18.7. Опоры металлических мостов

Опоры металлических мостов возводят из бетона или железо­бетона монолитной, сборной или сборно-монолитной конструкции. В горных мостах (виадуках) через глубокие лощины и суходолы, а также в путепроводах иногда бывает целесообразным устройство металлических опор.

Массивные опоры состоят из головной части, тела опоры и фундамента.

Головная часть (рис. 18.19, в) служит для установки на ней опорных частей пролетных строений, и поэтому она воспринимает большие сосредоточенные опорные усилия. Чтобы распределить эти усилия на кладку опоры, головную часть ее делают в виде железобетонной подферменной плиты толщиной не менее ,40 см. Поверхности ее имеют уклон — слив — не положе 1 : 10 для стока влаги. Края плиты выступают над нижележащей кладкой в виде карнизов.

Нижней поверхности карнизов придают уклон не менее 1:10 в сторону от опоры или делают канавку — слезник, чтобы стека­ющая с карнизов влага не попадала на боковые поверхности тела опор (рис. 18.19, б).

На подферменной плите устраивают армированные площадки для установки на них опорных частей. Требуемые по нормам раз­меры элементов головных частей массивных опор приведены на рис. 18.19, а, в.

Простейшая форма массивной промежуточной опоры (быка) — это призма прямоугольного в плане сечения.

Книзу опора несколько расширяется с уклоном боковых по­верхностей порядка ¹/₂₀—¹/₃₀ к вертикали (рис. 18.20, а). При сбор­ных опорах для стандартности применяемых блоков удобнее уст­ройство вертикальных граней.

Прямые углы кладки закругляют, а на многоводных реках при­дают опорам обтекаемое очертание до уровня высоких вод. На реках с сильным ледоходом опоры снабжают ледорезным высту­пом (рис. 18.20, в). При ледоходе средней интенсивности достаточно придать передней части опоры заострение и наклон порядка ¹/₁₀— ¹/₈ (рис. 18.20, б). Для экономии кладки высокие быки широких мостов часто устраивают в надводной части в виде столбов отдельных, связанных поверху или поддерживающих ригель, служа­щий для опирания на него пролетных строений (рис. 18.20, г).

Металлические опоры путепроводов (рис. 18.20, е) представля­ют собой стойки двутаврового, коробчатого или трубчатого сече­ния (рис, 18.20, д). Стойки опирают на фундаменты жестко или шарнирно. Часто применяют качающиеся стойки с шарнирами как снизу, так и сверху.

Тема 7.5. Арочные, рамные, висячие и вантовые системы металлических мостов.

Мосты арочных, рамных и комбинированных систем

По статической схеме металлические арки мостов могут быть: бесшарнирные, двухшарнирные и трехшарнирные. Чаще всего применяют двухшарнирные арки (рис. 19.1, а). Они имеют достаточную жесткость и мало реагируют на изменения температуры. Трехшарнирные арки (рис. 19.1, б) применяют в слу­чаях, когда возможны просадки опор. Бесшарнирные арки, испыты­вающие большие дополнительные напряжения от изменений тем­пературь!, применяют очень редко.

При достаточной строительной высоте арочные мосты возводят с ездой поверху (см. рис. 19.1, а, б). Если по местным условиям это невозможно, то арки поднимают выше уровня проезжей части, устраивая мост с пониженной ездой (рис. 19.1, в) или даже с ез­дой понизу.

Арочные мосты с ездой понизу часто делают с затяжкой (рис. 19.1, г), воспринимающей распор арки.

Арки металлических мостов могут быть сплошного сечения или сквозными в виде решетчатых ферм. Арки сплошного сечения (см. рис. 19.1, а, б, г), простые по конструкции и удобные для сбор­ки, чаще всего применяют в автодорожных и городских мостах при пролетах до 150—200 м, а решетчатые арочные фермы (см. рис. 19.1, в) — при пролетах, превышающих 120—150 м. Стрела подъема арок составляет от ¹/₂ до ¹/₆—¹/₈ пролета. В мостах с ездой поверху обычно применяют подъем порядка ¹/₇—¹/₈, а при пониженной езде ¹/₅—¹/₆ пролета. Арки сплошного сечения в боль­шинстве случаев делают постоянной высоты по всей длине проле­та или же с уменьшением высоты сечения к пятовым шарнирам (серповидного очертания). Высоту 1г арок в замке назначают ¹/₅₀—¹/₆₀ пролета.

