мостов ряд требований.

К бетону, применяемому в железобетонных мостах, предъявляются следующие требования:

• высокая прочность;

• водо- и газонепроницаемость;

• морозостойкость;

• химическая стойкость;

• необходимые сроки твердения;

• удобоукладываемость;

• умеренная усадка и ползучесть.

Показателем прочности бетона является класс бетона по прочности на осевое сжатие В — временное сопротивление сжатию в МПа бетонных кубов размером 150*150x150 мм с учетом статистической изменчивости при обеспеченности 0,95, испытанных в возрасте 28сут. после хранения их во влажной среде при температуре t=20±2°С. Для конструкций мостов и труб применяют бетоны следующих классов прочности на сжатие В20, В25, ВЗО, В35, В40, В45, В50, В55 и В60. В зависимости от вида и назначения конструкций, способов их армирования и условий их работы применяют в них бетон различных классов.

По Еврокоду класс бетона по прочности - количественная величина, характеризующая качество бетона, соответствующая его гарантированной прочности на осевое сжатие, обозначаемая буквой С и числами, выражающими значения нормативного сопротивления и гарантированной прочности в Н/мм² (МПа), например: C40/50 (перед чертой - значение нормативного сопротивления, Н/мм², после черты - гарантированная прочность бетона, Н/мм²). Гарантированная прочность бетона это и есть класс бетона по СНиП. Поэтому C40/50 соответствует В50.

При проектировании бетонных, железобетонных и предварительно напряженных конструкций следует применять конструкционные бетоны следующих классов по прочности на сжатие:

а) тяжелые, в том числе напрягающие: С⁸/₁₀; С¹²/₁₅; С¹⁶/₂₀; С²⁰/₂₅; С²⁵/₃₀; С³⁰/₃₇; С³⁵/₄₅; С⁴⁰/₅₀; С⁴⁵/₅₅; С⁵⁰/₆₀; С⁶⁰/₇₀; С⁷⁰/₈₅; С⁸⁰/₉₅; С⁹⁰/₁₀₅; С¹⁰⁰/₁₁₅;

б) мелкозернистые:

— группы А (естественного твердения или подвергнутые тепловой обработке при атмосферном давлении на песке с модулем упругости св. 2,0): С⁸/₁₀; С¹²/₁₅; С¹⁶/₂₀; С²⁰/₂₅; С²⁵/₃₀; С³⁰/₃₇; С³⁵/₄₅;

— группы Б (то же, с модулем крупности 2,0 и менее): С⁸/₁₀; С¹²/₁₅; С¹⁶/₂₀; С²⁰/₂₅; С²⁵/₃₀.

Примечание — Группа мелкозернистого бетона должна указываться в рабочих чертежах конструкции.

В несущих, особенно предварительно напряженных, конструкциях мостов рекомендуется применять бетон высоких классов прочности. Для их получения используются следующие пути:

• применение цементов высокой активности (активность применяемого цемента обычно в 1,3—1,8 раза более проектного класса бетона по прочности на сжатие);

• рациональное увеличение норм расхода цемента (на 1 м³ бетона не менее 250 кг и не более 450 кг цемента, большие расходы цемента увеличивают деформации усадки и ползучести бетона, что приводит к образованию в нем трещин);

• уменьшение водоцементного отношения;

• применение прочных заполнителей, промывка их с целью удаления глинистых и илистых частиц, ухудшающих сцепление цементного камня с заполнителем;

• подбор оптимального гранулометрического состава песка и щебня, при котором обеспечивается возможно более полное заполнение ими объема бетона и уменьшается содержание цементного камня, имеющего меньшую прочность, чем прочность щебня и песка.

Стойкость бетона против внешних воздействий, водо- и газо-непроницаемость обеспечиваются созданием его плотности, измеряемой в кг/м³. Марка бетона по плотности отвечает гарантированному значению объемной массы бетона в кг/м³, обозначается буквой D и числом, выражающим значение объемной массы бетона (например, D2000) и устанавливаемой в соответствии с требованиями стандартов.

Необходимая плотность бетона обеспечивается его вибрированием. В конструкциях мостов и труб предусматривается применение тяжелого бетона со средней плотностью от 2200 до 2500 кг/м³. Применение бетона с меньшей плотностью допускается лишь в опытных конструкциях.

