книги из ГПНТБ / Крыльцов, Е. И. Современные железобетонные мосты [монография]

Рис. 1.16. Схема путепровода с балочно-неразрезным пролетным строением, обра­ зованным из трех балочно-разрезных длиной по 18 м

В конструкциях пролетных строений с накладными плитами можно повысить трещиностойкость надопорных зон введением сбор­ ных или монолитных предварительно напрягаемых участков с обя­ зательной установкой расчетной арматуры в зоне сжатия в приопорном участке.

К преимуществам неразрезных конструкций, помимо уменьше­ ния расхода материалов, также относят более высокие эксплуата­ ционные качества, т. е. сохранение проектного плавного продольно­ го профиля покрытия проезжей части моста и предотвращение просачивания воды и водных солевых растворов к опорам. Кроме того, при относительной простоте объединения элементов конст­ рукции сохраняются условия для унификации и стандартизации элементов, их узлов и деталей.

В неразрезных схемах пролетных строений можно использовать стандартные элементы конструкций меньших пролетов для пере­ крытия больших. Например, ребристое унифицированное балочное разрезное пролетное строение длиной 18 м можно использовать для сооружения балочно-неразрезного путепровода с центральным пролетом 24 м (рис. 1.16), обеспечив этим уменьшение кладки опор за счет неразрезности.

Союздорпроектом совместно с ЦНИИСом разработан техниче­ ский проект составных балочно-неразрезных пролетных строений с пролетами 33 и 42 м для автодорожных мостов из блоков макси­ мальной заводской готовности. Сборные предварительно напряжен­ ные пролетные строения мостов составлены по длине из блоков массой до 40 т с плитно-ребристым поперечным сечением на всю ширину проезда и с постоянной высотой вдоль моста. Блоки про­ летного строения объединяют на несущих подмостях, представляю­ щих собой в рабочем положении двухпролетную неразрезную бал­ ку, перемещаемую из пролета в пролет. Собранные пролетные строения разрезной системы превращают в неразрезную путем устройства мокрых (бетонируемых) швов. Изготовление блоков предусмотрено на заводах по методу отпечатки («торец к торцу»)

сукладкой гидроизоляции и защитного слоя из асфальтобетона.

ВФРГ, Италии и других зарубежных странах аналогичные кон­ структивные решения обычно выполняют в монолитном железо­

бетоне.

При проектировании м о с т о в в т о р о й г р у п п ы (с пролет­ ными строениями пролетом больше 60 м) преследуется цель — пе­ рераспределить материал в конструкции таким образом, чтобы

20

были минимальными площади эпюр моментов и поперечных сил для данной величины пролета. Это достигается применением стати­ ческих схем, при которых максимальные усилия возникают в сече­ ниях, расположенных в местах опирания; материал конструкции тоже сосредоточивается в зонах опор, не вызывая в системе значи­ тельных усилий от собственного веса. Влияние веса покрытия про­ езжей части и временной нагрузки здесь снижается благодаря увеличению жесткости опорных сечений и усилий в них при одно­ временном снижении усилий в середине пролета.

В настоящее время наблюдается различный подход к назначе­ нию основных параметров конструкций, если пролеты моста не бо­ лее 80—100 м. В частности, для перекрытия этих пролетов консоль­ ные и неразрезные мосты строят как с постоянной, так и переменной высотой пролетных строений.

Проведенное в Гипротрансмосте сравнение пролетного строения с двумя центральными пролетами по 84 м, запроектированного рамно-неразрезным в двух вариантах с высотой сечения постоян­ ной в 3 м и переменной от 2,5 до 4,8 м, показывает, что для данного пролета такая конструкция с переменной высотой сечения позволя­ ет получить некоторую экономию в металле при практически близ­ ких расходах бетона. Балочно-неразрезная система пролетного строения постоянной высоты с такими же пролетами вызывает уве­ личение расхода железобетона на 2—3%, металла до 10% (без уче­ та экономии в кладке опор).

Применение в железобетонных мостах однотипных элементов сборных пролетных строений постоянной высоты имеет известные преимущества при их изготовлении, транспортировании и монтаже моста. Предпосылкой для повышения уровня индустриализации конструкций является использование единых групп блоков для про­ летов от 40 до 80 м.

Постоянная высота этих конструкций особенно целесообразна для многопролетных мостов с такими же пролетами и при значи­ тельной общей длине.

