Тема 5.7. Рамные и арочные железобетонные мосты. Основные виды, конструкция.

Рамные мосты

Рамные железобетонные мосты имеют жесткое соединение про­летных строений с опорами, что позволяет облегчить пролетные строения (ригели рам) и уменьшить их строительную высоту. Опо­ры рамных мостов, наоборот, работают более интенсивно, воспри­нимая как сжимающие усилия, так и значительные изгибающие моменты.

Интенсивное армирование стоек опар дает возможность делать их сравнительно небольшого сечения, поэтому рамные мосты часто применяют в таких сооружениях, как путепроводы и эстакады, в которых желательно меньше загромождать опорами подмостовое пространство.

Рамы мостов возводят обычно двухшарнирными или бесшарнир­ными. Шарниры устраивают в местах сопряжения стоек с фунда­ментами. Без шарнирные рамные мосты применяют при хороших грунтах в основании фундаментов, когда нет опасности осадки опор. Осадка опор вызывает в раме большие дополнительные напряжения, поэтому при слабых грунтах переходят на двухшарнирные рамы, меньше реагирующие на осадку опор. Однако шар­ниры усложняют конструкцию и производство работ, поэтому, если грунтовые условия позволяют, всегда стремятся сделать рамы бесшариирпыми.

Рамные мосты делают как монолитными, так и сборными из за­ранее изготовленных элементов.

Монолитные мосты применяют для небольших пролетов (рис. 14.1, а). Поскольку такие пролеты могут быть легко перекрыты сборными разрезными балками, монолитные рам­ные мосты малых пролетов строят сейчас чрезвычайно редко.

Монолитные рамные мосты могут быть однопролетными и мно­гопролетными. В однопролетных мостах (см. рис. 14.1, а) часто применяют двухконсольные рамы. Консоли разгружают главные балки, уменьшают изгибающие моменты в стойках и позволяют осуществить простое сопряжение моста с насыпью. Если по мест­ным условиям нельзя оставлять открытыми конусы насыпей, то рама может быть выполнена с ребристыми опорами,, имеющими откосные крылья. В зависимости от качества грунтов такие рамы могут иметь шарнирное (рис. 14.1, б) или жесткое (рис. 14.1, в) закрепление. Жесткое (бесшарнирные) закрепление обеспечивает­ся грунтом, заполняющим коробчатый устой.

Многопролетные рамные мосты, путепроводы и эстакады устра­ивают с учетом температурных деформаций сооружения. При длин­ных мостах в них возникают большие напряжения из-за деформа­ций при изменении окружающей температуры. Поэтому многопро­летные рамы разбивают на части длиной не более 50—70 м, деформирующиеся независимо одна от другой. Такое разделение можно обеспечить устройством балочного подвесного пролетного строения между рамами (рис. 14.1, г) или же устройством швов между сближенными опорами соседних секций длиной (рис. 14.1,д).

В поперечном сечении монолитные рамные мосты часто устраи­вают с опорами, имеющими ряд стоек по количеству главных ба­лок пролетного строения. При большой высоте стойки соединяют поперечными распорками. В рамных эстакадах желательно устра­ивать опоры с минимальным количеством стоек (одной или двумя), чтобы меньше занимать под эстакадное пространство. В этом случае в пролетном строении делают мощные поперечные балки, поддер­живающие продольные балки, которые не связаны непосредственно со стойками (см. рис. 14.1, а). Небольшие монолитные рамные мосты сооружают обычно с ненапрягаемой арматурой. По своей конструкции пролетные строения рамных мостов аналогичны ба­лочным. Некоторые особенности характерны лишь для сопряжения главных балок (ригелей) рам со стойками. Сопряжение ригеля со стойкой должно обеспечивать передачу на нее изгибающих момен­тов. Для этого арматуру стоек промежуточных опор заводят в ри­гель выше его оси (рис. 14.2, а). В сопряжении ригеля с крайними стойками арматуру ригеля заводят в стойку по ее внешней поверх­ности, арматуру же стойки доводят до верхней арматуры ригеля (рис. 14.2, б).

Арматура ригеля, рамы, как и в балочных неразрезных или кон­сольных мостах, имеет в середине пролета основную рабочую арма­туру внизу, а у опор вверху. Вблизи опор устраивают также отги­бы стержней арматуры и устанавливают более часто хомуты, для восприятия больших поперечных сил на этих участках ригеля. Ар­матуру стоек, жестко соединяемых с фундаментом, заводят в его массив (рис. 14.2, в, г, д).

При шарнирном сопряжении с фундаментом арматуру стойки закапчивают у ее торца.

