5. Расчёт и конструирование несущих элементов пролётного строения

Расчёт и конструирование пролётных строений являются неразрывным процессом. Если работа данного типа конструкции хорошо изучена, то размеры её можно назначить по данным опыта. В этом случае расчёт необходим лишь для проверки назначенных размеров конструкции. В других случаях нельзя правильно законструировать сооружение, не имея качественных и количественных данных о его работе под воздействием нагрузок. Здесь расчёт и конструирование одинаково важны, и одно без другого не может привести к рациональному решению.

При детальном конструировании необходимо соблюдать требования СНиП 2.05.03-84^* [1] в отношении минимальных и максимальных размеров сечений элементов, их предельной гибкости, размещения болтов в стыках, наибольших толщин листов в пакетах, минимальных и предельных сварных угловых швов и т.д. Выполнение этих требований способствует улучшению технологичности конструкции и повышению её долговечности.

Расчёт пролётных строений по указанию руководителя проводится на временные автодорожные нагрузки А14, НК-100, АБ либо на железнодорожную С14.

Задачей расчёта является обоснование размеров элементов пролётного строения, которые бы удовлетворили условиям прочности, устойчивости, жёсткости и выносливости и вместе с тем обеспечивали бы наименьший расход металла и эксплуатационного содержания пролётного строения.

Расчёт является вспомогательным действием, призванным подтвердить правильность принятых проектировщиком конструкций. Расчётом нельзя создать конструкцию, а, напротив, конструкция определяет метод расчёта. В этой связи, перед тем как приступить к расчёту, необходимо в общих чертах разработать конструкцию пролётного строения в целом, уточнить генеральные размеры пролётного строения в продольном и поперечном направлениях для того, чтобы иметь все отправные данные для расчёта.

Расчёт главных балок следует начинать с определения постоянной и временной нагрузок. Постоянная нагрузка складывается из веса полотна проезжей части, веса балочной клетки и веса самих балок. Вес балок может быть принят ориентировочно по данным ранее выполненных ориентировок или по формуле Н.С. Стрелецкого, приведённой в разделе «Вариантное проектирование». В сталежелезобетонных мостах нагрузки следует разделить по стадиям.

Влияние временной автодорожной нагрузки определяется коэффициентом поперечной установки (КПУ), который следует вычислять по методу внецентренного сжатия с учётом кручения балок. В коробчатых мостах КТУ принимается равным числу колонн нагрузки. Для железнодорожной нагрузки С14 при двух балках КПУ принимается равным 0,5.

При определении КПУ число колонн нагрузки А14 принимается равным числу полос движения, а нагрузка НК-100 независимо от ширины моста устанавливается в единичном количестве.

Определение усилий производится в соответствии со статической схемой пролётных строений. Усилия должны быть определены в таком количестве, которое позволило бы сконструировать балку пролётного строения.

Минимальное число сечений сплошностенчатых балок по длине, в которых определяются усилия, принимается в соответствии с рисунком: в разрезной и двухпролётной балке ─ три сечения, в трёх- и четырёхпролётной балках ─ четыре сечения.

Для определения усилий в неразрезных балках могут быть использованы таблицы [8]. Необходимые сведения из них (площади линий влияния изгибающих моментов и поперечных сил, максимальные ординаты) для двух-, трёх- и четырёхпролётных балок с постоянным сечением по длине приведены в прил. 2, 3. При отношении моментов инерции I_max /I_min > 2 к линиям влияния необходимо применять корректирующие коэффициенты [8].

Рис. 5.1. Схемы расположения сечений, в которых определяются усилия

Усилия в сечениях следует определять для случаев действия расчётных и нормативных усилий, чтобы была обеспечена возможность проверки сечения, как на прочность, так и на выносливость. Результаты определения усилий в сечениях от постоянных нагрузок, временных по сочетаниям, нормативных и расчётных сводят, в итоге, в таблицу.

По найденным усилиям выполняют расчёт пролётных строений. Удачно подобранное сечение балки должно удовлетворять требованиям прочности, выносливости и жёсткости.

Проверка прочности сплошностенчатых (коробчатых) балок производится по величинам нормальных краевых напряжений, касательных напряжений на нейтральной оси балки (в опорных сечениях неразрезных балок). Проверки сечений на выносливость выполняются только по нормальным напряжениям на нормативные нагрузки.

