книги из ГПНТБ / Толмачев, К. Х. Регулирование напряжений в металлических пролетных строениях мостов

эпюра моментов от веса плиты, ординаты которой помножены на коэффициент ф, учитывающий, что момент Мч будет воспринимать­ ся объединенным сечением балки. В результате получили эпюру моментов, приведенную на рис. 50, г.

Так, последовательно используя две системы подмостей на тре­

угольных фермах, были забетонированы плиты проезжей части всех пяти пролетов. Вслед за бетонированием плит устанавливали и заклепывали элементы стыков между балками смежных пролетов. Превращение пролетного строения в пятипролетную неразрезную балочную систему завершилось бетонированием плит проезжей ча­ сти над опорными стыками и передачей опорного давления на опор-

Рис. 51. Последовательное изменение эпюр моментов при регу­ лировании напряжений моста через р. Майн

ные части. Таким образом, при загружении системы второй частью постоянной и временной нагрузками пролетное строение работало как неразрезная балка с соответствующим распределением изгиба­ ющих моментов.

На рис. 51 представлено последовательное изменение эпюры моментов при регулировании напряженного состояния пролетных строений моста через р. Майн во Франкфурте.

Эпюры / стадии (см. рис. 51) соответствуют предварительному напряжению стальных балок путем поддомкрачивания их в середи­ не пролета. После дальнейшего загружения системы, превращен­ ной в пятипролетную неразрезную балку, будут иметь место эпю­ ры II. Окончательные эпюры изгибающих моментов получатся как сумма эпюр I + II.

В результате применения такого приема регулирования удалось значительно уменьшить величины как пролетных, так и опорных изгибающих моментов. Для сопоставления на рис. 51 приведена

эпюра (III) изгибающих моментов такой же неразрезной балки,

но осуществленной без применения регулирования. Ясно, что сопо­

ставление эпюр дает следующие неравенства:

Мо >Mi + !i; Л1б > Л1,;: М-> М, . . . и т. д.

Из этих неравенств следует, во-первых, уменьшение веса металла, потребного для изготовления балок, и, во-вторых, избавление уча-

91

стков железобетонной плиты проезжей части, находящихся в зоне

отрицательных моментов, от больших растягивающих напряжений.

Изложенные приемы регулирования, сводящиеся к приложению временных сил для придания балкам предварительного напряже­

ния, ограничены величиной пролета балок.

Как было сказано ранее, потенциальная энергия предваритель­ ного изгиба в балке сохраняется за счет передачи предваритель­ ных усилий на отвердевшую плиту проезжей части моста. При

этом использовался резерв прочности плиты, образующийся в ос-

//

б<б '

6=6-6 2 ’ 2

Рис. 52. Эпюра нормальных напряжений при натяжении тросов ди бетонирования и после бетонирования плиты

новном за счет того, что плита работает только на вторую часть

постоянной и на временную нагрузки. Именно за счет большого на

пряжения плиты создавалась возможность вызвать в стальной балке обратные изгибающие моменты и тем самым сократить ее вес.

Выше было сказано, что объединенные предварительно напря­ женные балки можно также получить с помощью натяжения тро­ сов с применением приемов, изложенных в главе III. Причем ме­ таллическую часть объединенных балок можно напрягать:

до объединения балки с железобетонной плитой проезжей части

(первичное натяжение); до объединения балки с железобетонной плитой с дальнейшей

вторичной подтяжкой отдельных тросов с целью компенсации уса­ дочных напряжений, выравнивания напряжений в уже объединен­

предварительного напряжения объединенной балки.

В первом случае напряженное состояние объединенной балки будет результатом суммирования целого ряда эпюр нормальных

напряжений (рис. 52). Прежде всего получится (рис. 52, а) эпю­ ра I, являющаяся суммой эпюр напряжений от собственного веса

92

балки и предварительного напряжения растяжением троса, распо­ ложенного у нижнего пояса. На этом этапе напряженного состоя­

балки бетоном плиты. В этом случае уменьшаются предваритель­ ные сжимающие напряжения в нижнем поясе балки, т. е. п2 < 0ь

Усилие .в тросе Z2^> Z\.

Вторая часть постоянной и временной нагрузок будет воспри­ ниматься объединенным сечением. Эпюра III (см. рис. 52, а) обра­ зуется за счет алгебраического сложения эпюры II в стальной бал­ ке и эпюры напряжений во второй части постоянной и временной нагрузок в объединенном сечении. В результате напряжение в ниж­ нем поясе Оз будет растягивающим и по своей величине может до­ стигать допускаемых напряжений. Растягивающее усилие в тро­

се Z3 при этом еще больше возрастет. Полученное напряженное со­ стояние может быть видоизменено в желаемо.м направлении путем подтяжки или ослабления тросов после приобретения бетоном

плиты надлежащей прочности.

На рис. 52, б изображены эпюры нормальных напряжений в случае, если тросы напрягают после объединения плиты с балкой. Из анализа эпюр напряжений (см. рис. 52,6) можно сделать вывод,

что предварительное напряжение балок при помощи тросов позво­

ляет создать пролетные строения с незначительным напряжением плиты проезжей части. Последнее является следствием того, что потенциальная энергия предварительного напряжения балок сохра­ няется за счет натяжения тросов, а не дополнительного напряже­ ния плиты, как в случае предварительного изгиба балок приложе­ нием временных сил, действующих нормально к оси балок.