Простейшая конструкция шарнира может быть устроена в виде металлической прокладки между торцом стойки и поверхностью фундамента (рис. 14.2, е). Прокладку обычно изготавливают из листовой стали толщиной 10—15 мм, хотя желательно делать ее свинцовой или резиновой. Для восприятия горизонтального распо­ра через шарнир пропускают арматурный стержень, не препятст­вующий его поворотам. В рамных мостах применяют также прут­ковые шарниры, представляющие собой местное сужение железо­бетонной стойки, армированное наклонными стержнями, проходящими через центр шарнира (рис. 14.2, ж). При поворотах стопки бетон в шейке шарнира может растрескаться. В этом слу­чае все усилия, действующие в шарнире, должны восприниматься арматурой. Для предохранения этой арматуры от влаги, проникаю­щей через трещины бетона шейки, вокруг нее устраивают проклад­ку из упругого водонепроницаемого материала. При больших опорных давлениях шарниры рамных мостов изготавливают из стального литья.

Фундаменты могут быть общими под все стойки опоры или от­дельными (см. рис. 14.1, а).

Фундаменты па прочных грунтах с небольшой шириной подош­вы (а<30°) могут быть бетонными без арматуры (см. рис. 14.2, в]. Если требуется уширение подошвы фундамента (а>30°), то его армируют понизу сеткой (см. рис. 14.2, г), а при особо широких фундаментах устраивают и косые стержни для восприятия главных растягивающих напряжений (см. рис. 14.2, д).

Рамные мосты больших пролетов (60—150 м) возводят навес­ной сборкой или навесным бетонированием подобно балочным не­разрезным или консольным мостам. В результате получаются Т-об­разные рамы с жесткой заделкой опоры в основании. Концы консолей либо омоноличивают между собой (рис. 14.3, а), либо соединяют шарнирно в серединах пролетов (см. рис. 10.2, б), соз­давая рамно-неразрезную или рамно-консольную систему. Если на концы консолей Т-образных рам положить балочные подвесные пролетные строения, то получим статически определимую рамно-балочную систему (см. рис. 10.2, а).

В поперечном сечении небольшие рамно-консольные и рамно-балочные мосты могут быть собраны из отдельных двутавровых блоков (рис. 14.3, в), соединенных в поперечном направлении диа­фрагмами, и со сборной плитой проезжей части, уложенной по бал­кам. Иногда устраивают лишь две главные балки (рис. 14.3, д) с мощными диафрагмами и сборной плитой.

Мосты больших пролетов собирают из блоков коробчатого се­чения. Между ними укладывают сборные плиты проезжей части (рис. 14.3, г) или плита образуется верхней полкой и консолями самих блоков (рис. 14.3, е). Коробчатые консоли рам можно соеди­нять поперечными диафрагмами.

Напрягаемую арматуру в консолях Т-образных рам располага­ют по верхнему поясу в каналах или пазухах коробчатых или дву­тавровых блоков аналогично арматуре неразрезных пролетных строений (см. рис. 11.19, ж, и). Устанавливают и натягивают арма­туру в процессе уравновешенного монтажа блоков. Для того что­бы монтажная масса блоков была примерно одинаковой, приопорные блоки с большой высотой делают меньшей длины. В неболь­ших рамно-подвесных пролетных строениях можно выполнить весь консольный блок в виде одного монтажного элемента.

Для удобства монтажа у сборных блоков иногда делают усту­пы, а во время сборки каждый блок предварительно прижимают монтажными тяжами, которые снимают после натяжения армату­ры, анкеруемой в данном блоке.

Если в середине .пролета Т-образных рам расположен шарнир или подвесное пролетное строение, то вся арматура консолей про­ходит по верхнему поясу, так как они работают только на отрица­тельные моменты. При монолитном соединении в середине пролета и превращении системы в неразрезную необходима постановка не­большого числа пучков арматуры в нижней зоне, примерно в сред­ней трети или четверти пролета.

Анкерные закрепления напрягаемой арматуры, проходящей в пазухах, устраивают в специальных приливах под верхней плитой блока. Пучок арматуры проходит открыто в пазухе, затем загиба­ется и идет в трубке через тело блока. Пучок натягивают и анкеруют во внутренней полости блока. Такая конструкция усложняет опалубку блоков и вызывает определенные неудобства при натя­жении арматуры. Поэтому в последнее время стали широко приме­нять расположение напрягаемой арматуры в закрытых каналах. Такую арматуру размещают аналогично арматуре неразрезных пролетных строений (см. рис. 19.11, е, з) в верхней плите, заводя ее в ребра сборных блоков для уменьшения поперечных сил в кон­струкции. Анкеры арматуры располагают либо в ребрах, либо в приливах у ребер под верхней плитой.