Для удобства подсчётов коробчатое сечение балок заменяется двутавровым. Площади продольных рёбер плиты и нижнего листа приводятся к горизонтальным листам ─ поясам условного двутавра. Нормальные напряжения в верхней плите от общего изгиба пролётного строения под действием временных нагрузок суммируются с напряжениями от местного изгиба совместно с продольными рёбрами. В этой связи нейтральная ось поперечного сечения коробчатого пролётного строения должна находиться в верхней половине стенки. Дополнительные нормальные напряжения в коробчатом пролётном строении от изгибного кручения, вызванного эксцентричным приложением временных нагрузок, приближённо можно учесть по [9, стр. 170].

Расчёт по второму предельному состоянию (проверка наибольших прогибов главной балки) от временной нормативной нагрузки особенно необходим при использовании в конструкции высокопрочных сталей. Для оценки строительного подъёма необходимо вычислить также прогибы конструкции от постоянных нагрузок двух стадий. В случае неразрезной балки прогибы от постоянных и временных нагрузок в требуемых сечениях могут быть определены с помощью линий влияния соответствующих прогибов, построенных по [8], в предположении, что момент инерции балки постоянный, либо по формулам прил. 1 из [11] для двух- и трёхпролётных балок.

При проектировании главных балок со сплошными стенками необходимы также следующие конструктивные расчёты:

1) расчёт прикрепления пояса балки к стенке;

2) расчёт монтажного стыка балки;

3) расчёт опорных рёбер жёсткости;

4) проверка местной устойчивости вертикальной стенки.

Монтажный стык балки можно рассчитывать либо по величине расчётных усилий, действующих в сечении стыка, либо исходя из принципа равнопрочности балки в стыке и в сечении рядом со стыком. Во втором случае можно и не знать величин расчётных усилий в сечении стыка, достаточно знать размеры балки. Однако независимо от способа расчёта монтажный стык рассчитывается и конструируется так, чтобы каждый элемент сечения балки имел в стыке самостоятельное перекрытие.

Проектирование сталежелезобетонных (СТЖБ) пролётных строений должно соответствовать методам их возведения, при которых обычно значительная часть постоянной нагрузки передаётся на металлические балки до объединения с железобетонной плитой, т.е. конструкция работает в две стадии. В первой стадии определяют нормативные и расчётные нагрузки от веса железобетонной плиты и металлической балки (сечением балки при этом задаются ориентировочно), во второй ─ от постоянных нагрузок (ездовое полотно, ограждения, перила ─ автодорожные мосты; рельсошпальная решётка, балласт, тротуарные блоки ─ железнодорожные мосты) и временных нагрузок. Для оценки воздействия временных нагрузок необходимо определять КПУ. В требуемых сечениях по длине пролёта вычисляют нормативные и расчётные усилия (М и Q) по стадиям от постоянных и временных нагрузок, используя, в случае неразрезных балок, линии влияния, приведённые в прил. 2, 3.

Кроме прочностных расчётов по нормальным напряжениям, следует проверить прочность балки по касательным (срезывающим) напряжениям. Проверку выполняют для концевых опорных сечений в случае разрезных, консольных и неразрезных балок. Максимальные касательные напряжения от поперечных сил возникают: в первой стадии ─ на уровне центра тяжести стальной части, во второй ─ на уровне центра тяжести объединённого сечения. Ордината суммарного максимального касательного напряжения располагается между центром тяжести стального и объединённого сечений и может быть найдена по формуле проф. И. Ю. Белуцкого (вниз от нейтральной оси объединённого сечения):

где ,─ моменты инерции стального и объединённого сечений;─ расстояние между центрами тяжести сечений балки в первой и второй стадиях.

В неразрезных СТЖБ пролётных строениях на участках длиной 0,2L от промежуточных опор работает чисто стальное сечение балок без учёта железобетонной плиты. Необходимо подобрать сечение стальной балки над промежуточной опорой и проверить его на прочность по формуле (142) из [1]. Потребная площадь поперечного сечения поясов при высоте стенки h_w, найденной из расчётов СТЖБ балки в крайних пролётах, может быть найдена по формуле:

где М ─ суммарный изгибающий момент в надопорном сечении балки от постоянных и временных нагрузок.

После проверки прочности сечений так же, как и в случае чисто металлической коробчатой балки, выполняются проверка прогибов и конструктивные расчёты, к которым добавляется расчёт сопряжения железобетонной плиты с металлической балкой.

Выполняют также проверку общей устойчивости пролётных строений до объединения с железобетонной плитой согласно п. 4.41 [1]. Результатом этого расчёта является установление шага поперечных связей.

Проверку местной устойчивости стенки допускается не выполнять, а обеспечивать конструктивно в соответствии с пп. 4.31…4.136 [1].