Морозостойкость бетона характеризуется маркой F — наибольшим числом циклов попеременного замораживания и оттаивания, которые способны выдержать образцы 28-суточного возраста без снижения прочности более чем на 15%. Марки бетона по морозостойкости для мостов и труб в зависимости от климатических условий зоны строительства, расположения относительно воды и вида конструкции принимают в пределах от 100 до 400. Климатические условия характеризуются среднемесячной температурой наиболее холодного месяца (умеренные - при t>-10 °С, суровые - при t от -10 до - 20 °С, особо суровые - при t ниже - 20 °С). Морозостойкость бетона повышают введением в него воздухововлекающих добавок, которые создают мелкие поры, обеспечивающие свободное расширение воды при ее замерзании в теле бетона.

Марка бетона по водонепроницаемости W соответствует давлению воды (в МПа), при котором еще не наблюдается ее просачивание через образец бетона высотой 15см в возрасте 28сут., испытанного по специальному режиму. Эта марка должна быть не ниже W4 в подводных и подземных частях и не ниже W6 в водопропускных трубах, элементах дорожной одежды проезжей части и переходных плитах.

Химическая стойкость бетона во многом зависит от его плотности и вида применяемого цемента. В железобетонных мостах применяют бетон на портландцементе, сульфатостойком портландцементе и глиноземистом цементе. Портландцемент используют для наиболее ответственных сооружений. Сульфатостойкий портландцемент и глиноземистый цемент используют в конструкциях, которые могут подвергаться действию морской, минерализованной и болотной воды или другим агрессивным химическим воздействиям, вредно действующим на портландцемент.

Сроки и интенсивность твердения бетона и приобретение им необходимой прочности важны для ускорения производства работ. Цементы с обычной тонкостью помола обеспечивают в возрасте 3сут. около 50% прочности, тонкомолотые быстротвердеющие цементы позволяют получить в возрасте 1сут. 40-50% проектной прочности, однако при их использовании увеличивается усадка бетона и снижается его морозостойкость. Ускорение твердения и набора прочности цемента лучше обеспечивать равномерным пропариванием бетона в камерах с последующим постепенным его охлаждением.

Подвижность бетонной смеси очень важна для получения плотного бетона. Она увеличивается с увеличением В/Ц, но это снижает прочность бетона. Для мостов применяют бетонные смеси с водоцементным отношением не более 0,6. При уплотнении бетонной смеси длительным вибрированием могут применяться жесткие смеси с В/Ц=0,3. Увеличение подвижности бетонной смеси при укладке достигается также введением в нее различных пластификаторов. Имеются пластификаторы, которые превращают бетон с низким водоцементным отношением в весьма подвижную смесь.

Усадка - свойство бетона уменьшать размеры в процессе твердения и последующего высыхания. Неравномерная усадка бетона приводит к появлению в нем трещин и дополнительных усилий в статически неопределимых железобетонных конструкциях. Уменьшения усадочных деформаций достигают сокращением содержания цемента и воды в бетоне, а также постановкой противоусадочной арматуры.

Ползучесть бетона - способность медленно деформироваться под постоянной нагрузкой. Она приводит к падению усилий в напряженной арматуре и перераспределению внутренних усилий в статически неопределимых конструкциях.

Наряду с обычным тяжелым бетоном в опытных конструкциях допускается применять легкий бетон с заполнителем из керамзита или других материалов. Средняя плотность таких бетонов составляет около 1800кг/м³. Перспективен также бетон с полимерными добавками, позволяющими значительно повысить водонепроницаемость и сопротивление растяжению бетона. Представляет интерес также фибробетон, прочность на растяжение которого в 2-3 раза выше, чем обычного бетона.

8. Материалы для гидроизоляции бетона мостов

Гидроизоляция предотвращает проникновение атмосферной влаги или грунтовых вод к бетону пролетных строений или опор и предохраняет бетон от разрушения, а арматуру от коррозии.

Гидроизоляционные материалы делят на:

• окрасочные;

• оклеечные.

Окрасочную гидроизоляцию выполняют полимерными и битумно-полимерными мастиками. Материалы, которые используются для устройства мастичной гидроизоляции могут приготавливаться:

• на каучуковой основе (эластомеры);

• на основе синтетических полимеров (термопласты);

• на основе битума (полимербитумы);

• комбинированные из синтетических и битумных материалов;

• жидкие полимеры (полиэфиры, полиуретаны, полиакрилы);

• битумные материалы на полимерной основе.

Материалы мастичной битумно-полимерной гидроизоляции: «Технопрок»-Россия; «Эластопаз»-Израиль.

Материалы мастичной битумно-полимерной гидроизоляции: «Рабберфлекс-55»-Россия (полиуретановая основа); «Полимаст»-Россия (основа- модифицированный синтетический каучук).

