2.2 Мосты арочных и рамных систем

Арочными называют мосты с пролетными строениями, в которых основными несущими элементами являются арки или своды. Арка по терминологии строительной механики – это криволинейный стержень, концы которого закреплены и не могут перемещаться в горизонтальном направлении. Благодаря этому возникает горизонтальная опорная реакция – распор, а в сечениях арки – сжимающая сила. За счет распора изгибающий момент в арке всегда меньше, чем в балке при одинаковых расчетных пролетах. Зависимость между арочным М_а и балочным моментом М_б определяется выражением:

М_а=М_б-Н_у, (1)

где Н – распор;

у – расстояние от линии действия распора до сечения арки, в котором определяют изгибающий момент (рис. 2.27).

Рис. 2.27. Расчетная схема двухшарнирной арки

Следовательно, сечения арок испытывают внецентренное сжатие, так как в них действует изгибающий момент и продольная сжимающия сила.

Кроме арок или сводов (у сводов ширина сечения существенно больше его высоты) в состав пролетного строения входит надарочное строение, состоящее из элементов проезжей части и стоек, через которые нагрузка с проезжей части передается на арки.

За счет распора изгибающие моменты в сечениях арок (сводов) при рациональном проектировании невелики, и арочные пролетные строения, как правило, по расходу материалов экономичнее балочных.

Но горизонтальное давление, равное распору, действует и на опоры. Поэтому опоры в арочных мостах имеют в большинстве случаев большие размеры, чем в балочных, и требуют развития фундаментов, исключающих (или сводящих к минимуму) перемещения опор. Особенно это важно при применении статически неопределимых арок, так как перемещения опор вызывают в них дополнительные внутренние усилия.

Таким образом, применяя арочные пролетные строения, выигрывают на пролетных строениях и проигрывают на опорах (по сравнению с балочными пролетными строениями). Поэтому вопрос о том, какая система экономичнее в целом, может быть решен на основании сравнения вариантов арочного и балочного моста.

В мостах применяют бесшарнирные, двухшарнирные и трехшарнирные арки (рис. 2.28).

Наиболее просты по конструкции и экономичны бесшарнирные арки. Недостаток их – чувствительность к осадкам и горизонтальным смещениям опор. Кроме того, в них могут возникать значительные внутренние усилия при изменениях температуры, а также вследствие усадки и ползучести бетона. Двухшарнирные арки менее чувствительны к этим воздействиям, вертикальные осадки опор внутренних усилий в них не вызывают. Трехшарнирные арки, как системы статически определимые, совсем лишены этих недостатков. Однако, они являются менее жесткими системами, имеют перелом в линии прогибов, поэтому в железнодорожных мостах их применяют редко.

Рис. 2.28. Статические схемы арочных пролетных строений:

а – с бесшарнирными арками; б – с двухшарнирными арками; в – с трехшарнирными арками

В арочных пролетных строениях величина изгибающих моментов в арках зависит от их очертания. Наименьшие значения моментов будут в том случае, когда ось арки совпадает с кривой давления от постоянных нагрузок. Однако изгибающие моменты в арках невелики, сравнительно легко могут быть восприняты армированными сечениями. Поэтому очертания арок назначают по какой-либо простой кривой (чаще всего, по параболе или по круговой кривой). Особенно существенно такое упрощение для сборных конструкций арок.

Важным параметром арочного пролетного строения является отношение стрелы подъема арки f к ее пролету l (пологость арки). Чем меньше отношение f:l, тем больше распор, что потребует более мощных опор. При очень пологих арках будут возникать и большие внутренние усилия от смещения опор, изменений температуры, усадки и ползучести бетона. Поэтому желательно применять подъемистые арки ( ). Однако, в некоторых случаях, целесообразно применение пологих арок, в которых отношение и даже .

По расположению уровня проезда, который в железнодорожных мостах определяется отметкой подошвы рельсов (ПР), различают пролетные строения с ездой поверху, посередине и понизу (рис. 2.29).

Рис. 2.29 Схемы арочных пролетных строений с уровнем проезда:

а – поверху; б – посередине; в – понизу

Наиболее экономичными являются пролетные строения с ездой поверху, так как у них расстояние между арками не зависит от габарита проезда. Оно может быть назначено минимальным из условия поперечной жесткости пролетного строения. При этом уменьшается ширина опор, а при более низком расположении пят арок уменьшается и высота опор. Но при больших пролетах и невысоком расположении проезжей части приходится применять езду посередине, чтобы избежать использования очень пологих арок. Арочные пролетные строения с ездой понизу целесообразны только в виде внешне безраспорных арок с затяжками.