Очертание оси арок может быть параболическим или круговым. Круговое очертание дает возможность устройства арок из стан­дартных элементов одинаковой длины с однотипными радиальны­ми стыками (рис. 19.2, е). Сквозным арочным фермам тоже жела­тельно давать круговое очертание постоянной высоты, чтобы иметь возможно большее число одинаковых по длине элементов и одно­типных узловых соединений.

Арочные мосты делают клепаными или сварными. Конструк­тивные особенности арок сплошного сечения дают возможность эф­фективно применять в них сварку.

Сечение арок при пролетах до 40—50 м может быть двутавро­вым (рис. 19.2, а), а при пролетах более 50—60 м — коробчатым (19.2, б, в). Встречаются также мосты с арками кругового сечения. Доступ в арки замкнутого сечения обеспечивается через специаль­ные отверстия — лазы.

Для пространственной неизменяемости и горизонтальной жест­кости пролетных строений в них устраивают продольные связи (рис. 19.1, д) вдоль арок (нижние связи) и в уровне проезжей час­ти (верхние связи). Железобетонная плита проезжей части может заменять верхние связи. В металлических пролетных строениях с пониженной ездой продольные связи между арками прерывают в пределах конструкции проезжей части и заменяют жесткими ветровыми рамами.

В конструкции надарочного строения основными могут быть поперечные или продольные балки, непосредственно опирающиеся на надарочные стойки. Крайние продольные балки обычно вводят в состав верхних продольных связей в качестве так называемых ветровых поясов. Надарочные стойки сопрягают с арками и балками проезжей части жестко или шарнирно. Жесткое сопря­жение (рис. 19.2, г) проще по конструкции. Однако деформации пролетного строения вызывают изгиб стоек и дополнительные на­пряжения в них.' Устройство шарниров на концах надарочных сто­ек (см. рис. 19.2, д) устраняет эти напряжения.

Пятовые участки арок усиливают для лучшей передачи давле­ний шарнирами.

При сборке арок бывает необходимо регулировать положение опорных шарниров как вдоль оси арки, так и в поперечном направ­лении при помощи специальных клиньев (рис. 19.2, ж).

В современных автодорожных мостах для перекрытия проле­тов 80—150 м находят применение комбинированные системы ме­таллических пролетных строений, представляющие собой сочета­ние балки, усиленный полигональным поясом, аркой или дополни­тельными стержнями.

Одна из наиболее распространенных комбинированных систем— это жесткая балка, усиленная полигональным верхним поясом (рис. 19.3, а). Эта система, называемая гибкой аркой сжесткой затяжкой, не дает экономии по срав­нению с решетчатыми фермами, но она имеет архитектурные преимуще­ства, так как над проез­жей частью выступают только довольно тонкие верхние пояса и подвески. Допол­нительный пояс может быть установлен и под разрезной или неразрез­ной (рис. 19.3, б) балкой. Представляет интерес система, состоящая из консольной или неразрез­ной балки, имеющей про­межуточные опоры в виде металлических стоек и металлических стоек и подкосов. Эта система получила название балочно-рамной (рис. 19.3, в).

Особенность таких комбинированных систем в том, что их бал­кам могут быть искусственно приданы начальные усилия (изги­бающие моменты), обратные тем, которые в дальнейшем возни­кают под действием расчетных нагрузок. Это дает возможность доводить высоту балок, пролета и обеспечивает неко­торую экономию металла.

Встречаются также металлические пролетные строения рамных систем с вертикальными или наклонными (рис. 19.3, г) опорами — ногами. Их применяют главным образом для путепроводов.

Сложные в изготовлении и при монтаже металлические ригельные мосты редко применяются в отечественном мостостроении.

Висячие мосты

В висячих металлических мостах главными несущими элемен­тами служат кабели или ванты, работающие на растяжение.