Опоры рамно-неразрезных, рамно-консольных или рамно-балочных систем возводят, как правило, массивными, так как они вос­принимают изгибающие моменты и горизонтальный распор от про­летных строений. В опорах из монолитного бетона устанавливают вдоль граней опоры вертикальные стержни рабочей арматуры диа­метром 24—30 мм, заходящие в ригель и фундамент опоры и вос­принимающие изгибающие моменты. Иногда опоры делают сбор­но-монолитными из бетонных или железобетонных блоков. В таких опорах сжимающие напряжения от собственного веса должны быть больше, чем напряжения от изгиба. Если достигнуть этого не уда­ется, устанавливают вертикальную предварительно напряженную арматуру.

Рамные мосты, возводимые навесным бетонированием, позво­ляют перекрывать пролеты до 200—240 м. Применение сборных блоков здесь затруднительно из-за их большого собственного веса и размеров.

Арочные мосты

В железобетонных мостах арочной системы основными несущи­ми элементами служат своды или арки.

Свод представляет собой криволинейную плиту, ширина кото­рой значительно больше ее толщины. Арка — это кривой брус, по­перечный размер которой обычно меньше его высоты. Так как арки (своды) в основном работают на сжатие, в них наиболее эффектив­но может быть использован бетон высоких марок.

Пролетные строения арочных мостов всегда легче и экономич­нее балочных. Однако передача распора опорам требует зиачительного увеличения их размеров, в особенности крайних опор (усто­ев). Поэтому арочные мосты обычно целесообразны при хороших грунтах и сравнительно небольшой высоте опор. Железобетонными арками или сводами перекрывают пролеты от 60—80 м и более; современные арочные мосты имеют пролеты до 300 м.

Основные системы арочных мостов. По статической схеме ароч­ные железобетонные мосты можно разделить на распорные н без­распорные. В распорных арочных системах арки своды опираются пятами на опоры и передают им вертикальные давления и распор, в безраспорных — распор воспринимает затяжка, благодаря чему пролетное строение передает опорам лишь верти­кальные давления.

Арочные мосты могут иметь езду поверху (рис. 14.4, а) или же пониженную езду (рис. 14.4, б). В отдельных случаях просзжугс часть устраивают в уровне пят арок. Выбор уровня расположение проезжей части определяется условиями проектирования продоль­ного профиля мостового перехода. При езде поверху проезжая часть опирается на свод или арки с помощью подпорочных стоек, а при езде понизу ее подвешивают к аркам подвесками.

Арки (своды) мостов могут быть бесшарнирными, двухшарнирными и трехшарнирными. Бесшарнирные арки (своды) наиболее просты по конструкции. Однако при просадках и смещения) опор, изменениях температуры, усадке и ползучести бетона в ни: возникают дополнительные усилия и напряжения. Поэтому бесшарнирные арочные мосты нельзя применять при слабых грунтах, ; также в районах с резкими колебаниями температуры. Двух шарнирные арки в меньшей степени подвержены дополнительными напряжениям, но конструкция их несколько усложняется наличием шарниров. Трехшарнирные арки не испытывают дополнитель­ных усилий ни от деформаций опор, ни от изменений температуры,, ни от усадки и ползучести бетона. Поэтому их применяют, когда, возможны просадки или смещения опор, а также большие колеба­ния температуры. Трехшарнирная система удобна также в мостах,, монтируемых из готовых полуарок.

Очертание оси железобетонных арок принимают возможно близ­ким к кривой давления от расчетной нагрузки. Стрелу подъема пролета в зависимости от арок назначают от местных условии.

В безраспорных мостах затяжка может быть в виде элемента,, способного воспринимать только растягивающее усилие; арки же работают на сжатие и изгиб. Такую систему называют жесткой аркой с гибкой затяжкой (рис. 14.4, в). В другой разно­видности затяжку делают в виде жесткой балки, способной рабо­тать и на изгиб. В этом случае арка должна быть гибким элемен­том (криволинейным пли полигональным), работающим на осевое сжатие; такую систему называют гибкой аркой с жесткой затяжкой (рис. 14.4, г). Интересна, система с жесткой аркой,, гибкой затяжкой и наклонными подвесками (рис. 14.4, д), которые уменьшают изгибающие моменты в арке и позволяют сделать ее более легкой. Безраспорные арочные мосты называют также ком­бинированными системами.