Поперечные сечения арок бывают прямоугольными, двутавровыми и коробчатыми (рис. 2.30). Наиболее простыми являются прямоугольные сечения, применяемые, обычно при небольших пролетах арок. С увеличением пролетов такое сечение становится не экономичным. Поэтому при значительных пролетах применяют двутавровые и коробчатые сечения арок. Коробчатое сечение должно иметь достаточно большое поперечное сечение, обеспечивающее проход человека внутри арки, что необходимо для снятия внутренней опалубки арки после набора бетоном необходимой прочности и для осмотра внутренних ее поверхностей при эксплуатации моста. Арка коробчатого сечения может быть выполнена сборной, состоящей из отдельных плоских элементов заводского изготовления.

Рис. 2.30. Примеры поперечных сечений арок и сводов:

а – прямоугольное сечение; б – двутавровое; в – коробчатое; г – коробчатое сборное ; д – коробчатое свода

Высоту арок часто принимают переменной по длине в соответствии с действующими в них усилиями. В бесшарнирных арках большие изгибающие моменты возникают у пят, поэтому высоту таких арок уменьшают от пят к замку в 1,2…1,5 раза. В трехшарнирной арке наибольшие изгибающие моменты возникают в четверти пролета. В двухшарнирной арке моменты в четверти пролета несколько больше, чем в замке. Но для улучшения внешнего вида высоту трехшарнирных и двухшарнирных арок обычно принимают постоянной. Особенно целесообразна постоянная высота сечения в сборных арках. Сборные арки при значительном радиусе кривизны можно составлять из прямолинейных монтажных элементов.

В арочных мостах больших пролетов с ездой поверху целесообразно применение сводов коробчатого сечения. Такой свод состоит из верхней и нижней плит, соединенных вертикальными стенками. Он хорошо сопротивляется изгибу, как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях. При применении сборных конструкций свод, как и арка коробчатого сечения, может быть выполнен из плоских плит.

Для обеспечения необходимой горизонтальной жесткости ширина свода, а также расстояние между осями крайних арок, должны быть не менее l , и не менее ( )f.

Арочные пролетные строения могут быть монолитными, сборно-монолитными и полносборными (рис. 2.31). В монолитных пролетных строениях все элементы пролетного строения бетонируют непосредственно в пролете, причем арку (свод) бетонируют, как правило, с использованием кружал, а надарочное строение бетонируют после раскружаливания арок (сводов). В сборно-монолитных пролетных строениях арку бетонируют на месте, а надарочное строение собирают из отдельных, заранее изготовленных блоков. Сборные пролетные строения полностью монтируют из блоков заводского или полигонного изготовления. При этом блоки арки делают прямолинейными, поэтому фактическое очертание арки в таких пролетных строениях является не криволинейным, а полигональным.

Рис. 2.31. Схемы арочных мостов:

а – монолитных; б – сборно-монолитных; в - сборных

Арки и своды в арочных пролетных строениях работают, в основном, на сжатие и изгиб в вертикальной плоскости. В зависимости от положения временной нагрузки, в них возникают как положительные, так и изгибающие моменты. Разница в величинах этих моментов обычно невелика, поэтому верхнюю и нижнюю зоны арки (свода) армируют одинаковой рабочей арматурой, количество которой определяется расчетом. Рабочая арматура поддерживается хомутами, в плитах их устанавливают конструктивно, а в ребрах они должны быть проверены на действие поперечной силы (рис. 2.32). В применении наклонных стержней рабочей арматуры для восприятия поперечной силы в арках нет необходимости.

Рис. 2.32. Примеры армирования:

а - арки; б – свода

Имеются пролетные строения, в которых арки и надарочные строения объединены в единое целое. При этом арка имеет переменную высоту с верхней горизонтальной гранью. Такие арки называют дисковыми (рис.2.33). Дисковые арки довольно экономичны по расходу материалов, имеют простые опалубочные формы. Но они плохо поддаются индустриализации и для средних и больших пролетов могут сооружаться только в монолитном исполнении (см. п.1.1).

Рис. 2.33. Схема пролетного строения с дисковыми арками

Иногда в мостах арочных систем из архитектурных соображений надарочные строения по фасаду прикрывают декоративными стенками, облицованными естественным камнем, что придает им определенную монументальность. По внешнему виду они похожи на мосты с пролетными строениями в виде дисковых арок. Так сделано на Москворецком мосту в г. Москве (см. рис. 1.16), на мосту через р. Сочи в г. Сочи (рис. 2.34).

Рис. 2.34. Мост через р. Сочи в г. Сочи

Мосты, у которых все опоры, или часть из них, жестко соединены с пролетными строениями, считаются рамными. В строительной механике рамой называют стержневую систему с жесткими узлами. В железнодорожных мостах обычно применяют бесшарнирные рамы с вертикальными стойками (опорами) и с горизонтальными ригелями, которые выполняют функции пролетных строений (см. рис. 1.9).