Пролетные строения пролетом более 100 м с постоянной высо­ той сечений в настоящее время почти не применяют. Характерная особенность пролетных строений с пролетами больше 100 м непере­ менной высотой — это применение однотипных конструкций для нескольких мостов. Например, конструкции сборных пролетных строений мостов балочно-консольных и балочно-неразрезных си­ стем через р. Москву, а также рамно-консольных с подвесным про­ летным строением (рамно-подвесных) через р. Волгу, позволили существенно улучшить технико-экономические показатели при стро­ ительстве каждого последующего из этих мостов.

При проектировании мостов конструкции рассчитывают на воз­ действие нормативных и расчетных нагрузок, соотношение между которыми (в зависимости от вида нагрузки) различное (рис. 1.17). С увеличением пролетов влияние собственного веса возрастает, а остальной части постоянной нагрузки практически не изменяется, влияние же временных нагрузок снижается.

21

Для определения количествен­ ной величины участия конструк­ ции в работе на различные воз­ действия (от собственного веса, веса покрытия и коммуникаций, от временных подвижных нагру­ зок и т. д.) целесообразно поль­ зоваться раздельным соотноше­ нием объемлющих эпюр расчет­ ных усилий. Они дают объектив­ ную оценку конструктивных и физических показателей, так как полезные нагрузки (исключая собственный вес пролетного строения) могут быть существен­ но различными. На автодорож­

ных и железнодорожных мостах этими нагрузками являются про­ кладываемые коммуникации (кабели связи, освещения и СЦБ), а на городских мостах к ним часто прибавляются еще и тяжелые нагрузки от трубопроводов теплосети и водоснабжения, от конст­ рукции трамвайного полотна и т. п.

Так, например, для трехпролетного балочно-консольного пролет­ ного строения городского моста с центральным пролетом 128 м в- виде двух консолей, соединенных продольно подвижным шарниром, соотношение площадей эпюр моментов от собственного веса, посто­ янной и временной нагрузок составляет 0,57:0,24:0,19, а попереч­ ных сил соответственно 0,60:0,22:0,18, т. е. доля полезных нагру­ зок значительно выше, чем временная нагрузка.

Снижение собственного веса конструкций может быть достигну­ то также передачей большей части нагрузки на арматуру или ме­ таллические элементы из высокопрочной стали.

Получают распространение в настоящее время рамно-неразрез­ ные мосты с опорами в виде гибких стоек или с опорами, на которых вдоль моста расположены по две подвижные опорные части под каждым ригелем, кроме анкерной опоры-стойки. Опоры в виде гиб­ ких стоек обычно применяют в мостах через суходолы или реки при отсутствии ледохода, а также в эстакадах и путепроводах. При относительно жестких пролетных строениях гибкие стойки следуют за горизонтальными перемещениями с поворотом опорных сечений пролетных строений без возникновения в них значительных допол­ нительных усилий.

В путепроводах с небольшой высотой опор железобетонные опо­ ры-стойки устраивают с неполными шарнирами, а бетон стойки в месте оттирания рассчитывают на местное смятие. Для случая воз­ никновения в опорах значительных усилий от горизонтальных сил должны быть предусмотрены необходимая подвижность и поворот сечения пролетного строения. Например, перемещения пролетных строений с пролетами значительной величины обеспечивают устрой­ ством металлических продольно подвижных или резиновых и резино­

22

фторопластовых опор-ных частей или шарниров, располагаемых как в месте сопряжения стоек с пролетными строениями, так и в уровне

•соединения стоек с ростверком фундамента. Резиновые опорные части находят также применение для мостов значительной ширины и при косых пересечениях, когда наряду с обеспечением деформа­ ций в двух направлениях необходимо выравнивание усилий в косом пролетном строении за счет упругого изменения податливости рези­ новых опорных частей.

В трехпролетных мостах длиной менее 100 м с целью макси­ мального освобождения подмостового пространства получили рас­ пространение конструкции опор в виде V-образных рам с гибкими стойками или сочетания вертикальной стойки с наклонной тягой. Применение таких опор позволяет широко варьировать усилиями в ригеле. Так, например, минимальную строительную высоту в цент­ ральном пролете можно получить созданием в наклонном элементе опоры усилия, разгружающего этот пролет; обеспечить снижение строительной высоты в пролете можно и устройством противовеса на конце пролетного строения. V-образные опоры создают возмож­ ность регулировать расчетный пролет ригеля, так как наклон стоек в сторону центрального пролета можно соответственно изменять (в определенных пределах) с сохранением всех требований по про­ пуску различных видов транспортных средств под сооружением.

