Тема 7.1. Общие сведения. Основные системы металлических мостов.

Металл один из наиболее совершенных материалов, применяемых для строительных конструкций. Металл как строительный материал для мостов применяется очень давно. В мостах металлическими делают пролетные строения, опоры же устраивают бетонными, ж/б или каменными. В редких случаях опоры могут быть металлическими (особо высокие мосты, виадуки, путепроводы и эстакады).

Рис.140. Металлический арочный мост через реку

 

Рис.141. Висячий металлический мост пролетом 1298 м

 

Достоинства металлических мостов:

· возможность максимальной индустриализации изготовления (поточное изготовление элементов на заводах);

· скоростной монтаж из готовых элементов, в том числе укрупненными блоками;

· снижение транспортных расходов;

· отсутствие работ по омоноличиванию на стройплощадках;

· значительная простота восстановления по сравнению с железобетонными мостами.

Эти преимущества в сочетании с высокой удельной прочностью металлов (высокой прочностью при малом весе металлических конструкций) определили область применения металлических мостов:

· большие и средние пролеты преимущественно под железную дорогу;

· на автодорогах и в городах – благодаря легкости конструктивных форм и архитектурным достоинствам.

Существенный недостаток металлических – это коррозия металла от атмосферных воздействий. Особенно неблагоприятны условия работы металла при наличии сернистых газов (например в путепроводах над неэлектрофицированными ж/д путями), или соляной пыли (на морском побережье).

 

7.1.2 Классификация металлических мостов по статической схеме, уровню проезда, конструкции, применению и назначении.

По статической схеме металлические мосты разделяются на:

1. балочные;

2. рамные;

3. арочные;

4. висячие;

5. вантовые;

6. комбинированных систем.

1. На автомобильных дорогах применяют преимущественно неразрезные, реже консольные балочные пролетные строения пролетами более 60-80м с двутавровыми или коробчатыми балками.

2. Стальные рамы применяют для автодорожных виадуков больших пролетов.

3. Арочные металлические мосты пролетами от 70 до 500м строят, как правило, двухшарнирными; бывают мосты со сплошными и со сквозными арками.

4. Висячие и вантовые мосты строят преимущественно в городах и достигают пролетов 350м (вантовые) и 1500м (висячие).

5. Мосты комбинированных систем (фермы с жестким нижним поясом, гибкие арки с балкой жесткости и т.п.) выполняют из металла в случае явного экономического перед ж/б пролетами превышающими 100-120м.

К особым системам относятся разводные мосты, строящиеся только металлическими в больших городах и в устьях крупных рек, куда заходят морские суда с большим подмостовым габаритом (до 40м), если по экономическим или архитектурным соображениям устройство неподвижного моста с высокими насыпями нецелесообразно.

По уровню езды металлические мосты бывают с ездой понизу, поверху и посередине.

По назначению они разделяются на ж/д, а/д, под совмещенную езду, городские, пешеходные и под трубопроводы.

По виду соединений металлические мосты бывают клепанными, сварными, а также со сварными элементами, соединяемыми в узлах на заклепках (клепано-сварные) и на высокопрочных фрикционных болтах (болто-сварные).

По конструкции металлические пролетные строения бывают со сквозными (решетчатыми) фермами и со сплошными фермами(балками).

8.5. Старение металла

Старением называют свойство материала изменять свою структуру и свойства со временем. Это связано с тем, что, несмотря на небольшую растворимость углерода в феррит, со временем атомы углерода диффундируют к границам зерен. Количество хрупкого карбида железа увеличивается. Вследствие этого возрастает прочность стали, но снижаются ее пластичность и сопротивление хрупкому разрушению динамической нагрузкой. Старение ускоряется под действием переменных напряжений, повышении температур.

Влияние температуры

С предел текучести и модуль упругости стремятся к нулю.°При росте температуры уменьшаются значения модуля упругости, предела текучести и прочности стали. При температуре 600

С пластичность заметно уменьшается.°Низкие температуры повышают хрупкость стали потому, что ухудшаются пластические свойства металла. При температурах ниже -10

8.8. Работа стали при повторных и переменных нагрузках. Наклеп. Усталость стали.

