2 Конструктивные решения железобетонных мостов
2.1 Пролетные строения балочных систем
2.1.1 Пролетные строения разрезной балочной системы
Пролетные строения мостов должны быть прочными и долговечными, отвечать требованиям индустриального изготовления, вместе с тем иметь минимальный расход материалов и низкую стоимость. Таким требованиям при небольших пролетах лучше всего удовлетворяют пролетные строения разрезной балочной системы. По виду поперечного сечения такие пролетные строения могут быть плитными и ребристыми, а по способу изготовления – монолитными и сборными.
Наиболее простыми по конструкции являются плитные пролетные строения. Раньше их делали монолитными, т.е. бетонируемыми непосредственно на объекте. Поперечное сечение такого пролетного строения представляет собой железобетонную плиту с бортиками, удерживающими балласт. Расстояние между наружными гранями бортиков принималось, как правило, равным 490 см, т.е. соответствующим ширине габарита приближения строений на прямых участках железных дорог (рис. 2.1, а), а на кривых - это расстояние увеличивалось в соответствии с радиусом кривой.
Рис. 2.1. Поперечные сечения плитных пролетных строений:
а – прямоугольное; б - с консолями
С целью уменьшения объема бетона в растянутой зоне сечения, который по расчету не требуется, находили применение плиты с консолями (рис. 2.1, б). Размеры опоры зависят от величины опирающихся на нее пролетных строений. Поэтому уменьшение ширины плиты дает снижение и объема кладки опор.
Внедрение в практику строительства сборных железобетонных конструкций потребовало разделение плиты продольным швом на два блока из условия перевозки их по железной дороге. Для сборных конструкций важно иметь меньший вес блоков, поэтому они делались с консолями (рис. 2.2, а).
Рис. 2.2. Поперечные сечения плитных пролетных строений, разделенных продольным швом на блоки:
а – сплошного сечения; б - с продольными каналами
Плитные блоки пролетного строения устойчивы, соединения их между собой, как правило, не требуется. Но иногда блоки, для улучшения их совместной работы под нагрузкой, соединяют своеобразной шпонкой, образуемой путем заполнения раствором пустот между соприкасающимися боковыми поверхностями соседних блоков (рис. 2.2, б). С целью уменьшения собственного веса блоков в них могут делаться продольные каналы.
В настоящее время плитные пролетные строения делают сборными, изготавливают их на специализированных заводах мостовых железобетонных конструкций (заводы МЖБК) по типовым проектам.
Продолжительное время, пролетные строения из обычного железобетона изготавливали по типовому проекту серии 3.501-108 (инв.№557). В настоящее время этот проект заменен другим типовым проектом. Но на железных дорогах эксплуатируется очень много пролетных строений по типовому проекту серии 3.501-108 (инв.№557). В связи с этим, в учебном пособии приведены основные сведения о пролетных строениях по этому типовому проекту, который предусматривает применение пролетных строений длиной от 2,95 м до 16,5 м.
Плитные пролетные строения длиной до 2,95 м изготавливают в виде одного блока (рис. 2.3, а). Такой блок может быть перевезен по железной дороге, так как вписывается в габарит подвижного состава железных дорог. Пролетные строения с другими длинами из условия перевозки железнодорожным транспортом разделяют на два блока (рис. 2.3, б). Ширина одного блока по верху в двухблочных пролетных строениях принята равной 208 см. При этом ширина пролетного строения, т.е. расстояние между наружными поверхностями бортиков с учетом промежутка между блоками, как и в одноблочном пролетном строении, равна 418 см. Ширина блока по низу b принимается такой, чтобы была обеспечена его устойчивость против опрокидывания. Поэтому после установки блоков на опоры в проектное положение блоки между собой не соединяются.
Рис. 2.3. Поперечные сечения плитных пролетных строений по типовому проекту
серии 3. 501.1–108 (инв. №557):
а - одноблочное, длиной 2,95 м; б - из двух блоков, длиной до 16,5 м
Если на мосту необходимы тротуары (в железнодорожных мостах – это служебные проходы), их устраивают на железобетонных или металлических приставных консолях шириной 57 см, прикрепляемых к бортикам балластного корыта (см. п. 2.3). Таким образом расстояние между перилами получается равным 532 см, чем предусматривается возможность установки типовых пролетных строений на кривых участках пути радиусом 300 м и более, так как ширина габарита приближения строений на кривых увеличивается.
С увеличением пролета высота плиты h увеличивается, а при широкой плите с ее дальнейшим утолщением существенно возрастает расход бетона, следовательно, и вес пролетного строения. Поэтому при длине пролетных строений свыше 7…9 м нижнюю часть плиты целесообразно заменить отдельными ребрами.
Пролетные строения ребристой конструкции в мостах прежних проектировок состоят из двух главных балок, объединенных плитой балластного корыта с тротуарными консолями. Для обеспечения пространственной жесткости пролетного строения балки, кроме плиты, соединялись диафрагмами (рис. 2.4). В однопутных мостах тротуары устраивают по обе стороны пути, в двухпутных – с одной стороны пролетного строения. Поэтому пролетные строения двухпутных мостов имеют одну длинную консоль (для тротуаров), другую короткую. Пролетное строение из условия перевозки по железной дороге должно вписываться в габарит подвижного состава, в связи с чем, ребристое пролетное строение в виде одного блока могло быть изготовлено только в монолитном исполнении.