Регулирование усилий в сочетании с изменением статической схемы моста в процессе постройки (рис. 1.18) позволяют получить весьма экономичную конструкцию при некотором усложнении работ по монтажу и изготовлению элементов сборных конструкций. В на­ чальный период такое пролетное строение, работая как двухкон­ сольная балка, испытывает нагрузки от собственного веса (эпюра I) и силы натяжения наклонных тяг (эпюра II). В связи с раз­ личным направлением деформации от постоянных нагрузок и пред­ варительного напряжения имеется возможность перераспределять

Рис. 1.18. Эпюра изгибающих моментов пролетного строения с V-образными опо­ рами-стойками. Сплошной линией IV показана суммарная эпюра трехпролетной рамы, пунктирной — по стадиям (/—III) работы пролетного строения в процессе постройки моста и загружения нагрузкой

23

щ

Рис. 1.19. Схема расположения напрягаемой арматуры при монтаже пролетного строения продольной надвижкой:

усилия, увеличивая момент над стойкой-опорой. На последующие нагрузки от веса покрытия и транспортных средств (эпюра III) пролетное строение работает как ригель трехпролетной рамы с гиб­ кими крайними опорами. Горизонтальные составляющие усилия в наклонных тягах воспринимаются фундаментом.

V-образные опоры можно применять и для мостов с большими пролетами. Например, можно V-образные элементы стоек рам в зоне опор моста использовать для увеличения на этом участке рас­ четных усилий. При этом снизятся усилия в пролете и влияние рас­ пора на фундамент опор, так как точка приложения горизонталь­ ной силы опустится до уровня соединения с фундаментом опоры, а большая часть горизонтальных усилий реализуется в виде изгибных деформаций.

В современном мостостроении широко применяют искусственное регулирование усилий приложением дополнительного пригруза, пе­ рераспределением опорных реакций поддомкрачиванием с измене­ нием высоты опорных частей и т. д. В ряде случаев оказывается целесообразным ступенчатое натяжение напрягаемых арматурных элементов, а также дотяжка их после проявления пластических де­ формаций в конструкции сооружения.

По мере включения строящегося пролетного строения в работу от нагрузок собственного веса, а также от веса дорожной одежды и изоляции представляется возможным создать нужные напряжения искусственным регулированием на каждой стадии. Такой при­ ем имеет особое значение для большепролетных мостов, монтируе-

24

мых из крупногабаритных элементов на клеевых или сухих стыках. Здесь ступенчатым натяжением основной напрягаемой арматуры можно на всех стадиях монтажа сохранить в стыках необходимые сжимающие напряжения.

Искусственное регулирование напряжений применяют также и для конструкций опор-стоек V-образных рам, в 'которых с целью центрирования опорной реакции на фундамент усилия в растяну­ тых элементах создают ступенями.

Для сохранения постоянными нужных расчетных усилий в кон­ струкции пролетного строения применяют эффективный способ из­ менения положения напрягаемой арматуры в период монтажа мос­ та. Например, при продольной надвижке, в процессе которой схема моста значительно меняется, изменением положения напрягаемых арматурных элементов регулируют напряжения в конструкции (рис. 1.19, а), исключая тем самым необходимость концентрирован­ ных обрывов этих элементов в пролете. После установки пролетно­ го строения в проектное положение напрягаемые арматурные эле­ менты переводят в положение, соответствующее работе конструкции под эксплуатационными нагрузками (рис. 1.19, б).

§ 3. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ИНДУСТРИАЛЬНЫХ МОСТОВЫХ КОНСТРУКЦИИ, ИХ ПОПЕРЕЧНЫЕ СЕЧЕНИЯ И СХЕМЫ АРМИРОВАНИЯ

Необходимость повышения качества конструкции моста и со­ кращения трудоемких работ на строительной площадке привела в

ния.

Так, для фундаментов опор современных мостов широко приме­ няют призматические сваи с размером стороны 30, 35 и 40 см, а также СЕаи-оболочки диаметром до 3 м с толщиной стенок до 16 см.

Выше зоны ледохода тело опоры обычно представляет собой желе­ зобетонные пустотелые оболочки замкнутых круглых или прямо­ угольных сечений, собираемых из отдельных двутавровых или коробчатых блоков индустриального изготовления. Оболочки изго­ тавливают на специализированных заводах методом центрифугиро­ вания, секции сборных оболочек для опор готовят в опалубке с жесткими торцовыми щитами или бетонированием «торец к торцу», т. е. используя готовую секцию в качестве торцовой стенки опалуб­ ки для изготовляемой секции.

Конструкции опор высоких и рамных мостов, эксплуатируемых в суровых климатических условиях (конструкции северного испол­ нения), дополнительно армируют напрягаемыми или ненапрягаемыми элементами на нагрузки, возникающие там в процессе строитель­ ства (например, воздействие льда).