Загрузка и разгрузка металла в пределах упругости не вызывает изменений в работе металла. Графики деформаций является прямолинейным и совпадают. Когда сталь довести до пластических деформаций и разгрузить, то диаграмма разгрузки пойдет параллельно линии деформаций.

e - eДиаграмма повторной загрузки пойдет параллельно линии упругих деформаций и дальше за диаграммой одноразовой нагрузки. Если рассмотреть лишь диаграмму повторной загрузки, то можно отметить, что деформативность металла уменьшилась (₁ s),и условная граница текучести выросла до уровняe <₁,достигнутого при первой загрузке. Это явление называется наклепом металла. Используется для повышения прочностных показателей стальной арматуры железобетонных конструкций.

Наклеп наблюдается при всех видах холодного обработки, связанной с пластическим деформированием металла (резка, гибка, пробивка отверстий).

В металлах, которые не имеют достаточного запаса пластических деформаций, наклеп может приводить к хрупкому разрушению.

Усталостью металла называется его разрушение вследствие повторных нагрузок при напряжениях, ниже предела прочности.

Напряжение, при котором происходит разрушение, называется усталостной прочностью.

Способность металла противостоять такому разрушению называют выносливостью.

Для стали кривая усталостной прочности асимптотически приближается к некоторому предельному значению R_v- сопротивлению стали усталости.

 

Сопротивление стали усталости соответствует количество циклов 10 10´. Испытания производят на базе 2 циклов На усталостную прочность влияют: наличие концентраторов; температура; технологические факторы, связанные с особенностями изготовления конструкций; характер загрузки (сжатие или растяжение); значение коэффициента асимметрии цикла

< <

R_v– изменяется от 145 МПа до 27 МПа.

Разрушение металла от усталости происходит в такой последовательности:

Около дефектов кристаллической решетки, нарушений структуры, концентраторов появляются микротрещины.

Микротрещины являются очень острыми концентраторами. Концентрации напряжений возле них приводят к разрастанию микротрещин в макротрещины.

При дальнейших циклах загрузки рост трещин происходит до разрушения.

Концентраторы напряжений очень негативно влияют на усталостную прочность металла. Поэтому при конструировании металлических конструкций необходимо избегать концентраторов всеми возможными способами.

Работа мостов при динамических нагрузках в условиях непосредственных атмосферных воздействий создает предпосылки к хрупкому разрушению и развитию коррозии. Поэтому предъявляются повышенные требования к хладостойкости, ударной вязкости, выносливости и коррозионной стойкости сталей. В настоящее время ГОСТ 6713—75 для основных несущих конструкций мостов рекомендованы три главные марки стали: малоуглеродистая сталь 16Д (бывшая М16С) и низколегированные стали 15ХСНД и ЮХСНД разных категорий хладостойкости. Для автодорожных мостов применяются также более дешевые низколегированные стали 14Г2АФД и 15Г2АФДПС. Для неответственных элементов в конструкциях обычного (несеверного) исполнения допускается применение сталей ВСтЗсп4, ВСтЗсп5 по ГОСТ 380—71. В опорных частях мостов применяют литую сталь марок 25Л, ЗОЛ, 35Л, 20ГЛ, 20ФЛ. Особо ответственные детали опорных частей, такие как болты, шарниры, катки, изготавливают из кованой стали ВСт5сп2, ЗОГ, 35Г, 40ХН2МА и др.

4. 4 В зависимости от гидрогеологических условий перехода, от системы пролетных строений, величины пролетов и высоты моста решается вопрос об устройстве фундаментов мостовых опор и назначении их размеров. В современной практике проектирования и строительства мостов широко используются фундаменты на естественном основании, свайные (в виде призматических свай и оболочек) на опускных колодцах или (очень редко) на кессонах.

