Металлические конструкции в транспортном строительстве

центренно сжатых стержней. Легкие сквозные рамы можно рассчитывать аналогично. Тяжелые (мощные) сквозные рамы рассчитывают, как решетчатые системы с учетом деформаций всех стержней решетки. Прогиб большепролетных балок определяется только от временной нагрузки, т. е. прогиб от постоянной компенсируется соответствующим строительным подъемом.

Внутренний угол рамного узла сопряжения ригеля со стойкой во избежание концентрации напряжений в месте перегиба должен быть очерчен по плавной кривой (рис. 8.5, а).

аб

Рис. 8.5. Рамные узлы:

а– узел с дополнительными ребрами;

б– узел без дополнительных ребер

Вузле возникает сложное напряженное состояние от действия момента и нормальной силы. Напряжение определяют по формулам для сплошностенчатого бруса.

Для предотвращения потери устойчивости стенки в сжатой внутренней ее зоне ставят дополнительные короткие ребра жесткости.

Влегких сварных рамах узел сопряжения ригеля со стойкой является наиболее ответственным местом, поэтому его целесообразно полностью выполнять на заводе, располагая монтажный стык за пределами узла. Возможен вариант укрепления сопряжения сплошной листовой вставкой, которая укрепляется ребрами жесткости по направлению сжимающих σ (рис. 8.6).

Опорные шарниры рам при реакциях < 2500–3000 кН проектируют плиточными, а при бóльших реакциях – цилиндрическими. Их конструкция и расчет рассмотрены в теме «Арки».

140

8.1.3. Структуры

Структуры, образованные из перекрестных ферм, идущих в трех направлениях (рис. 8.8, а) имеют статически неизменяемые кристаллы, могут работать на кручение и поэтому являются самыми жесткими. Структуры, образованные из ферм, идущих в двух направлениях (рис. 8.8, б) имеют статически изменяемые кристаллы, они не работают на кручение и поэтому менее жесткие.

Рис. 8.8. Структуры:

а– из ферм, идущих в трех направлениях;

б– из ферм, идущих в двух направлениях

Конструкцию можно существенно облегчить, используя преимущества ее пространственной работы и рассматривая ее как плиту.

Этого достигают рациональным размещением опор, созданием консольных участков (рис. 8.8, а), натяжением плиты по углам (рис. 8.8, б). При создании преднапряжения в плоских системах необходимо напрягать каждую ферму (раму), а в структуре достаточно приложить силы по углам – и напрягается вся система. Расстояние между колоннами (l) может варьироваться весьма широко, что позволяет создавать универсальные сооружения. Благодаря пространственной работе структуры, ее высота (h) может быть существенно ниже высоты стропильных ферм и составляетh (115125)l.

Размер панели (d) тесно связан с высотой (h). Наиболее рациональный угол подкоса-раскоса к горизонтали – 40–50º. В то же время устройство беспрогонной кровли диктует размер панели 2–3. Структуры собирают на земле целиком или крупными блоками, а затем

142

подают опоры. Наиболее сложным конструктивным вопросом является решение пространственного узла сопряжения стрежней, что в основном определяет трудоемкость устройства конструкций. Для наиболее рациональных по расходу металла трубчатых стержней чаще применяются узлы сопряжения с шаровой вставкой, имеющие ряд специфических конструктивных решений. Имеются решения сопряжений с помощью болтов или сварки.

Структурные плиты являются многостержневыми системами с большой степенью статической неопределимости. Максимально точный расчет возможен только с применением современных вычислительных комплексов. Чаще всего используют программы, основанные на методе конечного элемента, в качестве которого принимают отдельный стержень. Современные программы позволяют учитывать определенные защемления стержней в узлах при сварных соединениях, а также некоторую податливость при болтовых.

Цилиндрические сетчатые оболочки чаще всего выполняют в виде сводов с опиранием по продольным сторонам (рис. 8.9, а) либо с опиранием на торцевые диафрагмы (рис. 8.9, б), а также с промежуточными опорами. При пролетах до 30 м оболочки выполняются из сетчатой структуры с прямоугольными, ромбическими или треугольными ячейками. При использовании высокопрочных сталей пролеты достигают 70–90 м. Распор свода воспринимается фундаментами, стенами и затяжками.