Рис. 2.4. Поперечное сечение ребристого пролетного строения старой проектировки
В настоящее время ребристые пролетные строения, как и плитные, изготавливают на заводах МЖБК по типовым проектам. По типовому проекту серии 3.501-108 (инв.№557) изготавливаются двухблочные ребристые пролетные строения длиной от 9,3 м до 16,5 м с расстоянием между осями балок 180 см. Толщина балки принята независимой от величины пролета, а высота ее зависит от длины (h:l =l:10…l:12). Поперечный размер пролетного строения, как и при плитной конструкции, принят равным 418 см, а с учетом тротуаров, устраиваемых также на приставных консолях, равным 532 см (рис.2.5). В отличие от плитных, блоки ребристых пролетных строений соединяют монтажными стыками диафрагм, расположенных у торцов балок. Конструкция стыка приведена на рисунке 2.6. Соединение балок осуществляется путем приварки стальных планок 1 и 2 к заанкеренным в диафрагмах закладным деталям в виде стальных листов 3, которые устанавливаются при бетонировании балки. Для лучшего обволакивания бетоном соединительных элементов планка 1 разделяется на несколько частей, а в планке 2 устраивают отверстия; кроме того, к ней приваривают небольшую арматурную сеточку 4. Омоноличивание стыка производят мелкозернистым бетоном того же класса, который применяют для бетона пролетных строений, после установки балок на опорные части в проектное положение.
Рис. 2.5. Поперечное сечение ребристого пролетного строения по типовому проекту
серии 3.501-108 (инв. №557)
Рис. 2.6. Конструкция соединения балок в пролетное строение
Блоки пролетных строений длиной от 9,3 м до 16,5 м по этому типовому проекту могут быть как ребристыми, так и плитными (см. рис. 2.3, б). Пролетные строения с плитными блоками при таких пролетах менее экономичны по расходу материалов, а следовательно, и по стоимости. Но они имеют меньшую строительную высоту, поэтому применение таких пролетных строений в ряде случаев целесообразно. Например, при переводе участков пути на электрическую тягу может потребоваться увеличение высоты подмостового пространства в путепроводах. Это можно сделать путем установки новых пролетных строений с пониженной высотой. Применение плитных пролетных строений оправдано и при выправке профиля пути под путепроводом, вызывающей повышение отметок подошвы рельсов.
По типовому проекту толщина консолей dП в плитных пролетных строениях изменяется в пределах от 15 до 25 см в зависимости от длины пролетного строения; для ребристых пролетных строений dП=15 см. В местах примыкания консолей к ребрам или плитам их толщина увеличивается путем устройства вутов. Это уменьшает концентрацию напряжений в бетоне в этих местах, а также упрощает изготовление блоков пролетных строений. При заводском изготовлении блоки бетонируют в металлических формах, которые создают цилиндрические поверхности низа вутов. При изготовлении пролетных строений на полигонах или непосредственно в пролете в деревянной опалубке низ вутов может быть плоским, что предусмотрено проектом.
По типовому проекту серии 3.501-108 (инв. №557) отвод воды из балластного корыта предусмотрен через водоотводные трубки (см. п. 2.3). В процессе эксплуатации моста трубки часто засоряются, вода при этом скапливается в балластном корыте, а многократное замораживание ее приводит к разрушению гидроизоляции и бетона плиты. Поэтому был разработан типовой проект с другой системой водоотвода (серия 3.501.1-175.93). По этому проекту водоотвод осуществляется не через водоотводные трубки, а в промежуток между боковыми поверхностями плит соседних блоков (см. п. 2.3). Проект также предусматривает применение плитных пролетных строений (с пониженной высотой) длиной от 2,95 м до 16,5 м (рис 2.7, а) и ребристых пролетных строений длиной от 9,3 м до 16,5 м (рис. 2.7, б). В этом проекте пролетное строение длиной 2,95 м, как и в пролетных строениях с другими длинами, разделено на два блока. Увеличено число длин пролетных строений, что связано с возможностями замены старых пролетных строений на эксплуатируемых мостах. Проектом предусмотрены плитные (с пониженной строительной высотой) станционные и промежуточные блоки с одним бортиком. Их использование позволяет создавать многопутные пролетные строения на мостах, расположенных в пределах станций. Поперечные сечения блоков пролетных строений по типовому проекту серии 3.501.1-175.93 показаны на рис. 2.8.
Рис. 2.7. Поперечные сечения пролетных строений по типовому проекту
серии 3.501.1–175.93:
а – с плитными (с пониженной высотой) блоками; б – с ребристыми блоками
Рис. 2.8. Типы поперечных сечений блоков пролетных строений по типовому проекту 3.501.1-175.93:
а – основной блок; б – крайний станционный блок с пониженной высотой; в – промежуточный станционный блок с пониженной высотой
Пролетные строения по типовым проектам серий 3.501-108 (инв. №557) и 3.501.1-175.93 имеют существенный недостаток: они не обеспечивают механизированную замену балласта, так как по ним невозможен пропуск щебнеочистительных машин (ЩОМ). Поэтому по новому типовому проекту (серия 3.501.1-146), с целью обеспечения нормальной работы ЩОМ, ширина балластного корыта увеличена и отсутствуют его внутренние бортики. Этот проект предусматривает применение в сборных пролетных строениях, длина которых принята такой же, как и в пролетных строениях по проекту серии 3.501-108 (инв. №557), ребристых блоков и плитных, т.е. с пониженной высотой. Но в новый проект включены блоки, с использованием которых могут составляться пролетные строения под два пути, а на мостах в пределах станций и под три пути.