Фундаменты на железобетонных сваях или оболочках применяются в виде высоких или низких ростверков.

5. В низких ростверках обычно используются вертикальные сваи или оболочки, в высоких целесообразнее наклонное их расположение, повышающее горизонтальную жесткость ростверка и опор. Погружение свай и оболочек производится свайными молотами, кабестанами и вибропогружателями различной мощности. В последние годы возобновилось применение буро–набивных свай.

6. Усовершенствована технология погружения опускных колодцев, которые в ряде случаев стали опускать в тиксотропных «рубашках», что позволило облегчить конструкцию колодцев и ускорило темпы опускания.

7. Вследствие редкого применения в последние годы кессонов технология их опускания, конструкции и аппаратура не претерпели существенных изменений. Можно лишь отметить удачный опыт Мостостроя № 5 применения в широких опорах малогабаритных кессонов (рис. 1), позволивших полностью использовать несущую способность грунтов основания.

8.

9. Рис. 1 – Широкая опора на раздельных кессонах

10. Задачи проектирования оснований и фундаментов опор подробно рассмотрены в специальных курсах.

11. В надфундамёнтной конструкции промежуточной опоры выделяют подферменную плиту и тело опоры. Подферменная плита воспринимает большие сосредоточенные давления от опорных частей и распределяет их на кладку тела опоры. Подферменные плиты (рис. 2) обычно устраивают железобетонными и в случае опирания на массивное тело опоры назначают толщиной не менее 40 см с армированием горизонтальными арматурными сетками. Для стока воды с плиты ее поверхности придаются уклоны от середины к краям не менее 1:10, а в местах установки опорных частей предусматривают горизонтальные опорные площадки. Эти площадки также снабжаются косвенной арматурой в виде горизонтальных сеток, но с более частым расположением стержней арматуры.

12.

13. Рис. 2 – Оголовок промежуточной опоры

14. Размеры подферменных плит определяются в зависимости от размеров опорных площадок а и b и от нормируемых Техническими условиями расстояний между гранями опорных площадок и гранями опоры m. Размеры опоры поверху определяются размерами подферменных плит, с учетом свесов карниза, принимаемых равными 10–15 см.

15. Во избежание значительных размывов русла опорам в плане придается обтекаемая форма. Вполне удовлетворительные гидравлические характеристики имеет опора с закруглениями на концах (см. рис. 2). С целью экономии кладки выше расчетного горизонта воды (РГВ) опора может быть прямоугольной формы, а ниже – с закруглениями или заострениями на концах (рис. 3). Заострения обеспечивают хорошую обтекаемость опоры и не вызывают затруднения при ее возведении. Несколько худшие гидравлические характеристики у круглых опор и плохие у прямоугольных.

16.

17. Рис. 3 – Промежуточная опора обтекаемой формы в нижней части

18. Тело опоры ниже РГВ обычно проектируется массивным (без пустот), чтобы исключить опасность разрушения кладки замерзающей водой. Выше РГВ опоры могут быть также массивными, но часто, с целью сокращения объема кладки, их устраивают пустотелыми коробчатыми (рис. 4, а), с нишами (рис. 4, б) или в виде отдельных столбов (рис. 4, в). Последние могут объединяться общим ригелем в рамную конструкцию (рис. 4, г). В этом случае ригель одновременно служит и подферменной плитой.

19.

20. Рис. 4 – Приемы сокращения кладки в опорах: а – устройство пустотелой коробчатой надстройки; б – опоры с нишами; в – надстройка в виде столбов; г – П–образная рамная надстройка; д – Т–образная рамная надстройка

21. При хороших грунтах в основании ширина фундаментов и тела опор может быть назначена значительно меньшей, чем ширина пролетного строения. В этом случае опоры приобретают Т–образную форму (рис. 4, д) и ригель такой опоры, также являющийся подферменной плитой, армируется с учетом работы его консольных участков на изгиб.

