Тема6.2. Основы проектирования и расчета опор.

Определение усилий в опорах балочных мостов

Опоры мостов рассчитывают на общую устойчивость против оп­рокидывания и сдвига, на прочность тела опоры, его фундамента и основания.

На опору действуют вертикальные и горизонтальные усилия. Вертикальные усилия слагаются из собственного веса опоры и про­летных строений и временной подвижной нагрузки. Горизонталь­ные усилия возникают от действия сил торможения, центробежных сил на кривых в плане мостах, поперечных воздействий движущей­ся нагрузки, ветровой нагрузки, навала судов и давления льда. На устои действует также горизонтальное давление грунта насыпи.

Различные сочетания этих нагрузок вызывают в теле опоры и в основании продольные сжимающие силы и изгибающие моменты, т. е. опора работает как внецентренно сжатый элемент. Изгиб опоры может происходить в направлениях как вдоль, так и поперек пролета моста.

Для ориентировочного расчета опоры можно рассмотреть до­полнительное сочетание нагрузок, составленное из собственного веса, временных вертикальных нагрузок и горизонтальной тормоз­ной силы, действующей вдоль пролета (рис. 13.7). Обычно доста­точно проверить усилия в сечениях у обреза фундамента (I—I) и по подошве фундамента (II—II). Колонны автомобилей устанав­ливают на пролетном строении симметрично оси моста, а оба тро­туара загружают толпой. Тормозную силу Т считают приложенной в каждом пролете в уровне проезжей части, а на опору она переда­ется через опорные части пролетных строений. Через неподвижную опорную часть усилие Т передается целиком, а через подвижную частично уменьшенное, т. е. аТ, где а = 0,5 при тангенциальных опорных частях и а = 0,25 при Катковых или валковых опорных частях. При расположении на опоре подвижной и неподвижной опорных частей суммарное тормозное усилие принимают равным усилию Т.

Если опорные части резиновометаллические, то сила Т может распределяться между ними поровну.

Для расчета опоры обычно необходимо рассмотреть два воз­можных ее загружения: на максимум изгибающего момента и на максимум вертикального давления. В первом случае загружают временной нагрузкой только одни пролет и принимают тормозную силу в направлении, дающем тот. же знак изгибающего момента, что и эксцентрично действующее усилие от временной нагрузки. Во втором случае загружают оба пролета и также учитывают тор­мозную силу.

Аналогично определяют усилия в сечении II — II, только плеча силы Т в этом случае будет Н₂ и вес G₁ увеличится на вес фунда­мента (см. рис. 13.7). Имея расчетные усилия N и М в сечении опо­ры, можно приступить к проверке прочности, определить давление на грунт или рассчитать искусственное основание (свайный рост­верк, оболочки и т. п.).

Раздел 7. Металлические мосты.

Тема 7.1. Общие сведения. Основные системы металлических мостов.

Основные системы металлических мостов

В современном мостостроении пролетные строения металли­ческих мостов выполняют с использованием балочной, арочной, рамной, вантовой статических схем и их комбинаций.

Обычно пролетные строения металлических мостов выполня­ют с использованием балочной схемы, которая позволяет пере­крывать пролеты от 40 до 300... 550 м. Во всех видах балочных про­летных строений под воздействием вертикальных нагрузок на опо­рах возникают только вертикальные опорные реакции, что облег­чает устройство опор, особенно при их большой высоте. В бало­чных мостах главными несущими элементами могут быть сплош­ные балки или сквозные фермы. По статической схеме балочные мосты могут быть разрезными, неразрезными и балочно-консоль­ными.

Разрезные балочные пролетные строения. В составе моста пере­крывают по одному пролету, каждый из которых работает незави­симо от других (рис. 10.6, а). При прочих равных условиях это тре­бует больших расходов металла, чем в неразрезных пролетных стро­ениях, работающих совместно. Кроме того, промежуточные опо­ры разрезных пролетных строений требуют обычно большего рас­хода материалов, чем опоры неразрезных пролетных строений из-за необходимости установки двух опорных частей на каждой промежуточной опоре (см. рис. 10.6, а). В связи с этим разрезные про­летные строения обычно применяют для перекрытия относитель­но небольших пролетов, когда их недостатки не оказывают суще­ственного влияния на стоимость и металлоемкость моста.

Конструкция разрезных пролетных строений получается про­стой, легко поддается стандартизации. На работу этих пролетных строений возможные просадки опор не оказывают влияния.

Неразрезные балочные пролетные строения. Перекрывают од­ной непрерывной конструкцией обычно три или более совместно работающих пролетов (рис. 10.6, б). Благодаря совместной работе абсолютные значения изгибающих моментов в неразрезных балках при прочих одинаковых условиях на 35...45 % меньше, чем в разрезных балках, что позволяет уменьшить расход металла. Эко­номичность неразрезных пролетных строений нарастает с увели­чением пролетов, так как разгружающее действие соседних про­летов более всего проявляется от действия постоянной нагрузки, относительное влияние которой нарастает с увеличением проле­тов и доходит до 80... 90 %. Неразрезные балки весьма удобны при возведении моста методом продольной надвижки и позволяют осуществлять монтаж методом навесной сборки.

Жесткость неразрезных пролетных строений больше, чем раз­резных. Кроме того, они обеспечивают более комфортные усло­вия проезда, так как не имеют переломов проезжей части над промежуточными опорами и не требуют устройства над ними де­формационных швов.

Недостатками неразрезных балочных пролетных строений яв­ляются чувствительность к неравномерным осадкам опор и зна­чительные перемещения концов балок от изменения температу­ры, что требует применения более сложных опорных частей и де­формационных швов.