Пролетное строение под один путь состоит из двух блоков. Они могут быть двух типов: плитные (т.е. с пониженной строительной высотой) с шириной блока у его низа 120 см (рис. 2.9, а) и ребристые с шириной ребра 50 см (рис. 2.9, в). Пролетные строения с пониженной строительной высотой, как и по проекту серии 3.501-108 (инв. №557), имеют длину от 2,95 м до 16,5 м, а ребристые пролетные строения – длину от 9,30 до 16,5 м.
Рис. 2.9. Поперечные сечения блоков пролетных строений по типовому проекту серии 3.501.1–146:
а, б - основной и промежуточный блоки плитных пролетных строений; в, г - то же ребристых пролетных строений
Все основные блоки имеют ширину по верху 242 см, поэтому с учетом зазора между торцами плит соседних блоков в 6 см полная ширина пролетного строения (расстояние между наружными поверхностями бортиков балластного корыта) равна 490 см. Тротуары шириной 50 см также устраивают на приставных консолях. Получаемое при этом расстояние между перилами в 590 см обеспечивает необходимый габарит приближения строений на мостах, расположенных на кривых с радиусом 300 м и более.
Блоки ребристых пролетных строений соединяют диафрагмами, расположенными у торцов блоков, с устройством стыков, конструкция которых аналогична описанной ранее (см. рис. 2.6), а блоки плитных пролетных строений (в них диафрагмы не предусмотрены) – путем приварки соединительных планок к закладным деталям в торцевых бортиках балластного корыта.
Для многопутных мостов предусмотрены промежуточные блоки двух типов: плитные (рис. 2.9, б) и ребристые (рис. 2.9, г), которые имеют такую же высоту h, что и крайние блоки для пролетных строений соответствующих длин. В двухпутных мостах в состав пролетного строения входят два крайних и два промежуточных блока. Блок ребристого пролетного строения имеет одностороннюю полудиафрагму, с помощью, которой он соединяется с диафрагмой промежуточного блока. Промежуточные блоки при этом между собой не соединяют. Крайний и средний блоки плитного пролетного строения соединяют привариваемыми стальными планками с использованием закладных деталей в блоках. Поперечные сечения двухпутных мостов приведены на рис. 2.44.
В мостах под три пути используются вместе с двумя крайними четыре промежуточных блока.
Общие сведения о типовых пролетных строениях из обычного железобетона приведены в приложении Б.
Основные правила армирования пролетных строений из обычного железобетона показаны на примере ребристой конструкции. Армирование плитных пролетных строений принципиальных отличий не имеет.
Необходимую площадь рабочей арматуры в середине пролета балки определяют, исходя из величины изгибающего момента в этом сечении. Она может применяться как из отдельных стержней, так и в виде пучков из двух-трех стержней, расположенных в плитных пролетных строениях в один ряд, а в ребристых – в несколько рядов. Находит применение многорядная арматура в виде вертикальных рядов стержней, соединенных сварными швами (рис. 2.10). Промежутки между стержнями (пучками) должны быть достаточно большими для всестороннего обволакивания их бетоном. Поэтому нормами проектирования установлены минимально допустимые расстояния в свету между отдельными стержнями или пучками.
Рис. 2.10. Возможные схемы расположения стержней продольной рабочей арматуры в ребре балки:
а – одиночные стержни; б – пучки из двух стержней; в – пучки из трех стержней; г – многорядная сварная арматура
По мере удаления от середины пролета изгибающий момент уменьшается. Следовательно, должно уменьшиться и число стержней, необходимых для его восприятия. Поэтому часть стержней отгибается и заканчивается в верхней сжатой зоне балки или у ее торца, но не менее трети рабочей арматуры, устанавливаемой в середине пролета, должно быть заведено за опорное сечение. Нормы проектирования содержат и другие требования, касающиеся отгибов рабочей арматуры: установлены значения углов наклона отгибов, которые должны располагаться симметрично относительно продольной оси балки; даны рекомендации по определению места начала отгибов, при этом на участке, где по расчету требуется установка наклонных стержней, любое сечение, перпендикулярное оси балки, должно пересекать не менее одного стержня наклонной арматуры, и др.
Стенку балки раньше всегда армировали вертикальными стержнями замкнутого контура, поэтому такую арматуру стали называть хомутами. В настоящее время армирование стенки может производиться как стержнями с замкнутым контуром, так и отдельными прямолинейными стержнями, которые в силу исторически сложившейся терминологии также называют хомутами. Хомуты участвуют в восприятии поперечной силы, учитываются в расчетах, т.е. являются расчетной арматурой. Расстояние между хомутами по длине балки разные: в приопорных участках, где наибольшая поперечная сила, их ставят чаще, чем в середине балки. Хомуты выполняют также функции монтажной арматуры: они связывают сжатую и растянутую зоны балки для совместной работы, с их участием создаются арматурный каркас и обеспечивается его жесткость. Поэтому в пролетных строениях мостов под железную дорогу хомуты ставят всегда, даже в тех сечениях, где по расчету на поперечную силу они не нужны. В стенках балок толщиной до 50 см в пределах приопорных участков, равных ¼ пролета, считая от оси опорной части, расстояние между хомутами должно быть не более 15 см, а на средней части не более 20 см. При толщине стенок балок более 50 см шаг хомутов в середине пролета балки может быть увеличен на 5 см. Диаметр хомутов должен быть не менее 8 мм.