Кабели изготавливают из крученых проволочных канатов, а при особо больших пролетах — из мощного пучка параллельных про­волок. Кабель, имеющий в пролете (по фасаду моста) криволиней­ное очертание, проходит над вершинами пилонов и в виде оттяжек закрепляется концами в устоях. К. кабелю с помощью подвесов подвешивают балки жесткости с конструкцией проезжей части моста. В вантовых мостах балки жесткости поддерживаются пря­молинейными наклонными оттяжками, закрепленными.на пилонах. Эти наклонные элементы из стальных крученых проволочных канатов или параллельных высокопрочных проволок называют ван­тами. Бывают также мосты с Байтовыми фермами, образо­ванными из прямолинейных отрезков стальных канатов, соединен­ных между собой в узлах. Схема и геометрические размеры вантовой фермы должны быть выбраны так, чтобы при любых воздей­ствиях расчетных нагрузок все ее элементы работали только на растяжение.

Крученые канаты для кабелей и вантов висячих мостов делают из стальной холоднотянутой оцинкованной проволоки с пределом прочности 1500—1800 МПа. Благодаря высокой прочности сталь­ных проволочных канатов вес висячих мостов получается наимень­шим, что дает возможность перекрывать ими очень большие про­леты. Наибольший по пролету висячий мост с кабелем, построен­ный в 1964 г. в Нью-Йорке, перекрывает пролет в 1300 м. Пролеты мостов с вантами достигают 300 м и более.

Висячие мосты с кабелем.. Наивыгоднейшая величина стрелы обычно составляет около¹/₈—¹/₉ пролета.

При различных положениях временной нагрузки кабель меняет свое геометрическое очертание. Например, при загружении вре­менной нагрузкой левой половины пролета (рис. 19.4, а) кабель сильно провисает в этом полупролете за счет правого. В резуль­тате пролетное строение значительно прогибается в загруженной .половине пролета вниз и в незагруженной вверх, образуя двухволновую (S-образную) форму линии прогиба моста. Чтобы умень­шить большие прогибы, вызываемые деформациями кабеля, уст­раивают балки (или фермы) жесткости (см. рис. 19.4, а). Чем больше высота балки жесткости, тем меньше прогибы висячего моста под временной нагрузкой.

Известны и другие способы увеличения жесткости висячих мостов, например прикрепление кабеля в середине пролета к балке жесткости или же устройство . наклонных подвесок, превращающих систему в своеобразную фер­му (рис. 19.4, в).

Висячие мосты в зависимости от способа закрепления концов ' кабеля разделяют на распорные и безраспорные. В распорных мостах усилия оттяжек (см. рис. 19.4, а) и концов кабеля (см. рис. 19.4, б) передаются на грунт или на массивные устои. В безраспорных мостах, называемых также висячими мостами с воспринятым распором, горизонтальные слагающие Н усилия в оттяжка и концевых частях кабеля (рис. 19.4, б) передаются балке жест­кости и только вертикальные слагающие требуют закрепления в устоях. Из-за передачи распора на балки жесткости возрастает затрата на них металла, но зато устои имеют меньший объем, чем в распорных мостах. Поэтому безраспорные висячие мосты приме­няют для сравнительно небольших пролетов не более 200—300-м в случае, когда из-за плохих грунтов желательно освободить устои от передачи им распора.

В висячих мостах на кабель передают всю постоянную нагруз­ку пролетного строения, включая вес балок жесткости с конструк­цией проезжей части. Для этого применяют специальные способы монтажа и конструктивные меры.

Используемые для кабелей стальные проволочные канаты обыч­но имеют крестовую свивку, при которой проволоки в прядях и сами пряди навиты в противоположные стороны (рис. 19.5, а). Толщина проволок в канатах составляет 3—5 мм. Против ржав­ления проволоки покрывают оцинковкой и, кроме того, заполняют промежутки между проволоками, прядями и канатами (в кабеле) антикоррозионной смазкой. Применяют также плотные или за­крытые канаты, в которых наружные слои имеют проволоки фасонного сечения (рис. 19.5, б), предохраняющие внутренние про­волоки от проникания к ним влаги.

Кабели образуют из нескольких, рядов канатов, стянутых стальными хомутами (рис. 19.5, в), к которым прикрепляют под­вески из стальных тяжей или крученых проволочных канатов. В мостах особо больших пролетов кабель часто делают из большого числа параллельных проволок. Кабель изготавливают на месте, постепенно навешивая последовательные нити проволоки с по­мощью движущихся вдоль кабеля прядильных колес. Такой спо­соб называют прядением кабеля. Навешенные проволоки обжи­мают, обматывая мягкой проволокой и обычно покрывают еще за­щитной оболочкой.