Окрасочная гидроизоляция представляет собой несколько слоев пленкообразующих жидких или пластичных гидроизоляционных материалов, нанесенных на изолируемую поверхность пневматическим напылением или набрызгом под высоким давлением, а при небольших объемах работ – валиками, кистями и шпателями. Толщина одного слоя – от 0,05 до 1мм. Все гидроизоляционное покрытие состоит из слоя грунтовки, 2 – 6 слоев обмазочного покрытия и посыпки кварцевым песком. Общая толщина – 4мм.

Для оклеечной гидроизоляции применяют рулонные битумно-полимерные материалы. Их укладывают на загрунтованную поверхность. В качестве грунтовки применяют битумно-полимерные мастики и эмульсии (с органическими растворителями и на водной основе).

Битумно-полимерный рулонный наплавляемый гидроизоляционный материал ТЕХНОЭЛАСТМОСТ разработан совместно СоюздорНИИ и компанией "ТехноНИКОЛЬ".

ТЕХНОЭЛАСТМОСТ предназначен для устройства гидроизоляции железобетонной плиты проезжей части (марка "Б").Уникальные физико-механические характеристики материала обеспечиваются применением в качестве модификатора искусственного каучука — Стирол-Бутадиен-Стирола (марка "Б").

ТЕХНОЭЛАСТМОСТ выпускается с основой из полиэстера и имеет толщину не менее 5,0 мм (марка "Б"). Нижняя сторона материала покрыта легкооплавляемой полимерной пленкой, а верхняя — мелкозернистым песком для лучшей адгезии к бетону.

ТЕХНОЭЛАСТМОСТ наплавляется на сухую подготовленную поверхность пропановой горелкой. Благодаря своей эластичности он легок в укладке даже в холодную погоду и не становится слишком мягким на солнце; работа с ним комфортна и не требует перегрева материала. Полимерная пленка, которой покрыт снизу ТЕХНОЭЛАСТМОСТ, имеет специальный рисунок, по которому изолировщик при разогревании легко определяет готовность материала к укладке. ТЕХНОЭЛАСТМОСТ имеет высокую адгезию к основанию, обеспечивая когезионный отрыв (по вяжущему) при приемке изоляции.

Для получения надежной гидроизоляции необходимо соблюдать ряд правил:

• используемые материалы должны иметь основу из полиэстера с развесом 190—250 г/м² и минимальную толщину 5 мм (при однослойной гидроизоляции);

• основание должно быть однородным, не иметь неровностей более 1,5 мм;

• прочность бетона должна составлять не менее 1,5 Н/мм²;

• перед укладкой гидроизоляции бетон должен быть выдержан не менее 21 дня;

• поверхность бетона должна быть тщательно очищена с помощью распыления воды под давлением (до 300 атм.) или с помощью сжатого воздуха;

• для обеспечения хорошей адгезии наносится грунтовка, предпочтительно на базе эпоксидных смол, что обеспечивает паронепроницаемость;

• в случае значительной неоднородности поверхности необходимо осуществлять ее выравнивание с помощью составов на базе эпоксидных смол;

• укладка материала производится с помощью его подплавления пламенем газовых горелок;

• перед нанесением защитного слоя необходим контроль адгезии материала к основанию;

• непроклеенные зоны или пузыри устраняют.

Гидроизоляция мостового полотна на железобетонной плите проезжей части может устраиваться из дисперсно - армированного бетона низкой проницаемости (сталефибробетона). Характеристики сталефибробетона: класс по прочности на сжатие-не <B40; марка по морозостойкости – не менее F200; марка по водонепроницаемости – не менееW12. Применяют фрезерную стальную фибру.

Нормативный документ - ТКП 201-2009 (02191) - Мосты и трубы. Правила устройства гидроизоляции.

8. Основные системы железобетонных мостов и область их применения

1. Балочные системы:

1 вид: балочно - разрезные

Особенность данной системы в том, что с увеличением пролёта увеличивается высота несущей конструкции пролётного строения. Поэтому длина пролёта ограничена до 42 метров.

2 вид: балочно - неразрезные

Особенность системы в том, что на эпюре изгибающий момент имеет отрицательное значение, что уменьшает величину положительного изгибающего момента в середине пролёта, а следовательно позволяет уменьшить высоту несущей конструкции при большей длине пролёта, по сравнению с разрезной системой.

3 вид: балочно – консольные системы

Особенность: грунт в основании может быть менее прочным по сравнению с неразрезными, устройство шарниров в подвеске усложняют конструкцию, поэтому её применяют реже чем неразрезную.