Рис. 8.9. Цилиндрические оболочки:

а– сетчатая оболочка; б – сетчатая оболочка, опирающаяся на торцы здания;

в– сетчатая оболочка, опирающаяся на торцы здания

ина дополнительные элементы

Наиболее проста ромбическая сетка (рис. 8.10), однако, не имея продольных элементов, она может не обеспечить необходимую жесткость. Такая конструкция работает как свод с пролетом L.

143

Наибольшее распространение получили оболочки положительной гауссовой кривизны на круговом плане – купола.

Первоначально купола проектировали из отдельных плоских несущих конструкций – арок, которые располагались в радиальном направлении и опирались на нижнее растянутое опорное кольцо

(рис. 8.12, а).

Рис. 8.12. Оболочки-купола:

а – с арками; б – с арками и кольцевыми прогонами; в – сетчатый купол

Арки соединяются в вершине купола кольцом малого диаметра, работающего на сжатие. Кровля укладывается на прогоны. Такие купола называют ребристыми. Если в ребристом куполе включить в работу кольцевые прогоны, получим единую жесткую пространственную систему с рядом колец, служащих основными затяжками для отдельных арок (рис. 8.12, б). Такой купол называется ребристокольцевым. Если между ребрами и кольцевыми прогонами разместить диагональные связи, то получим сетчатый купол (рис. 8.12, в) – многосвязевую систему с весьма рациональным распределением усилий по поверхности. Возможны и другие типы сетчатых куполов.

8.1.5. Вантовые мосты

Вантовые мосты по основным конструктивным признакам и по характеру работы под нагрузкой во многом схожи с висячими мостами. Некоторые авторы даже рассматривают их как один из под-

145

видов висячих мостов. В висячих мостах основная балочная конструкция, на которую укладывается ездовое полотно, поддерживается с помощью дополнительных элементов – подвесок, прикрепленных, в свою очередь, к основному несущему элементу – кабелю. В вантовых же мостах основная балочная конструкция поддерживается непосредственно основными несущими элементами – вантами.

Первоначально вантовые мосты проектировались с небольшим количеством вант, что объяснялось относительно малыми перекрываемыми пролетами и сложностями анкеровки вант в балочную конструкцию. Со временем число вант стали увеличивать.

Увеличение числа вант, а следовательно, и уменьшение длины панели приводит к значительному снижению усилий в вантах. В свою очередь, это позволяет уменьшить площадь поперечного сечения вант. В современных мостах диаметр вант может составлять от 70 до 90 мм, что при определенных условиях делает ванты малозаметными. Это создает определенный оптический эффект, связанный с тем, что тонкая лента балочной конструкции как бы самостоятельно зависает в воздухе, придавая всей конструкции легкость и несравнимую с конструкциями другого класса элегантность.

Прямые строгие линии делают вантовые мосты весьма привлекательными для использования в современной городской застройке. Вантовые конструкции оказываются удобными для применения такого весьма эффективного способа монтажа, как навесная сборка. Это позволяет даже в сложных условиях перекрывать достаточно большие пролеты.

В послевоенной Европе нередко возникали комплексные проблемы обеспечения пропускной способности водных путей и устройство мостов через них. Строительство моста Wandre на севере Бельгии было частью крупной программы развития сети автострад и переустройства канала Альберта для пропуска судов водоизмещением до 9000 т. Последнее обстоятельство требовало строительства моста с пролетом более 100 м.

Мост Wandre имеет один центральный пилон высотой 88,5 м и неразрезную 408-метровую балку жесткости. С каждой стороны от пилона установлено по 19 вант с шагом 6 м, поддерживающих два основных пролета: 168 и 144 м. Ширина моста 22,3 м обеспечивает размещение на нем пешеходных тротуаров и четырех полос по 3,5 м

146

для пропуска транспорта. К мосту примыкает боковой пандус Chertal. Таким образом, мост выполняет и функцию транспортной развязки.

Минимальная длина вант – 73 м, максимальная – 175 м. Ванты рассчитаны на восприятие гарантированного усилия 260 кН (1733 Н/мм2). С учетом климатических условий коррозионная защита вант осуществлена гальванизацией цинком проволок (280 г/м2). Кроме того, каждый кабель ванта закрыт полуторасантиметровым слоем специальной ткани PEHD. Пространство между проволоками и защитной тканью заполнено эпоксидной смолой. Кроме этого, кабели обмотаны лентой из нержавеющей стали толщиной 2 мм.

