4.4.2. Арочные и комбинированные мосты

Характерной особенностью работы арочных систем является возникновение распора в опорных сечениях при действии вертикальных нагрузок. Сечения арок под действием нагрузок работают на внецентренное сжатие, что приводит к более экономичным решениям по сравнению с сечениями балок одинаковых пролетов.

В мостах находят применение различные типы арочных пролетных строений: бесшарнирные, двух- и трехшарнирные; с ездой поверху, понизу, посредине (рис. 4.30) [11].

Рис. 4.30. Схемы арочных пролетных строений: а, б, в – с ездой поверху; г – с ездой посередине; д – с ездой понизу; е – с опиранием балок проезжей части на свод и опору; ж – с дисковыми арками

В арочных пролетных строениях усилия от временной нагрузки воспринимаются балками проезжей части и через стойки или подвески передаются на арки. Арки объединяются между собой системой связей, обеспечивающих единую пространственную конструкцию и устойчивость арок при продольном изгибе из их плоскости.

Конструкцию проезжей части арочных пролетных строений выполняют в виде плиты, опертой на поперечные стенки-стойки или ребристой конструкции, опертой на арки (рис. 4.31).

Рис. 4.31. Поперечные сечения арочных пролетных строений: а, б – с плитой проезжей части, опертой на поперечные стенки-стойки; в, г – с ребристой плитой, опертой на арки через стойки

В практике мостостроения применяют различные типы поперечных сечений арок (рис. 4.32) [11].

Рис. 4.32. Поперечные сечения сводов и арок: а, б – сплошные и коробчатые своды; в, г, д – прямоугольная, двутавровая и коробчатая формы арок

Высоту сечения арок изменяют в пределах (1/251/60)l. Элементы арок работают преимущественно на сжатие и изгиб в вертикальной плоскости. При различных положениях временной нагрузки в сечениях арок могут возникать изгибающие моменты разных знаков, поэтому арки армируют в верхней и нижней зонах сечения.

Выделяют комбинированные системы, которые для железнодорожных мостов образованы из балки и арки, имеющих различные сочетания жестких и гибких элементов (рис. 4.33).

Рис. 4.33. Схемы арок с затяжками: а – с жесткими арками и гибкими затяжками; б – с гибкими арками и жесткими затяжками; в – с жесткими арками и жесткими затяжками

Наиболее распространенным типом комбинированных систем для железнодорожных мостов являются арки с затяжками, в которых распор воспринимается затяжками, расположенными в уровне проезжей части [11]. Поперечные сечения жестких арок и затяжек имеют, как правило, двутавровую форму. Считается, что арки или затяжки являются жесткими, если отношение моментов инерции не менее 80. Они являются наиболее экономичными.

К числу достоинств арочных мостов относят их долговечность, высокие эстетические и архитектурные качества, а к основным недостаткам – большую стоимость и конструктивную индивидуальность (рис. 4.34).

Рис. 4.34. Арочный мост через р. Амур у г. Хабаровска

4.5.Основные положения проектирования железобетонныхбалочно-разрезных пролетных строений

В условиях сурового климата на эксплуатационную надежность железобетонных пролетных строений оказывают воздействие такие климатические факторы, как низкие отрицательные температуры наружного воздуха, их перепады в течение короткого промежутка времени и многократная повторяемость, солнечная радиация, влажность, ветер.

Степень воздействия климатических условий на работу пролетных строений значительно зависит от свойств и качества строительных материалов, конструктивных особенностей, технологии изготовления и монтажа.

Согласно СНиП [12,17] зону сурового климата в зависимости от среднемесячной температуры наиболее холодного месяца подразделяют на два вида: с суровыми климатическими условиями приот минус 10 до минус 30^оС и особо суровыми климатическими условиями приниже минус 30^оС .

В настоящее время в качестве основного критерия климатических показателей зоны сурового климата при проектировании железобетонных пролетных строений принята средняя температура наружного воздуха наиболее холодной пятидневки минус 40 ^оС и ниже. Разработаны типовые проекты пролетных строений из обычного и предварительно напряженногожелезобетона северного исполнения (Ленгипротрансмост, серия 3.501.1-146,инв. № 557/11, № 556/11-15).