Изгибающие моменты в ригеле рамы за счет жесткости узлов меньше, чем в балке с тем же пролетом. Поэтому высота ригеля может быть принята меньше, по сравнению с высотой разрезной балки, что дает экономию железобетона. Но при жестких узлах возникают изгибающие моменты от вертикальных нагрузок и в стойках рамы.

Основное достоинство рамных мостов – относительно небольшие поперечные размеры опор. Но это достигается путем армирования опор (стоек) и усложнения их конструкции.

Небольшие размеры сечений опор в сочетании с низкой строительной высотой ригелей способствовали широкому применению рамных систем в путепроводах и эстакадах. На рис. 2.35 показано несколько схем рамных путепроводов.

В путепроводе по рис. 2.35,а все опоры железобетонные. В путепроводе по рис. 2.36,б приняты массивные бетонные устои. Это существенно увеличивает расход кладки, но улучшает сопряжение моста с конусом насыпи, т.е. повышает его эксплуатационные качества. Особенно целесообразно применение такой рамной конструкции, когда крайние стойки рам получаются небольшими. В этих случаях в коротких стойках возникают большие изгибающие моменты, а объем массивных устоев из-за их малой высоты оказывается относительно небольшим. Это, например, характерно для путепроводов, у которых пересекаемая дорога находится в выемке (рис. 2.35, в).

Рис. 2.35. Схемы рамных путепроводов:

а – с железобетонными опорами; б – с массивными бетонными устоями;

в – при пересечении дороги, проходящей в выемке

Рамные системы, как правило, являются много раз статически неопределимыми. В них возникают внутренние усилия, вызываемые изменениями температуры, усадкой и ползучестью бетона. Эти усилия растут с увеличением длины рамы. Поэтому длинные рамы, что имеет, например, место в эстакадах, разбивают на отдельные секции, длиной обычно около 40 м, путем устройства шва расширения (рис. 2.36, а). Уменьшить внутренние усилия в длинных эстакадах можно также путем устройства вставок в виде разрезных балочек, опирающихся на короткие консоли соседних рам (рис. 2.36, б). Но применение в этом случае шарнирного опирания этих балочек для железнодорожных мостов нежелательно по условиям эксплуатации.

Рис. 2.36. Схемы рамных мостов с устройством швов расширения:

а – с разбивкой на отдельные секции; б – с устройством вставок в виде разрезных балок

Основной недостаток мостов рамных систем – они не обеспечивают условия индустриального строительства; рамную конструкцию трудно сделать сборной, т.е. состоящей из отдельных элементов заводского изготовления. Поэтому в современном мостостроении рамные системы применяют крайне редко, но на эксплуатируемых железных дорогах страны имеется много мостов рамных систем, преимущественно путепроводов, проектировок прежних лет. Их строили по действующим в те годы типовым проектам. Рамно-консольные системы, описанные в п.1.1, в мостах под железную дорогу не применяют из-за значительного перелома линий прогибов под шарнирами, что в железнодорожных мостах не допустимо.

Контрольные вопросы к п. 2.2

1. Какие системы мостов называют арочными, а какие рамными?

2. Дайте определение термину «арка» по терминологии строительной механики.

3. Почему изгибающий момент в арке меньше, чем в балке при одинаковых пролетах?

4. Почему в арочных системах требуются более мощные опоры, чем в мостах балочных систем при одинаковых пролетах?

5. Дайте определение понятию «распор арки».

6. Назовите арочные системы с точки зрения их статической определимости. Сделайте анализ таких систем.

7. Что называют пологостью арки? Почему пологость арки является важным параметром арочного пролетного строения? Какую пологость арки желательно применять в арочных пролетных строениях?

8. Сделайте сравнительный анализ арочных пролетных строений из условий расположения уровня проезда.

9. Сделайте сравнительный анализ арок с различными поперечными сечениями.

10. Каким должно быть расстояние между осями арок или ширина свода из условия поперечной устойчивости пролетного строения?

11. Почему в сборных пролетных строениях арка обычно имеет не криволинейное, а полигональное очертание?

12. Назовите основное достоинство рамных систем, обеспечивающее их широкое применение в путепроводах.

13. Почему изгибающий момент в ригеле рамного пролетного строения меньше, чем в балочном пролетном строении при одинаковых длинах?

14. В каких случаях в рамных системах мостов целесообразно применять массивные опоры?

15. Какими способами можно уменьшить статическую неопределимость многопролетных рамных систем большой длины?