Арочные мосты со сводами. В арочных мостах с ездой поверху часто применяют один или несколько параллельных сводов, под­держивающих надсводную конструкцию. Если пролетное строение имеет один свод, то ширину его делают равной или несколько мень­шей полной ширины моста (рис. 14.5, а). Применяя два (рис.. 14.5, б) 'или несколько параллельных сводов, можно получить бо­лее экономичное решение. При пролетах 60—80 м своды делают сплошного сечения, армируя их продольными стержнями, изогну­тыми соответственно очертанию свода. Перпендикулярно к основ­ным стержням ставят распределительную арматуру. Верхнюю ж нижнюю арматурные сетки свода связывают хомутами (см. рис.. 14.5, а). Толщину сплошных сводов принимают При; больших пролетах рационально устройство пустотных коробчатых, сводов (см. рис. 14.5, б). Благодаря сосредоточению материала по краям сечения (в верхней и нижней плитах) коробчатый свод ра­ботает рациональнее сплошного. Высоту коробчатых сво­дов принимаю. Надсводное строение состоит из попе­речных стенок (см. рис. 14.5, а) или отдельных надсводных стоек: (см. рис. 14.5, б), поддерживающих проезжую часть. При устрой­стве надсводных стенок плиту проезжей части можно непосредст­венно опереть на них. При надсводных стойках они поддерживают плиту с помощью продольных и поперечных балок.

Вблизи замка плита проезжей части примыкает к своду или: сливается с ним; дорожное покрытие проезжей части на замковом, участке поддерживается непосредственно сводом.

Разновидность арочных мостов со сводами своеобразной облег­ченной конструкции представляют собой мосты из арочных дисков (рис. 14.5, в). В арочных дисках плиту проезжей части объединя­ют для совместной работы с нижней криволинейной плитой и про­дольными стенками как единое коробчатое сечение. При неболь­ших пролетах сводов нижней плиты может не быть, тогда арочный .диск имеет простое ребристое сечение. Чаще всего арочный диск имеет коробчатое сечение в средней части пролета, а ближе к опо­рам проезжая часть отделяется и выключается из совместной ра­боты, диск же имеет ребристое сечение с нижней криволинейной плитой (см. рис. 14.5, в). Мосты из арочных дисков делают трехшарннрными во избежание больших дополнительных напряжений от изменений температуры, деформаций опор, усадки и ползучести бетона.

Мосты с отдельными арками. В таких мостах основными несу­щими элементами служат арки, сечение которых делают прямоугольным, а при больших пролетах двутавровым или коробчатым.. В мостах с ездой поверху число арок в поперечном сечении зависит от ширины моста. Обычно расстояние между арками составляет от 2—3 до 5—6 м. При езде понизу и пониженной езде пролетное строение имеет две арки, расстояние между которыми определяется шириной габарита проезда по мосту. Арки связывают между собой распорками, чтобы обеспечить жесткость и устойчивость пролетно­го строения в поперечном направлении (рис. 14.6, а, в). Армируют арки продольными стержнями, идущими вдоль их верхней и ниж­ней поверхностей. Продольную арматуру охватывают хомутами.

Надарочная конструкция аналогична мостам со сводами.

Конструкцию проезжей части в мостах с отдельными арками рекомендуется отделять от арок швами, чтобы предотвратить по­явление дополнительных напряжений в ней и надарочных стойках от совместной работы с арками. Значительные дополнительные напряжения могут возникнуть в коротких стойках, ближайших к замку. На концах этих стоек часто устраивают шарниры, превра­щая их в так называемые качающиеся стойки (см. рис. 14.6, а), не воспринимающие изгибающих моментов благодаря шар­нирам.

При пересечении глубоких лощин или рек с быстрым течением, когда нельзя устроить подмости для бетонирования арок, иногда применяют жесткую арматуру в виде металлических ароч­ных ферм. Эти фермы собирают навесу, подвешивают к ним опалуб­ку и бетонируют. После отвердения бетона металлические фермы служат арматурой арки.

В двух- и трехшарнирных арках шарниры обычно делают сталь­ными.

В арках небольших пролетов (до 30—50 м) могут быть приме­нены простейшие шарниры из стальных листов или свинцовых про­кладок (см. рис. 14.6, б), обеспечивающих взаимный поворот со­прягаемых частей. Ширину листов или прокладок принимают около 'Л—'/з высоты сечения арки. Через шарнир пропускают продоль­ные стержни, служащие для восприятия поперечных сил.

Наиболее совершенны шарниры из стального литья из двух подушек-балансиров, шарнирно сопрягающихся между собой (рис. 14.6, г) (см. п. 18.6). В местах передачи давлений от шарни­ров бетон усиливают сетками.