Кроме хомутов стенку балки в соответствии с рекомендациями норм проектирования армируют продольными стержнями. Эти стержни являются конструктивными, их устанавливают в соответствии с указаниями норм проектирования: в пределах трети высоты балки, считая от ее растянутой грани, с шагом не более 12 диаметров арматурных стержней (при их диаметре 8…12 мм), в остальной части стенки – с шагом не более 20 диаметров ее арматуры, которые следует принимать равными 8…10 мм. В то же время эту арматуру можно считать и монтажной (участвует в создании пространственного каркаса), и рабочей, так как она учитывается в некоторых расчетах.
Если для поперечной арматуры (хомутов) применяют отдельные стержни, их объединяют со стержнями конструктивной продольной арматуры, образуя сетки длиной 250…300 см, которые могут быть как сварными, так и вязаными. Для армирования бортиков балластного корыта также обычно применяют сетки.
Рабочая арматура плиты располагается в ее верхней зоне перпендикулярно оси пролетного строения. Расстояние между стержнями этой арматуры должно быть не более 15 см, т.е. на одном метре плиты должно быть не менее семи стержней. Вместе со стержнями распределительной арматуры, устанавливаемыми вдоль оси моста с расстояниями не более 25 см, она образует сетки. Эти сетки, как и сетки ребра, могут быть сварными или вязаными.
Расстояние от грани балки до поверхности арматурного стержня называют защитным слоем. Его величина для продольной рабочей арматуры балки должна быть не менее 3 см, для хомутов – не менее 2 см, для продольной конструктивной арматуры – не менее 1,5 см. Защитный слой рабочей арматуры плиты, должен быть не менее 2 см. В то же время защитный слой не должен быть намного больше установленных нормами его минимальных величин, так как при большой толщине неармированного бетона в нем могут возникать усадочные трещины.
Ниже на примере балки пролетного строения длиной 16,5 м рассмотрено, как учитываются требования норм проектирования при ее армировании по рассмотренным типовым проектам.
В пролетных строениях по типовому проекту серии 3.501.1-175.93 в качестве основной принята многорядная арматура класса А400 из стержней периодического профиля с расчетным диаметром 32 мм. Наружный диаметр таких стержней с учетом выступов равен 34,5 мм. В соответствии с расчетом на действие изгибающего момента в середине пролета балки было установлено 26 стержней (рис. 2.11). Они объединены в группы по 2 и 3 стержня. По нормам проектирования в группе должно быть не более трех стержней, а расстояния по вертикали между группами стержней должны осуществляться постановкой в начале каждого отгиба коротышей диаметром не менее 25 мм, и не более, чем через 2,5 м по длине. В проекте коротыши приняты того же диаметра, что и для продольной рабочей арматуры балки. Установлены они в начале каждого отгиба, поэтому указанные требования норм выполняются.
Рис. 2.11. Армирование балки пролетного строения по типовому проекту
серии 3.501.1 – 175.93:
а - поперечное сечение в середине пролета балки; б - расположение отгибов
Расстояние по ширине в свету между продольными стержнями при трех стержнях в группе по нормам проектирования должно быть не менее 60 мм. В проекте расстояние между осями соседних групп стержней принято равным 96 мм, что соответствует расстоянию в свету между группами стержней в 61,5 мм. Расстояние от боковой грани балки до оси крайнего стержня в проекте 58 мм, а от низа балки 50 мм. Величина защитного слоя при этом соответственно будет равна 41 мм и 33 мм, что удовлетворяет требованиям норм проектирования. При этом обеспечивается и необходимый защитный слой для хомутов.
Хомуты приняты из круглых стержней диаметром 8 мм из стали класса А240. Выступающие концы стержней после установки на место загибаются, образуя замкнутый контур. В каждой плоскости устанавливается два хомута, поэтому в расчетах они учитываются, как четырехсрезные.
Для придания арматурному каркасу необходимой жесткости применены стержни- стяжки из круглой арматуры диаметром 6 мм из стали класса А240. Эти стяжки также обеспечивают необходимую величину защитного слоя при бетонировании балки. Величина защитного слоя на практике дополнительно фиксируется привязкой к арматуре небольших бетонных пластинок («сухариков») толщиной, соответствующей требуемой величине защитного слоя.
Элементы продольной рабочей арматуры изготавливают по эскизам, приведенным в табл. 2.1. В таблице стержни имеют те же номера, что и в рассматриваемом типовом проекте.
Таблица 2.1 Эскизы стержней продольной рабочей арматуры (к рис.2.11)
После установки стержней в проектное положение их отгибы располагаются так, что любое вертикальное сечение на участке, где они необходимы по расчету, обязательно пересекает один или несколько отгибов. Но не менее трети рабочей арматуры, установленной в середине пролета балки, должно быть заведено за опорное сечение (в проекте 9 стержней из 26). По нормам крайние стержни, примыкающие к боковым поверхностям балки, должны быть отогнуты под углом 900 и доведены вверх до половины высоты балки. В проекте это стержни №51, имеющие прямые участки на отогнутом конце длиной 69 см, что более половины высоты балки, которая равна 136 см. Остальные выводимые за опорное сечение стержни (№50 и №52) должны иметь прямые участки длиной не менее восьми их диаметров, что в проекте также учтено.