22. На реках, имеющих ледоход, промежуточные опоры прежде снабжались ледорезами с уклоном режущего ребра от 1:1 до 2:1 или водорезами с уклоном носовой грани от 8:1 до 10:1. В настоящее время ледорезы устраивают в редких случаях – при очень тяжелом ледоходе и узких опорах. Опоры мостов через Неву, Волгу и Оку, построенные без ледорезов и благополучно эксплуатируемые до сих пор, подтверждают правильность такого решения.

23. Поверхности тела опор на северных реках для защиты от ударов льда и атмосферного воздействия должны облицовываться массивной облицовкой из морозостойкого камня твердых пород или бетонными блоками, изготовленными из морозострйкого бетона.

24. В остальных случаях допускается использование навесной облицовки из естественного камня, железобетонных плит (служащих одновременно опалубкой) и применение специального уплотненного и морозостойкого бетона в наружном слое монолитных бетонных опор (при толщине слоя не менее 0,5 м).

25. Опыт показывает, что массивная облицовка из естественного камня является наиболее надежным средством защиты опор.

26. Опоры старых мостов, построенных 80–100 лет назад, из бутовой кладки с облицовкой из штучного естественного камня в настоящее время находятся в большинстве случаев в хорошем состоянии.

27. Опыт эксплуатации бетонных опор, сооруженных без облицовки при отсутствии специальных требований к морозостойкости бетона, показал, что в них с течением времени образуются трещины и происходит разрушение поверхностных слоев бетона. Наиболее интенсивно процесс разрушения бетона происходит в зоне переменного горизонта воды. Известны случаи, когда в этой зоне бетонная кладка разрушалась на глубину 20–25 см через 12–16 лет после постройки моста.

28. Как известно, при бетонной кладке, в отличие от бутовой, можно почти полностью механизировать все трудоемкие операции и значительно ускорить строительство.

29. Однако процесс бетонирования опоры при массивной облицовке усложняется длительными перерывами, необходимыми для установки рядов облицовки, а теска облицовки до сих пор еще слабо механизирована и требует большой затраты ручного труда квалифицированных каменщиков. Поэтому вместо облицовки из штучного естественного камня стали применять облицовку из железобетонных блоков, изготовление и установка которых менее трудоемки. При этом создаются условия для перехода от монолитных конструкций опор к сборным, так как остальная часть тела опоры может быть собрана из бетонных блоков.

30. В настоящее время сборный бетон и железобетон в мостовых опорах составляют небольшую часть от общего объема кладки. Наибольшие трудности возникают при попытках внедрять сборные конструкции в опорах мостов с большими и средними пролетами. Проектные и мостостроительные организации длительное время ведут поиски надежных в эксплуатации, индустриальных и экономичных конструкций опор для большепролетных мостов. Однако полносборной конструкции, пригодной для широкого применения, пока еще не создано.

31. Получили распространение сборно–монолитные опоры из контурных блоков, предложенные Мостостроем № 2 для железнодорожных и автодорожных мостов через сибирские реки.

32. Наружные поверхности такой опоры (рис. 5, а) образуются из армированных блоков, имеющих в плане замкнутые контуры (Б–1, Б–2, Б–3), а ядро опоры может быть из монолитного бетона или из бетонных блоков (БЗ–1 и БЗ–2) с заполнением промежутков раствором. Бетон контурных блоков марки 400, бетон заполнения желательно не выше 150 для сокращения усадочных деформаций и уменьшения экзотермии.

33.

34. Рис. 5 – Опора из контурных железобетонных блоков с заполнением из бетонных блоков

35. Особенностью контурных блоков является специфичная форма (рис. 5, б), обеспечивающая несложное их изготовление в металлической опалубке и надежную связь с бетоном ядра.