Пролетные строения арочных мостов сооружают полностью сборными или устраивают сборное надарочное строение с мо­нолитными арками. В полностью сборных арочных мостах арки монтируют из готовых блоков. Удобно монтировать арки из двух полуарок (рис. 14.7, а), которые готовыми доставляют в пролет. Условия доставки и подъемные механизмы ограничивает масса блоков полуарок и пролет (до 40—60 м). Однако доставка полуарок наплаву позволяет применить такую конструкцию при пролетах до 150 м. Если установка готовых полуарок невозможна, то арки мон­тируют из более мелких блоков (рис. 14.7, б), которые устанавливают на временных подмостях или кружальных фермах и после омоноличивания всех швов вклю­чают в работу рас кружаливанием. Возможна также сборка по­луарок из отдельных блоков на берегу с последующей доставкой их наплаву в пролет.

Монолитные арки бето­нируют на месте на подмостях. Надарочное строение возводят сборным из стоек, поперечных стенок или рам, поддерживаю­щих элементы проезжей части.

По надарочным стойкам укладывают ригели, на которые опи­рают плитные или ребристые (рис. 14.7, в) элементы проезжей части. Стойки и ригели надарочной части могут быть объединены в рамные блоки (см. рис. 14.7, а). При надарочном строении с по­перечными стенками на них устанавливают ригель, поддерживаю­щий опирающиеся на него блоки проезжей части (см. рис. 14.7, б). Применяют также надарочное строение, в котором по стойкам ук­ладывают продольные балки (прогоны), а по ним блоки проезжей части (рис. 14.7, г). В конструкциях сборного надарочного строе­ния всегда желательно использовать типовые элементы простых балочных пролетных строений.

Арки с затяжкой. Арочные пролетные строения с затяжкой при­меняют в мостах с ездой понизу в тех случаях, когда требуется пе­рекрыть большие пролеты, не передавая распора на опоры. В та­ких мостах распор арок воспринимают затяжки, а пролетные строения в целом работают как балочные.

В арочных пролетных строениях с гибкой затяжкой ее делают железобетонной или металлической. Раньше железобетон­ные затяжки армировали круглыми стальными стержнями, надеж­но закрепленными на концах гайками, передающими усилия торцам пролетного строения через стальные подушки. В современных кон­струкциях применяют более совершенное армирование затяжек высокопрочными предварительно напряженными стальными про­волочными пучками или кручеными канатами. Металлические за­тяжки устраивают из профильного металла, двутаврового, двушвеллерного пли коробчатого сечения, а подвески — из железобе­тона или чаще из круглой стали. Концы стальных подвесок закрепляют в арках и поперечных балках проезжей части с помо­щью гаек и стальных прокладок.

В арочных пролетных строениях с жесткой затяжкой (рис. 14.8) аркам придают возможно меньшую высоту сечения, что­бы их жесткость в вертикальной плоскости была минимальной и на арки не передавалось существенных изгибающих моментов от об­щей деформации пролетного строения. Затяжку изготавливают в виде высокой балки (балки жесткости), рассчитанной на действие продольного усилия (распора) совместно с изгибающими момента­ми. Сечение балки жесткости при малых пролетах делают прямо­угольным, а при больших пролетах двутавровым (рис. 14.8, б) или коробчатым. Так как в балках жесткости возникают изгибающие моменты двух знаков, то арматуру располагают как поверху, так и понизу.

Для восприятия главных растягивающих напряжений ставят также хомуты и косые стержни (рис. 14.8, а).

Опоры арочных мостов. Опоры воспринимают не только вертикальные силы, но и горизонтальный распор арок. Поэтому их воз­водят массивными, чтобы предотвратить сдвиг или опрокидывание. Если арки, примыкающие к промежуточной опоре, имеют одинако­вые пролеты, то п опора будет симметричной конструкции (рис. 14.9, а). Когда нет необходимости увеличивать вес опоры, ее верх­нюю часть можно выполнить облегченной из топких стоек (рис. 14.9, б). Опора, к которой примыкают ар-ки неодинаковых пролетов, подвергается действию неуравновешенного горизонтального распо­ра со стороны большей арки. Форма такой опоры может быть несимметричной, нейтрализующей распор (рис. 14.9, в).

Устои арочных мостов воспринимают значительные горизонталь­ные усилия от арок, поэтому их развивают в длину. Устои могут одновременно удерживать грунт насыпи подхода (рис. 14.9, г) или поддерживать стопки надарочного строения (рис. 14.9, д).

При залегании прочных грунтов на большой глубине арочные мосты требуют сильного развития (увеличения кладки) опор и мост в целом становится экономически невыгодным.