Конструкции пролетных строений северного исполнения изготовляют по специальным технологиям, что приводит к их более высокой стоимости.

Бетон для пролетных строений рекомендуют применять класса В25 и выше, а по морозостойкости – марки не менееF300. При этом для приготовления бетонной смеси предъявляют высокие требования к свойствам цемента, отдавая предпочтение сульфатостойким портландцементам или портландцементам с минеральными добавками. Кроме того, в состав бетонной смеси для пролетных строений вводят комплексные добавки: пластифицирующие в виде СДБ (сульфтно-дрожжевой бражки) и смолы или кремнийорганического полимера. Применение комплексных добавок обеспечивает получение бетона требуемой марочной морозостойкости, а также увеличивает его стойкость к перепадам отрицательных температур. В качестве крупного заполнителя рекомендуют применять щебень из горных пород, а мелкого – крупный и средний песок с модулем крупности не менее 2,2.

Арматурная сталь железобетонных пролетных строений должна отвечать требованиям хладостойкости, при которой в условиях низких отрицательных температур (ниже минус 60^оС) она обеспечивала бы стойкость против хрупкого разрушения. Количественным показателем стали принято считать ударную вязкость, поэтому рекомендуют для работы пролетных строений в условиях низких отрицательных температур применять стали с ударной вязкостью не менее 3–2,5 кгс м/см².

Для пролетных строений из обычного железобетона этим требованиям отвечает арматура из низколегированной стали класса А_с-IIмарки Ст10ГТ, диаметром 16–32 мм и класса А-IIIмарки Ст25Г2С, диаметром 6–40 мм. Рекомендуют применять вязаные арматурные каркасы, так как при наличии низких температур происходит разрушение сварных стыков арматурных сеток сварного типа.

Для железобетонных пролетных строений в качестве предварительно напряженной арматуры рекомендуют применять высокопрочную проволоку класса В-II диаметром 5 мм из стали марки Ст20ХГ2Ц [12]. Особые требования по хладостойкости предъявляют к стали для закладных деталей [12].

Для элементов и деталей тротуарных консолей, диафрагм, смотровых приспособлений применяют низколегированную сталь марок Ст10ХСНД, Ст15ХСНД, Ст10Г2С1Д; для болтов крепления – низколегированную сталь марок Ст09Г2 и Ст09Г2С.

Гидроизоляцию проезжей части пролетных строений применяют оклеечную на тиоколовой мастике (марки См-1,0), сохраняющей водонепроницаемый слой, который не имеет признаков разрушения при температуре от плюс 60 до минус 50 ^оС. В качестве армирующего слоя гидроизоляции применяют стеклосетчатую ткань марки Э3-200.

При проектировании пролетных строений соблюдают требования СНиП 2.05.03-84[12] в целях обеспечения долговечности и расчетной несущей способности в течение нормативного срока службы с учетом их работы в более сложных климатических условиях.

Бетон в раннем возрасте при низких температурах (минус 50 ^оС) с последующим оттаиванием имеет тенденцию к снижению прочности на сжатие, поэтому расчетные сопротивления бетона принимаются по 2.05.03-84 [12] с учетом понижающих коэффициентов условий работы.

Расчет. Железобетонные балочные пролетные строения рассчитывают по предельным состояниям первой и второй групп. По первой группе производят расчеты по прочности и выносливости, а по второй – по трещиностойкости (образованию, раскрытию трещин) и деформациям (прогибам).

При расчетах по прочности расчетные нагрузки принимают с коэффициентами надежности _f, а к временной вертикальной нагрузке от подвижного состава вводят динамический коэффициент (1+) [12]. В расчетах на выносливость принимают_f=1, а динамический коэффициент (1+2/3).

Расчеты по второй группе предельных состояний производят по нормативным нагрузкам.

Главные балки пролетных строений балочно-разрезной системы рассчитывают по линиям влияния изгибающих моментов и поперечных сил [11, 13, 16] (рис. 4.35).