Пилоны современных висячих мостов возводят металлическими или, реже, железобетонными. Пилоны представляют собой мощные стойки, шарнирно опертые или защемленные нижним концом на опорах. Пилоны, шарнирно опертые нижним концом, принято на­зывать качающимися. Кабель проходит над вершинами пилонов и опирается на них с помощью стальных литых подушек.

В поперечном направлении стойки пилонов связывают между собой распорками (рис. 19.5, г), а при большой высоте — систем поперечных элементов. Иногда стойкам пилона придают наклон в поперечном направлении (рис. 19.5, д). В некоторых случаях находят применение пилоны в виде отдельно стоящих стоек.

Концы кабелей или оттяжек закрепляют в массивных бетонных или железобетонных устоях; при прочном скальном грунте возмож­но непосредственное закрепление в нем концов кабелей. Стальные канаты, составляющие кабель, обычно разводят веерообразно и закрепляют каждый с помощью анкерных стаканов (рис. Л9.5, е).. Для этого конец каждого каната расплетают, заводя в полость анкерного стакана и заливают расплавленным цинковым, алю­миниевым или другим сплавом. В безраспорных висячих мостах кабель закрепляют на конце балки жесткости (рис. 19.5, ж) или обводят через торец балки и закрепляют в кладке устоя .

Балки жесткости висячих мостов могут быть в виде балок со сплошной стенкой, решетчатых ферм и коробчатой конструкции.

В зависимости от схемы висячего моста балки жесткости мо­гут быть разрезными (см. рис. 19.4, а) и неразрезными (см. рис. 19.4, б, в). Балки располагают в плоскостях кабелей (рис. 19.5,з), или принимают другое их расположение, исходя из конструктив­ных соображений. Подвески прикрепляют непосредственно к балкам жесткости, к поперечным балкам проезжей части и к их ко¹' солям. Между балками жесткости устанавливают ветровые связи. В новейших мостах балку жесткости устраивают в виде единой коробчатой конструкции с обтекаемым очертанием для уменьше­ния воздействия ветра (рис. 19.5, и).

Байтовые мосты. Эти мосты с балкой жесткости, поддержива­емой системой наклонных вантов, опирающихся на пилоны, как разновидность висячих мостов получили за последние годы широ­кое распространение.

В вантовых мостах балку жесткости изготавливают неразрез­ной, а ванты располагают симметрично по обе стороны пилонов. Крайние ванты в береговых пролетах закрепляют нижними кон­цами, над. опорами с тем, чтобы вертикальные-слагающие усилий этих вантов передавались непосредственно опорам. Горизонталь­ные слагающие усилий всех вантов передаются балке жесткости.

Ванты могут быть закреплены на пилонах различно. Если они веерообразно спускаются от вершины пилона к балке жесткости (рис. 19.6, а), то система будет радиальной. Если ванты оперты на пилоны в нескольких точках по их высоте и располагаются па­раллельно друг другу, то систему называют «арфа» (рис. 19.6, б). Мост с вантами может иметь только один пилон (рис. 19.6, в). В поперечном сечении моста обычно устраивают две плоскости ван-тов и пилонов (см. рис. 19.6, а). На дорогах с разделительной полосой могут быть .применены одностоечные пилоны, установлен­ные по продольной оси моста. В этом случае ванты располагают тоже в осевой плоскости (ем. рис. 19.6, б) или направляют их от вершин пилонов наклонно к краям моста (см. рис. 19.6, в).

Соотношение пролетов в трехпролетных вантовых мостах обычно составляет 1 : 2,5 : 1, а в двухпролетных — 1 : 1,5-4-1 : 2. Достоинство мостов с балкой жесткости и вантами— большая их жесткость по сравнению с кабельными мостами.

В вантовых мостах с балкой жесткости ванты делают из кру­ченых проволочных канатов тех же видов, которые применяют для кабелей. Каждый вант образуют из пучка канатов, закрепленных нижними концами с помощью анкерных стаканов к балкам жест­кости. На пилонах ванты обычно проходят непрерывно и переда­ют на них свои усилия с помощью опорных частей.

При опирании на пилон нескольких вантов на разной высоте (система «арфа») один из них, обычно верхний, закрепляют не­подвижно, обводя его по. седловидной подушке. Остальные ванты опирают с помощью продольно подвижных опорных, чаете или шарнирно .поворачивающегося балансира (рис. 19.6, г).