Армирование балки пролетного строения по типовому проекту серии 3.501.1-146 длиной 16,5 м во многом схоже с рассмотренным армированием балки такой же длины по проекту 3.501.1-175.93 (рис. 2.12). Для продольной рабочей арматуры здесь также применены стержни периодического профиля диаметром 32 мм из стали класса А400. Но число их в середине пролета основной балки увеличено до 29. Это пролетное строение имеет большую ширину, а следовательно, и больший вес за счет увеличения размеров балок и балластной призмы, что увеличило изгибающий момент в середине пролета и соответствующую ему необходимую площадь рабочей арматуры. В проекте несколько изменен и вид армирования ребер балок хомутами. Для них применены стержни из стали класса А400 с расчетным диаметром 10 мм.
В проекте серии 3.501.1-146 предусмотрен также вариант армирования балки стержнями из стали класса А300 того же диаметра, при этом количество рабочих стержней в середине пролета балки пришлось увеличить до 34.
Рис. 2.12. Армирование блоков пролетного строения по типовому проекту серии 3.501.1-146:
а — основного; б – промежуточного
В пролетном строении по проекту серии 3.501-108 (инв. №557) армирование балок продольной рабочей арматурой принято отдельными стержнями периодического профиля из стали класса А300 с расчетным диаметром 32 мм.
Применение обычного железобетона в пролетных строений длиной более 16…18 м нецелесообразно, хотя раньше такие пролетные строения применялись широко: были типовые проекты пролетных строений длиной до 34,6 м. Но они могли быть изготовлены только непосредственно в пролете. Сделать их сборными практически невозможно из-за большого веса отдельных блоков, превышающих грузоподъемность кранов, которыми располагают мостостроительные организации. К тому же затруднена и перевозка таких блоков по железной дороге. Поэтому действующие в настоящее время типовые проекты длиной от 16,5 м до 27,6 м предусматривают применение предварительно напряженного железобетона.
Пролетные строения из предварительно напряженного железобетона по типовому проекту серии №556 в основном такие же, как и пролетные строения из обычного железобетона, продольным швом они разделены на два блока. В средней части блоки имеют двутавровое сечение с толщиной стенки 26 см, у опор – тавровое сечение с толщиной ребра 82 см (рис. 2.13). Основные сведения об этих пролетных строениях приведены в приложении В.
Рис. 2.13. Поперечное сечение в середине пролета и вид с торца пролетного строения из предварительно напряженного железобетона
Наибольшая длина пролетного строения, равная 27,6 м, связана с весом блока. Вместе с гидроизоляцией он составляет 107,6 тс, что позволяет установку блока в пролет специальным краном ГЭПК-130 (габаритный электрифицированный кран грузоподъемностью 130 тс). Кран ГЭПК-130 имеет необычную конструкцию: он создан специально для монтажа пролетных строений железнодорожных мостов, состоящих из блоков длиной до 34,6 м и весом до 130 тс. Основным конструктивным элементом крана является главная балка, поворачивая которую в плане, кран может брать блок пролетного строения, расположенного у бровки земляного полотна, или с соседнего пути (рис. 2.14). Балка может изменить наклон в вертикальной плоскости и снимать блок пролетного строения с платформы, находящейся на том же пути, что и сам кран.
Рис. 2.14. Консольный кран ГЭПК-130 в рабочем положении: 1 - главная балка; 2 - пролетное строение; 3 противовес (размеры в миллиметрах)
Раньше находили применение типовые проекты железобетонных пролетных строений из предварительно напряженного железобетона длиной 34,6 м; вес блоков таких пролетных строений позволял их установку в пролет краном ГЭПК-130. Но из-за конструктивных недостатков (стремление сократить вес блоков толщина ребер в середине пролета у них была принята равной всего 16 см) при эксплуатации мостов в балках появлялись трещины. Увеличение размеров приводило к повышению веса блоков, который превосходил грузоподъемность консольных кранов. Поэтому от таких пролетных строений пришлось отказаться.
Пролетные строения, состоящие из двух блоков таврового или двутаврового сечения, имеют ряд достоинств. Они удобны в изготовлении, экономичны. Но балки такого сечения не устойчивы при транспортировке и монтаже: после установки на место требуются дополнительные монтажные работы по соединению балок в пролетное строение. Поэтому находили применение пролетные строения с членением на блоки П-образного сечения. Были типовые проекты таких пролетных строений длиной от 5,0 м до 16,55 м с высотой H соответственно от 100 см до 220 см. Стенки блоков пролетных строений длиной до 10,0 м имели прямоугольное сечение, а в пролетных строениях длиной от 11,5 до 16,5 м – прямоугольное сечение у концов и тавровое в середине пролета (рис. 2.15). Такие блоки устойчивы при перевозке. Вес одного блока равен 52,0 тс, что соответствовало грузоподъемности имеющимися в то время кранов. После установки на опоры их можно не соединять, что позволяет исключить укладку бетона при монтаже. Но пролетные строения с П-образными блоками не экономичны. Кроме того, блок такой формы не приспособлен к заводскому изготовлению: затруднено устройство внутренней опалубки балок и их распалубка после набора бетоном необходимой прочности. Поэтому пролетные строения с П-образными блоками широкого распространения не получили и в настоящее время их не применяют.