Рис. 4.35. Линии влияния и схемы загружения главной балки пролетного строения

П

Рис. 4.36. Расчетная схема двухконсольной плиты пролетного строения: h – высота балласта; b – ширина главной балки; а₁, а₂, а₃, а₄ – размеры консолей плиты; g₁, g₂, g₃ – погонная нагрузка от веса плиты; g_ – временная нагрузка от подвижного состава

литу балластного корыта индустриальных пролетных строений рассматривают как двухконсольную балку, жестко защемленную в ребре [12] (рис. 4.36).

Расчет по прочности сечений, нормальных к продольной оси элемента, включает в себя подбор рабочей арматуры растянутой зоны , определение высоты сжатой зоны бетонахиз условия равенства нулю суммы проекций всех сил на горизонтальную ось и проверку прочности сечений при условии [11, 12, 13, 16]:

 если граница сжатой зоны проходит в плите

+ ; (4.2)

 если граница сжатой зоны проходит в ребре

, (4.3)

где М_0,5– изгибающий момент из расчета на прочность в сечении посередине балки;– расчетное сопротивление бетона при осевом сжатии;– расчетная ширина плиты балластного корыта;– толщина ребра балки;– высота сжатой зоны;– рабочая высота сечения балки;– расчетное сопротивление сжатой арматуры;– площадь поперечного сечения сжатой арматуры;– расстояние от центра тяжести сжатой арматуры до сжатой грани сечения;– приведенная толщина полки плиты.

Расчет по прочности сечений, наклонных к оси элемента, производят на действие поперечной силы , возникающей в конце наклонного сечения, а также на действие изгибающего моментапо наклонному сечению [11, 12, 13, 16]:

; (4.4)

, (4.5)

где ,– суммы проекций усилий отогнутой арматуры и хомутов, пересекающих наклонное сечение;– угол наклона отогнутых стержней арматуры к продольной оси балки;– поперечное усилие, передаваемое на бетон сжатой зоны над концом наклонного сечения;– расстояние от усилий в рабочей, отогнутой арматуре и хомутах, пересекающих наклонное сечение, до точки приложения равнодействующей усилий в сжатой зоне бетона.

Расчет на выносливость гарантирует конструкции целостность от усталостных напряжений. В этих целях расчет сводится к определению напряжений в бетоне и арматуре[11, 12, 13, 16]:

; (4.6)

, (4.7)

где – изгибающий момент из расчета по выносливости в сечении посередине балки;– момент инерции приведенного к бетону сечения относительно нейтральной оси [16];– высота сжатой зоны бетона из расчета на выносливость [16];– коэффициент приведения арматуры к бетону;– высота балки;– расстояние от центра тяжести первого ряда рабочей арматуры балки до растянутой грани сечения;– параметры, определяемые по [12, 16].

Принято, что железобетонные балки с ненапрягаемой арматурой должны удовлетворять категории требований по трещиностойкости 3в [12]. При этом трещиностойкость обеспечивается, если соблюдается условие [11, 12, 13, 16]:

,(4.8)

где – напряжения в наиболее растянутых стержнях продольной арматуры [12, 16];– модуль упругости арматурной стали;– коэффициент раскрытия трещин [12, 16].

Расчет по деформациям (прогибов) выполняют с использованием методов сопротивления упругих материалов, а также с учетом жесткости сечений [12, 13]. Жесткость сечений при действии временной нагрузки определяют с учетом образования трещин, а при действии постоянной нагрузки – с учетом образования трещин ползучести бетона [11]. Вертикальные прогибы при действии временной нагрузки не должны превышать для железнодорожных мостов [11]:

или, (4.9)

где – расчетная длина пролета, м.

Плавность движения подвижного состава обеспечивают путем создания строительного подъема пролетных строений, стрела которого после учета деформаций от постоянной нагрузки составляет 40% упругого прогиба от временной нагрузки [11].

Расчет балочных пролетных строений из напрягаемой арматуры имеет свои особенности, изложенные в [11, 12, 13, 18].