Отсюда напрашивается вывод, что создание объединенных ба­ лок с предварительным напряжением при помощи натяжения тро­ сов открывает возможности применения их для перекрытия боль­ ших пролетов.

РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИИ В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОБЪЕДИНЕННЫХ БАЛКАХ КОНСОЛЬНЫХ И НЕРАЗРЕЗНЫХ СИСТЕМ

Особенностью объединенных балок консольных и неразрезных систем является то, что плита проезжей части попадает в зону отрицательных моментов и выключается из работы объединенного сечения.

Для предотвращения трещин в растянутой зоне бетона уста­ навливают специальную арматуру и учитывают ее в совместной

работе с верхним поясом на растягивающие усилия от второй части постоянной и временной нагрузок.

Недостатком этого решения является нерациональное использо­ вание этой дополнительной арматуры. В самом деле, расчетные фибровые напряжения верхнего пояса металлической балки скла­

93

дываются из напряжений от нагрузок при двухстадийной работе объединенной балки, в то время как в арматуре плиты возникают напряжения только от нагрузок второй стадии.

Первая часть напряжений составляет для балок средних проле­ тов от 50 до 60% от допускаемых, т. е. 700—800 кг/см2. Следова­ тельно, для нагрузок второй стадии остается до исчерпания допу­

скаемых напряжений металла верхнего пояса только 40—50%, т. е. 600—700 кг/см2. Соответствующее напряжение арматуры плиты с учетом большего плеча ее относительно центра тяжести объединен­ ного сечения будет равно примерно 700—800 кг/см2, что значитель­ но меньше допускаемого напряжения для арматуры.

Учитывая это, можно при расчете дополнительной арматуры плит и расположенной в растянутой зоне балки исходить из усло­ вия ограничения раскрытия трещин до пределов, при которых не

нарушается нормальный режим эксплуатации сооружения. При­ чем при достаточном сечении арматуры для ограничения раскры­ тия трещин бетона можно полностью использовать допускаемые напряжения, т. е. недопустить перерасхода арматурной стали.

В практике проектирования консольных и неразрезных мостов для уменьшения растягивающих напряжений в бетоне рекомендует­

ся иногда увеличивать высоту балок в зоне опорных моментов.

Действительно, в этом случае удлинение волокон верхней поверх­ ности плиты будет соответствовать напряжениям в верхнем поясе металлической балки и поэтому напряжения будут меньше, чем в балке постоянной высоты. Однако этим решением невозможно до­ биться чувствительного снижения растягивающих напряжений. Кроме того, увеличение высоты балок над опорами сильно услож­

няет технологию их изготовления. Поэтому это решение нельзя признать целесообразным.

В последнее время при создании объединенных балок неразрез­

ных и консольных систем применяют пассивные, с использованием конструктивных приемов, или активные, с предварительным напря­ жением плиты, принципы регулирования.

Из пассивных приемов регулирования прежде всего необходимо назвать создание конструкций, при которых плита в растянутой зо­ не исключается из совместной работы опорного сечения, что неод­ нократно применялось при проектировании и постройке мостов. Например, в проекте моста через р. Днестр с тремя неразрезными балками пролетами по 42,79 м на участках, где плита попадает в растянутую зону, не была предусмотрена постановка упоров и ан­ керов (рис. 53, а). Этим решением предполагалось, что на участках

длиной по 7,06 м в каждую сторону от промежуточной опоры сов­ местная работа плиты с балкой будет исключена. Такое предполо­ жение не совсем верно, так как при отсутствии специально постав­ ленной арматуры неизбежно появление в бетоне поперечных трещин.

В другом проекте моста через р. Днестр, помимо отсутствия упоров в зоне действия отрицательных моментов, плита была зара­ нее разрезана поперечными швами (рис. 53, б) с расстоянием меж-

94

ду ними 4—5 м, чем были созданы организованные трещины

Поэтому специального армирования в этом случае не преду­

смотрено.

сматривать как своеобраз­

ный бетонный шпренгель, участвующий в совместной работе с ме­

таллической балкой. При рассмотрении напряженного состояния сечения объединенной системы на участке прерванных связей мож­ но вывести уравнение для определения величины внутренних сил

(рис. 54).

Из условия равенства деформации крайних фибр бетона и ме­

95

Так как линии изгиба железобетонной плиты и стальной балки

определимых, так и статически неопределимых, при любом положе­ нии участка прерванных связей. Особенность каждой системы при этом учитывается величиной, которая является по сути интегралом момента внешних сил, действующего на участке плиты без связи с балкой, поделенным на длину этого участка:

X = 1

Мср = у J Mvdx.

X = О

Факт возникновения продольной растягивающей силы N по

формуле (71) и является тем недостатком, который свойственен конструктивному приему уменьшения растягивающих усилий в пли­ те за счет прерывания связей в зоне возникновения отрицательных изгибающих моментов.

Мб

Приведем решение, данное А. Гойшеном, для однопролетной

объединенной балки 'с упругими связями. При выводе формул при­ нято допущение равномерного распределения сдвигающего усилия

в разделительном шве вместо фактической передачи сосредоточен­ ными усилиями в местах постановки связей.

Упругость связей характеризуется коэффициентом упругой пе­

мация между балкой и плитой будет равна

Рис. 55. Расчетная схема учета упругости связей между плитой и балкой

Из рассмотрения напряженного состояния элемента балки (рис. 55) можно написать условие равновесия для соединительно­

го шва

58