Рис. 2.15 Поперечное сечение пролетного строения из блоков П-образных форм:
а – вид с торца; в – поперечный разрез.
Недостаток пролетных строений с разделением на блоки – многодельность их сооружения. В этом смысле лучше цельно-перевозимые пролетные строения: для их изготовления, транспортировки и установки на место требуется меньше операций. Но при езде на балласте ширина пролетных строений должна быть не меньше 4,0 м, что не допускает их перевозку по железной дороге.
Была сделана попытка обеспечить перевозку пролетных строений с ездой на балласте без членения на блоки путем устройства откидных консолей в плитах балластного корыта. В плите устраиваются шарниры простой конструкции, которые обеспечивают поворот консолей. Для транспортировки пролетного строения откидные консоли ставят в вертикальное положение и закрепляют в таком положении стяжками. При этом ширина пролетного строения равна 3,0 м и оно вписывается в габарит подвижного состава. После установки пролетного строения на опоры консоли поворачивают в проектное положение, а шарниры омоноличивают (рис. 2.16). Опыт эксплуатации таких пролетных строений выявил их существенные недостатки: проседание консолей из-за их нежесткого соединения в шарнирах, коррозия арматуры в шарнирах и др. Поэтому от пролетных строений с откидными консолями в дальнейшем отказались.
Рис. 2.16 Поперечное сечение пролетного строения с откидными консолями:
а - в транспортном положении; б - после установки в пролет
Создать цельноперевозимую конструкцию пролетного строения можно, если отказаться от езды на балласте. Раньше находили применение пролетные строения с ездой на деревянных мостовых брусьях (были типовые проекты таких пролетных строений длиной от 7,3 до 16,5 м с высотой H соответственно от 134 до 204 см). Такое пролетное строение состоит из двух главных балок, объединенных поперечными диафрагмами и продольными связями в уровне верхних поясов в жесткую пространственную конструкцию (рис. 2.17, а). Один из возможных вариантов прикрепления мостовых брусьев к поясам балок показан на рис. 2.18, б. Расстояние между осями главных балок пролетного строения было принято равным 1,8 м, а вес его при длине 16,5 м составлял около 70 тс, что позволяло перевозить такие пролетные строения по железной дороге и устанавливать их в пролет имевщимися в то время кранами.
Рис. 2.17. Одноблочное пролетное строение с ездой по мостовым брусьям:
а - поперечное сечение; б - вариант прикрепления бруса к железобетонной балке
Учитывая возможности современного кранового оборудования, такие пролетные строения могли бы применяться и при большей длине. Но в небольших мостах желательна однородность езды как на самом мосту, так и на подходах к нему. При выправке профиля пути иногда приходится изменить отметки подошв рельсов. Изменить отметку подошвы рельсов при езде на балласте можно путем изменения толщины балласта под шпалой в допустимых пределах. При езде на мостовых брусьях положение пути на мосту зафиксировано. Поэтому из условий эксплуатации пролетное строение с ездой по мостовым брусьям в новых мостах применяют очень редко.
Цельноперевозимое пролетное строение могло быть осуществлено и при прикреплении рельсов непосредственно к железобетонной плите. Такое пролетное строение также вписывается в габарит подвижного состава (рис. 2.18). Но в них неоднородность езды на пролетных строениях и на подходах к мостам сказывается на условиях эксплуатации еще сильнее, чем при езде на мостовых брусьях. Применение таких пролетных строений может оказаться целесообразным в сочетании с металлическими пролетными строениями с ездой по железобетонной плите.
Рис. 2.18. Безбалластное цельноперевозимое пролетное строение с ездой по железобетонной плите
С целью уменьшения строительной высоты ребристые пролетные строения могут устраиваться с ездой понизу. В этом случае пролетное строение состоит из главных балок и плиты, имеющей форму балластного корыта. Плита устраивается у низа главных балок. Расстояние между балками и их высоту назначают так, чтобы был обеспечен габарит приближения строений (рис. 2.19). Такие пролетные строения находили применение как в монолитном, так и в сборном исполнении. В последнем случае плиту изготавливали из обычного, а главные балки из обычного или предварительно напряженного железобетона. При монтаже выпущенные наружу концы арматуры плиты сваривают с выпусками арматурных стержней главных балок, затем арматуру заделывают бетоном (на рис.2.19 монтажный стык отмечен перекрестной штриховкой). В настоящее время ребристые пролетные строения с ездой понизу могут применяться лишь в исключительных случаях, когда необходима малая строительная высота при относительно больших пролетах, например, в путепроводах (рис. 2.20).
Рис. 2.19. Поперечные сечения пролетного строения с ездой понизу: слева - в середине пролета; справа – в опорном сечении
Рис. 2.20. Общий вид путепровода под железную дорогу с пролетным строением с ездой понизу
Рассмотренные конструктивные решения пролетных строений разрезной балочной системы имеют небольшую длину. Во многих случаях применение таких пролетных строений не экономично, требуется применение пролетных строений большей длины. Но с увеличением расчетного пролета должна увеличиваться и высота пролетного строения, иначе она не будет обладать ни необходимой жесткостью, ни экономичностью. Были предложения заменить сплошную балку железобетонной фермой. При такой замене пролетное строение можно членить на отдельные линейные элементы простой конструкции с относительно небольшим весом. В нашей стране были применены пролетные строения со сквозными главными железобетонными фермами нескольких видов под железную дорогу.