Форма поперечных сечений современных пролетных строений весьма разнообразна (рис. 1.20). Для последних лет характерно увеличение длины тротуарных консолей, что способствует улучше­

25

нию архитектурного вида сооружения, облегчение конструкций за­ снет уменьшения количества ребер и устройства пустот. В сборных пролетных строениях поперечное сечение принимают с учетом усло­ вий их изготовления (например, конструкция без диафрагм), пере­ возки и монтажа. Отсутствие ограничений (в нормативных требова­ ниях) по ширине плиты балок при обеспечении совместной работы ее с ребрами балок позволяет увеличить в поперечном сечении рас­ стояние между ними, т. е. шаг балок (рис. 1.20, в), что при сборных конструкциях сокращает потребность в заводских мощностях, уменьшает расходы на транспортирование и монтаж.

В мостах с небольшими пролетами широко применяют плитные конструкции (рис. 1.20, а), в том числе пустотные, а с увеличением пролета — двутавровые и тавровые (рис. 1.20, б), реже коробчатые балки (рис. 1.20, г). Количество ребер, их конфигурацию в нижней части поперечного сечения пролетного строения назначают с учетом рационального размещения рабочей арматуры и величины предва­ рительного напряжения.

При этом стремятся использовать в работе под нагрузками пол­ ное сечение плиты и ребер (стенок), обеспечивая высокое качество изготовления конструкций.

Отношение наименьшей высоты Н пролетного строения к проле­ ту L — о д ин из о с н о в н ы х п о к а з а т е л е й к о н с т р у к ц и и . Его определяют технико-экономическим анализом собственно кон­ струкции и условиями применения в составе всего сооружения. Су­ щественная разница в этом показателе в разных странах для по­ строенных мостов в сопоставимых условиях объясняется различной стоимостью бетона и арматурных сталей. При оптимальном соотно­ шении между расходом бетона и стали наиболее рациональной конструкцией будет та, которая имеет меньшую строительную вы­ соту, особенно для мостовых переходов или путепроводов в услови­ ях высоких насыпей и небольших уклонов на подходах. Для балоч­ но-разрезных пролетных строений мостов отношение Я /L колеблет­ ся в разных пределах:

Рис. 1.20. Поперечные сечения балочных пролетных строений:

1 — блок сборной конструкции; 2 — шов омоноличивания элементов (блоков)

26

В отдельных случаях величины H/L могут существенно изме­ няться. При коробчатых сечениях эти отношения, как правило, сни­ жаются. Многочисленными исследованиями по определению опти­ мального расстояния между главными балками пролетного строе­ ния установлено, что при нормальной высоте конструкций и отсутствии диафрагм возможно некоторое увеличение расстояния между балками с соответствующим изменением геометрических характеристик сечений плиты и ребер. Целесообразным шагом ба­ лок, т. е. оптимальным расстоянием между ребрами балок, для пролетных строений длиной 30 ж нужно считать 2,5—2,8 ж, для большей длины до 3—3,5 ж. Увеличение расстояния между балка­ ми пролетного строения без диафрагм существенно влияет на тол­ щину и армирование ребер, размеры которых зависят от величины главных растягивающих напряжений с учетом крутящего момента от внецентренного приложения нагрузок. Наиболее напряжены обычно крайние балки, имеющие односторонний консольный свес плиты.

Пролетные строения из двутавровых балок с объединением только по плите проезжей части, обладая известными преимущест­ вами для заводского изготовления и монтажа, в то же время тре­ буют дополнительных затрат материалов на их усиление из-за меньшей жесткости поперечной связи и более неравномерной рабо­ ты балок в составе поперечного сечения. В зависимости от величи­ ны шага балок, габарита проезжей части и тротуаров некоторые балки оказываются более нагруженными, чем другие, а плита не­ одинаково напряженной по ширине пролетного строения на от­ дельных участках между балками. Более равномерного распреде­ ления нагрузки между балками и в плите в поперечном сечении можно достичь выравниванием жесткости всех балок на кручение. Для этого нужно применить поперечные диафрагмы или же дву­ тавровые балки объединить в уровне их нижних полок.

В Гипротрансмосте и ЦНИИСе для пролетного строения про­ летом 24 ж и габаритом Г-14+ 2X2,25 ж выполнены сопоставитель­ ные подтверждающие расчеты. Так, для унифицированных конст­ рукций с поперечным сечением пролетного строения из восьми дву­ тавровых балок с шагом 2,36 ж разница в расчетном моменте в середине пролета от полной нагрузки составила для отдельных балок около 20%- Объединением балок на большей части длины путем введения нижних сборных поперечных плит и превращени­ ем тем самым поперечного сечения в коробчатое полузакрытое, ра­ ботающее на те же нагрузки, оказалось возможным сократить коли­ чество балок до пяти с шагом 3,55 ж при тротуарных консолях по

27

2,5 м\ разница в расчетном моменте для крайних и средних балок снизилась до 5%.