Вантовые мосты прекрасно согласуются с горным ландшафтом. Их стройные пилоны не только не теряются на фоне огромных горных массивов, но и могут гордо соперничать с ними.

29 марта 1998 г. в Португалии был пущен в эксплуатацию самый длинный в Европе мост Васко Да Гама, построенный в эстуарии реки Tegus. Назван мост в честь известного мореплавателя, проложившего путь из Европы в Индию. Торжественному открытию моста предшествовало массовое гуляние, на котором присутствовало 15 тыс. человек. Пятикилометровый стол, на котором размещались традиционные португальские блюда, был установлен прямо на мосту.

Мост Васко Да Гама построен как дублер моста имени 25 Апреля. При достижении на мосту интенсивности движения более 52 000 автомобилей в сутки предусмотрена возможность устройства двух дополнительных полос. Фундаменты опор под пилоны уходят в грунт на глубину 50–60 м. Пилоны возвышаются над водой на 150 м. Мост рассчитан на порывы ветра до 220 км/ч и сильные сейсмические воздействия. Для наблюдения за погодными условиями установлено два метеопоста, которые при необходимости определяют предельную скорость движения автомобилей по мосту.

8.2. Вантовые и висячие покрытия

Основным несущим элементом вантовых покрытий являются ванты, которые изготавливаются из стержней или тросов. Материалом для вант служит высокопрочная сталь, предел прочности таких сталей может достигать 2400 МПа. Вторым несущим элементом вантовых висячих покрытий является опорный контур (рис. 8.13), который может изготавливаться из стали или железобетона. При

147

круглом плане покрытия и при радиальном расположении вант используется еще один несущий элемент – центральное кольцо, которое всегда изготавливается из стали.

Рис. 8.13. Круглое в плане вантовое висячее покрытие:

1 – тросы (ванты); 2 – опорный контур; 3 – центральное кольцо; 4 – плиты покрытия

На ванты укладываются плиты покрытия, которые могут быть железобетонными или трехслойными типа «сэндвич».

Вантовые висячие покрытия являются распорными – в уровне покрытия возникают горизонтальные опорные реакции, которые воспринимаются опорным контуром.

Преимущества вантовых висячих покрытий:

1.Наименьший расход металла, который обусловлен работой вант только на растяжение.

2.Хорошая транспортабельность (ванты поставляются на монтажную площадку свернутыми в виде бухт).

3.Возможность ведения монтажа вант без строительных лесов.

4.Высокая сейсмостойкость – колебания не приводят к появлению в вантах изгибных напряжений, т. к. изгибная жесткость вант близка к нулю.

5.Архитектурная выразительность. Вантовые системы могут образовывать оболочки покрытий нулевой, положительной и отрицательной привязки.

148

Недостатком вантовых висячих покрытий является повышенная деформативность, которая обусловлена не только появлением растягивающих усилий в вантах, но и формой распределения внешней нагрузки. Перемещения, обусловленные формой нагрузки, называются кинематическими. Для уменьшения деформативности вантовых покрытий используют предварительное напряжение.

8.2.1. Однопоясные вантовые покрытия

Наиболее распространенный тип таких покрытий представлен на рис. 8.14. Стабилизация (уменьшение перемещений) достигается с помощью преднапряжения, которое может быть выполнено двумя способами:

1.Заливкой швов между плитами покрытия бетоном на напрягающем цементе (А.С. № 359354 «Способ возведения висячих сборных оболочек зданий и сооружений»).

2.С помощью пригруза: пригруз укладывается на плиты покрытия, после этого в швы между плитами покрытия заливается цементный раствор, затем после затвердевания раствора пригруз демонтируется.

Рис. 8.14. Прямоугольное в плане однопоясное вантовое покрытие: 1 – ванты; 2 – жесткий пояс; 3 – оттяжки; 4 – плиты покрытия

8.2.2. Двухпоясные вантовые покрытия

Возможные схемы двухпоясных покрытий приведены на рис. 8.15. Двухпоясные вантовые покрытия состоят из вант двух назначений: несущих вант (провисающих) и стабилизирующих (вакуумных).

149