На рис. 2.21, а показана схема железобетонной фермы с решеткой с восходящими раскосами. Конструкция пролетного строения с такими фермами была предложена и разработана в Ленинградском институте инженеров железнодорожного транспорта (ЛИИЖТ). Все элементы этой фермы имеют простое прямоугольное сечение, соединяются они в узлах с помощью металлических накладок, как это делается в металлических пролетных строениях. Эти накладки не защищены бетоном от коррозии, что вызывает необходимость их окраски или защиты от коррозии каким-либо другим способом. К тому же, такой стык требует большого расхода металла. Сжатые элементы фермы выполнены из обычного железобетона, а растянутые элементы и элементы, в которых напряжения меняют знак, – из предварительно напряженного железобетона.
Характерной особенностью пролетного строения по рис. 2.21, б является то, что все элементы фермы выполнены из железобетонных центрифугированных труб. Соединяются элементы в углах с помощью фланцевых стыков. Напрягаемая арматура в виде пучков из высокопрочной проволоки располагается внутри труб. Такая конструкция фермы предложена Центральным научно-исследовательским институтом транспортного строительства (ЦНИИС).
Пролетное строение по рис. 2.21, в, предложенное в Новосибирском институте инженеров железнодорожного транспорта (НИИЖТ), имеет жесткий нижний пояс двутаврового сечения. Жесткие пояса позволяют вести сборку как в пролете с использованием промежуточных опор, расположенных под стыками нижнего пояса, так и на берегу с последующей продольной надвижкой в пролет всего пролетного строения, либо только нижних поясов. Нижний пояс, как и все растянутые и сжато-растянутые элементы, выполнен из предварительно напряженного железобетона. Общий вид моста с таким пролетным строением показан на рис. 2.22.
Рис. 2.21. Схемы пролетных строений с железобетонными фермами:
а - с решеткой с восходящими раскосами (ЛИИЖТ); б - из железобетонных центрифугированных труб (ЦНИИС); в – с жесткими нижними поясам двутаврового сечения (НИИЖТ)
Рис. 2.22. Мост через реку Черту в Кемеровской области (пролетное строение конструкции НИИЖТа)
Пролетные строения со сквозными фермами дают существенную экономию железобетона, по сравнению с пролетными строениями со сплошными главными балками, и экономию металла по сравнению с металлическими пролетными строениями такой же длины. Но основной их недостаток – сложность изготовления и монтажа, что сказывается на их стоимости. Поэтому пролетные строения со сквозными железобетонными фермами широкого распространения не получили, в настоящее время их не применяют.
2.1.2 Пролетные строения неразрезной балочной и консольно-балочной систем
В пролетных строениях неразрезной балочной системы под действием вертикальных нагрузок в опорных сечениях у промежуточных опор возникают отрицательные изгибающие моменты, при этом уменьшаются моменты в середине пролета, что позволяет применять их с меньшей высотой по сравнению с разрезными балочными пролетными строениями при одинаковых пролетах (рис. 2.23). Отношение высоты балки h к ее расчетному пролету в неразрезных балках из обычного железобетона принимают равным 1/10-1/20 (для сравнения, в разрезных пролетных строениях по типовым проектам это отношение равно 1/10-1/12).
В неразрезных балочных системах в общем случае меньше и размеры промежуточных опор. Их размеры сверху определяются из условий размещения опорных частей. В неразрезных системах они располагаются в один ряд, в разрезных в два ряда (см п.3.3.2). Поэтому в неразрезных системах на действие вертикальных нагрузок промежуточные опоры работают как центрально сжатые.
Рис. 2.23. Расчетные схемы и эпюры изгибающих моментов, вызываемых равномерно распределенной нагрузкой в пролетных строениях балочных систем:
а – разрезной; б – неразрезной
Таким образом, применяя неразрезные балочные системы, получают экономию материала, как на пролетных строениях, так и на опорах.
Прогибы в неразрезной балке меньше, чем в разрезной, при одинаковых нагрузках, а отсутствие деформационных швов, перекрывающих промежутки между торцами соседних пролетных строений, создает плавную кривую прогибов (без точек перелома), что важно для эксплуатации мостов.
При одинаковых пролетах изгибающие моменты в крайних пролетах неразрезной балки будут больше, чем в средних. С целью их выравнивания, что желательно из условий конструирования, крайние пролеты обычно принимают меньшей длины (l1 0,7…0,8l2).
Положительный изгибающий момент воспринимается растянутой арматурой, расположенной в низу балки, и сжатым бетоном верхней ее части. При этом в сжатую зону включается сечение плиты. Отрицательный изгибающий момент в опорном сечении воспринимается верхней растянутой арматурой и сжатым бетоном ребра. Для увеличения площади сжатой зоны в низу балки может быть устроена плита, т.е. балке придается коробчатое сечение. Увеличение площади сжатой зоны может быть достигнуто также повышением высоты балки в приопорных сечениях путем придания низу балки полигонального или криволинейного очертания (рис. 2.24).