В современных условиях, когда освоена технология создания надежных опор для опор мостов в разнообразных условиях, не­разрезные балочные пролетные строения нашли широкое приме­нение, особенно при перекрытии больших пролетов (от 60 м и выше).

Балочно-консольная система. По своей работе близка к нераз­резной, так как шарниры ставят в зоне нулевых моментов нераз­резных балок (рис. 10.6, в). Эта система статически определима, в ней не возникают дополнительные усилия в случае просадки опор. Она занимает промежуточное положение по своим свойствам меж­ду разрезными и неразрезными балочными пролетными строени­ями. Но она имеет и ряд недостатков, присущих именно ей. Она более чувствительна к динамическим воздействиям временной нагрузки из-за переломов профиля и шарниров, расположенных в пролете. Устройство сопряжения консольных частей с подвес­ными пролетными строениями осложняет и удорожает конструк­цию моста, а в эксплуатации приносит значительные осложне­ния. Эти недостатки сильно ограничивают ее применение. При возрастающей конкурентоспособности неразрезных пролетных строений строительство металлических мостов балочно-консольной системы стало большой редкостью, в основном в виде ферм для перекрытия пролетов, близких к 500 м.

Арочные металлические мосты. В качестве основных несущих элементов пролетных строений имеют арки (рис. 10.6, г). Арки являются распорной системой. При действии на них вертикальных нагрузок на опоры передаются не только вертикальные, но и го­ризонтальные воздействия (распор), что уменьшает усилия в арке, уменьшает расход материала на нее, но увеличивает воздействие на опоры, что усложняет их конструкции. Применение арочных металлических пролетных строений становится рациональным при очень хороших грунтовых условиях и в случаях, когда арки хоро­шо вписываются в продольный профиль перехода, не вызывая большого увеличения работ по созданию подходов к мосту. Наи­лучшим образом этому соответствуют горные условия. Металли­ческие арочные мосты возводят также в городах по архитектур­ным соображениям.

Рамные пролетные строения. В металлических мостах приме­няют в основном в переходах через большие овраги или в путе­проводах (рис. 10.6, д). Для путепроводов особенно важна воз­можность создания конструкций с малой строительной высотой и высокой жесткостью из-за совместной работы ригеля и стоек. Как и арочная система, рамная является распорной и поэтому требует хороших грунтовых условий или массивных опор. Отно­сительно сложная конструкция узлов сопряжения ригелей со стойками рам снижают применимость рамных металлических мостов.

Байтовые мосты. Имеют в качестве главных несущих элемен­тов пролетных строений балки жесткости и ванты, подвешива­ющие ее к пилонам, являясь как бы упругими опорами (рис. 10.6, ё). Обычно вантовые пролетные строения перекрывают два или три пролета. Они хорошо соответствует строительству методом на­весного монтажа.

Вантовые пролетные строения обычно применяют для пере­крытия пролетов от 150...200 м. Рекордным пролетом для вантовых мостов является в настоящее время пролет 890 м, реализован­ный в трех пролетном вантовом мосте Татара общей длиной 1 480 м, построенном в Японии в 1999 г.

Висячие металлические пролетные строения. Используются для перекрытия самых больших пролетов — 2000...3000 м (рис. 10.6, ж). Основным несущим элементом в висячей системе служит ка­бель. Для увеличения жесткости висячей системы устраивают не­разрезную балку жесткости. В 1998 г. в Японии был введен в эксп­луатацию крупнейший висячий мост Акаси-Каике с тремя проле­тами общей длиной 3 910 м. Он соединяет острова Хонсю и Сико­ку, имеет средний пролет с рекордной длиной 1 990 м и пилоны высотой 298 м. Балка жесткости этого моста, рассчитанная на во­семь автомобильных полос, поддерживается двумя кабелями диа­метром 1,1 м.

Кроме основных систем в металлических мостах применяют также комбинированные системы. Обычно комбинированная си­стема создается из балочной усилением ее гибким арочным по­ясом, который позволяет значительно уменьшить изгибающие моменты в балке.

Важной особенностью всех комбинированных систем является возможность регулирования усилий в основном балочном элемен­те, что создает экономичную по расходу металла конструкцию.

Основные особенности металлических мостов

Металл — наиболее совершенный материал, применяемый для совре­менных строительных конструкций. В мостах металлическими из­готавливают пролетные строения, опоры же — бетонными или же­лезобетонными. Благодаря высокой прочности современных строи­тельных сталей металлическими пролетными строениями можно перекрывать значительно большие пролеты, чем железобетонными. Современные металлические мосты имеют пролеты, превышающие 1 км.

Применяемые в СССР системы и- конструкции металлических мостов отличаются рациональностью и экономичностью (рис. 17.1), а также простотой изготовления и монтажа. В настоящее время металлические мосты широко применяют во всех странах (рис/17.2). Их изготавливают на хорошо оборудованных заводах и монтируют специальными кранами, позволяющими собирать конструкцию бы­стрыми темпами. Системы и конструкции металлических мостов не­прерывно совершенствуются. Улучшаются методы изготовления и монтажа. Все шире применяют стали повышенного качества.

Мосты из металла могут быть различных систем. Наиболее ши­роко применяют балочные мосты со сплошными балками или ре­шетчатыми фермами. Нередко устраивают мосты рамных систем, а для перекрытия больших пролетов — арочных и висячих систем.

Экономические преимущества металлических мостов проявля­ются больше с увеличением пролетов. Однако индустриальность из­готовления и быстрые темпы монтажа часто оправдывают приме­нение металлических мостов и для сравнительно небольших проле­тов (порядка 40—60 м).