За рубежом балочно-разрезные и балочно-неразрезные пролет­ ные строения при пролетах 20—40 м тоже часто сооружают с зам­ кнутым поперечным сечением при минимальном количестве ребер и диафрагм. Назначая основные параметры пролетного строения большого пролета рассматривают его как увеличенную модель той же конструкции для меньшего пролета. В трехпролетных мостах с относительно уменьшенными крайними пролетами и с ячеистым по­ перечным сечением главной балки, отношение высоты ее над опо­ рой к наибольшему пролету всегда ниже, чем в однокоробчатых равнопролетных балках.

Усредненные данные H/L для отечественных и зарубежных балочно-консольных, рамно-консольных и балочно-неразрезных пролетных строений больших мостов, приведенные в табл. 1.1, мо­ гут несколько отклоняться в ту или иную сторону. Однако умень­ шение одного из показателей, как правило, связано с увеличением другого.

Пролетные строения балочно-неразрезной системы имеют более низкие отношения высоты сечения на опоре к пролету, так как в них лучше использован материал в средней части пролета, что от­ ражается на снижении величины моментов над опорами в сравне­ нии с балочно-консольными системами.

Небольшое по величине отношение толщины армированного ребра к высоте в сечении над опорой — хороший показатель для

28

современных железобетонных большепролетных мостов из бетонов высокой прочности; это отношение от 1 : 30 до 1 : 35 близко к пре­ дельному допустимому.

Если для консольных и неразрезных систем принять H/L меньше V26, то это приведет к увеличению арматуры в опорном сечении, а также резкому возрастанию расхода бетона и арматуры.

За последние 20 лет для мостов с консольными пролетными строениями, соединенными продольно подвижными шарнирами, бо­ лее чем в 2 раза увеличилось отношение площади консоли к про­ изведению высоты над опорой на сумму толщин вертикальных ре­ бер. Так, например, для построенного в 1950 г. моста Нибелунгов (ФРГ) оно равняется 84, а для моста через р. Москву (Красно­ пресненский), сооруженном методом навесной сборки, — 200 и че­ рез р. Рейн у Бендорфа (ФРГ) при навесном бетонировании — 230.

Достигнутые в отечественном мостостроении отношения толщи­ ны к свободному вылету тротуарной консоли плиты проезжей части без предварительного напряжения, равные от 1/15 до 1/17, нужно признать достаточно смелыми. Анализ ряда мостов с пролетами 55—ПО м рамно-консольной, рамно-подвесной и рамно-неразрез- ной систем с изменяющейся по параболе высотой сечений, построен­ ных во Франции, Бразилии, Швейцарии, Канаде и других странах, показывает, что отношение средней высоты пролетного строения к пролету, равное 1/34—1/36, близко к допустимому по условиям эксплуатации. В рамных системах это отношение не должно быть меньше 1/40.

С о и з м е р и м ы е у с и л и я обратного знака по отношению к эксплуатационным в современных мостах создают обрывом напря­ гаемых элементов по длине пролетного строения, изменением геометрических характеристик поперечных сечений и величины предварительного напряжения в конструкции. Однако из-за огра­ ниченных по высоте размеров сечений пролетного строения сохра­ няются дополнительные усилия, вызванные в основном влиянием нормальных сил и моментов (при действии временных знакопере­ менных нагрузок) от предварительного напряжения. Поэтому на­ ряду с правильным выбором статической схемы сооружения и его основных конструктивных параметров нужно стремиться к макси­ мальному соответствию работы сооружения в монтажный и эксплу­ атационный периоды для обеспечения максимального снижения до­ полнительных усилий от предварительного напряжения.

Наиболее целесообразна конструкция консольной балки таких размеров и формы, при которых нормальные усилия нарастают линейно, а поперечные силы постоянны. Этому условию, например, отвечает поперечное сечение пролетного строения в виде замкнутой коробки переменной высоты с двумя или более продольными стен­ ками минимальной постоянной толщины по всей его длине. Коробчатая форма поперечного сечения позволяет варьировать размерами сечения нижней плиты в сжатой зоне консоли. Другое преимущество коробчатого сечения — повышенная жесткость на кручение, позволяющая создать лучшее перераспределение усилий

29