Рис. 2.24. Изменение высоты пролетных строений путем придания низу балок:
а – полигонального очертания; б – криволинейного очертания
Пролетные строения неразрезной балочной системы статически неопределимы (степень их статической неопределимости равна числу промежуточных опор). В таких системах возникают внутренние усилия при неравномерной осадке опор. Поэтому раньше неразрезные системы применяли лишь при твердых грунтах, которые не деформировались при действии на них нагрузок. Современные фундаменты могут практически исключить осадку опор. К тому же, существующие в настоящее время способы расчета фундаментов позволяют достаточно точно определить возможную осадку и учесть ее при проектировании пролетного строения.
Главный же недостаток неразрезных пролетных строений – сложность производства работ, они не соответствуют требованиям заводского изготовления. Такие пролетные строения бетонировали, как правило, непосредственно в пролете на сплошных подмостях. Конечно, возможна их сборка из крупных блоков в пролете без подмостей с устройством стыков, например, по схеме рис. 2.25. При этом блоки пролетного строения имеют выступы в виде металлических консолей 1, опирающиеся на специальный железобетонный элемент над опорой 2. Выпуски рабочей арматуры из стыкуемых элементов соединяют с использованием арматурных вставок того же диаметра при помощи сварки 3, после чего промежуток между блоками заполняют монолитным бетоном 4. Такая конструкция соединения блоков сложна, требует мокрых процессов, и может быть применена только в исключительных случаях.
Рис. 2.25. Вариант сооружения пролетного строения неразрезной балочной системы из крупных блоков
Применение неразрезных пролетных строений под железную дорогу может оказаться целесообразным лишь при необходимости перекрывать пролеты длиной более 30 м, для которых нет типовых проектов пролетных строений разрезной балочной системы.
Недостаток неразрезной системы, связанный с возникновением внутренних усилий при осадке опор, может быть исключен, если в определенных мостах поставить шарниры и получить, таким образом, статически определимую консольно-балочную систему, состоящую из анкерного пролета с консолями и подвесок (рис 2.26). Пролетные строения консольно-балочной системы также экономичны по расходу материалов, но они имеют перелом линии прогибов под шарнирами, что особенно нежелательно для мостов под железную дорогу. К тому же, конструкция шарниров достаточно сложна, и в балках пролетных строений в местах шарнирных соединений, как показал опыт их эксплуатации, могут возникать серьезные дефекты. Поэтому пролетные строения консольно-балочной системы в железнодорожных мостах в настоящее время не применяют.
.
Рис. 2.26. Схемы балочно-консольных пролетных строений и эпюры изгибающих моментов, вызываемых равномерно распределенной нагрузкой, при расположении сборных пролетов:
а – по краям пролетного строения; б – в середине пролетного строения
Контрольные вопросы к п. 2.1.
Какие требования предъявляются к современным железобетонным пролетным строениям?
Почему пролетные строения длиной 2,95 м на заводах МЖБК могут изготавливаться одноблочными, а при большей длине – только двухблочными?
Какими способами можно уменьшить вес плитных пролетных строений?
Из каких условий ширина пролетных строений (расстояние между перилами) в типовых проектах принята равной 532 см?
Почему в типовых проектах серий 3.501.1-108.1 и 3.501.1-175.93 ширина тротуаров принята равной 57 см, и по типовому проекту серии 3.501.1-146 – 50 см?
Почему водоотвод в пролетных строениях серий 3.501.1-146 и 3.501.1-175.93 осуществляется в промежуток между блоками продольного строения, а не через водоотводные трубки, как это делалось раньше?
Как объединяют блоки в плитных и в ребристых пролетных строениях?
В чем принципиальное отличие поперечных сечений блоков пролетного строения по типовому проекту серии 3.501.1-146 от сечений по другим типовым проектам? Чем оно обосновано?
В каких случаях целесообразно применение блоков пониженной высоты (плитных)?
Для чего в пролетных строениях серий 3.501.1-146 и 3.501.1-175.93 кроме основных предусмотрены промежуточные блоки?
Как могут располагаться продольные стержни рабочей арматуры в сечениях балок?
Почему часть стержней продольной рабочей арматуры отгибают? Назовите основные требования, предъявляемые к отгибам.
Какая часть продольных стержней рабочей арматуры должна быть заведена за опорное сечение? Какие требования предъявляются к их концам?
С какой целью применяют поперечную арматуру (хомуты)? Назовите основные требования, предъявляемые к хомутам.
Какой слой в сечениях пролетных строений называют защитным? Как обеспечивается его необходимая толщина?
Почему поперечную арматуру в виде хомутов и продольную арматуру, располагаемую в стенках балок, можно считать и рабочей, и конструктивной?
Назовите основные требования, предъявляемые к армированию плиты балластного корыта.
Из каких соображений длина пролетных строений из предварительно напряженного железобетона ограничена размером 27,6 м?
Назовите основные недостатки сборных пролетных строений из П-образных блоков.
В чем недостатки цельно-перевозимых одноблочных пролетных строений с откидными консолями, с ездой по мостовым брусьям, с безбалластной ездой по железобетонной плите?
В каких случаях целесообразно применять балочные железобетонные строения с ездой понизу? В чем их недостаток?
Какие виды пролетных строений с решетчатыми пролетными строениями из предварительно напряженного железобетона были осуществлены на построенных мостах? Кем они были предложены? Почему такие конструкции не получили широкого применения?
Назовите достоинства и недостатки железобетонных пролетных строений неразрезной балочной и консольно-балочной систем.
24. Какими способами можно увеличить площадь сжатого бетона в сечениях над промежуточными опорами пролетных строений неразрезной балочной и консольно-балочной систем?