36. Контурные блоки собираются на высоту до четырех–пяти рядов насухо на деревянных клиньях с таким расчетом, чтобы горизонтальные швы были толщиной около 1 см. Блоки каждого ряда примыкают друг к другу впритык. Затем швы снаружи конопатят паклей и производят бетонирование полостей на всю высоту. В случае применения блочного заполнения в блоках предусматриваются вертикальные отверстия, их устанавливают на деревянные подкладки и заполняют раствором швы через отверстия в блоках, а также промежутки между блоками после укладки каждого ряда блоков заполнения.

37. Применение блоков заполнения не только повышает сборность опоры, но и сокращает трещинообразование, так как исключается влияние экзотермических процессов бетонного заполнения на контурные блоки.

38. С использованием контурных блоков Ленгипротрансмост в 1963 г. разработал типовые конструкции сборно–монолитных и сборно–блочных опор железнодорожных мостов под металлические пролетные строения с ездой понизу пролетами 44, 55 и 66 м, при высоте опор от обреза фундамента до верха подферменной площадки от 6,5 до 16,2 м (рис. 6).

39.

40. Рис. 6 – Сборно–блочная опора по типовому проекту Ленгипротрансмоста: 1 – монтажный стык; 2 – монолитный бетон; 3 – блоки заполнения; 4 – цементный раствор заполнения; 5 – бутобетонная кладка; 6 – щебеночная подготовка

41. Вес блоков не превышает 6–7 т, что обеспечивает возможность установки их кранами грузоподъемностью 10–12 т. К. недостаткам сборно–монолитных и сборно–блочных опор относят большой объем самих опор и наличие «мокрых» процессов, затрудняющих их применение в зимнее время.

42. В тех случаях, когда при сооружении опор могут быть использованы краны большой грузоподъемности (при постройке путепроводов и эстакад), представляется целесообразным членение сборных опор на крупные блоки. При этом сокращается трудоемкость работ на монтаже, снижается стоимость и трудоемкость изготовления как самих блоков, так и в целом опор.

43. Наличие у строителей плавучих кранов грузоподъемностью до 100 т, а также 35–100 тонных кранов дерриков и шевров, монтируемых на земле и на воде, позволяет членить на крупные блоки и речные опоры мостов,

44. Такое членение было предусмотрено в сборных опорах автодорожного моста через р. Пара, сооруженного в 1963 г. (рис. 7). Опоры разделены на блоки весом от 14 до 29 т, установленные с перевязкой вертикальных швов. Блоки были уложены на растворе и объединены выпусками свариваемой арматуры в пазах блоков. После сварки арматуры и установки дополнительных арматурных каркасов пазы заполнялись бетоном омоноличивания.

45.

46. Рис. 7 – Опоры моста через р. Пара: 1 – бетон на монтаже; 2 – выпуски арматуры из насадки; 3 – арматурные каркасы; 4 – сварка выпусков арматуры

47. При изготовлении блоков наружные слои бетона нижнего яруса, расположенного в зоне переменных горизонтов, необходимо сделать морозостойкими. В особенности требует внимания бетон омоноличивания пазов, расположенных в уровне обреза фундамента. Это решение также отличается большим объемом кладки опор.

48. Существенное сокращение объема кладки достигается при формировании опор из тонкостенных железобетонных блоков или оболочек.

49. Примером такой конструкции могут служить трубчато–телескопические опоры, разработанные Ленгипротрансмостом в 1959 г. для автодорожных и железнодорожных мостов с пролетами от 12 до 126 м (рис. 8). Для мостов с пролетами до 66 м наиболее экономичными оказались одностолбчатые опоры (рис. 8, а и б), а для больших пролетов – двухстолбчатые (рис. 8, а и в). Последние выполнены из оболочек, соединенных поверху сборной подферменной плитой, а в уровне колебаний горизонтов воды – железобетонной распоркой, устанавливаемыми на монтаже. Оболочки расположены в три яруса с телескопическим соединением между собой. Внутренний диаметр оболочки каждого нижнего яруса больше наружного диаметра вышерасположенной оболочки, что позволяет выправлять положение оболочек при монтаже. Наружный диаметр оболочек – от 1,0 до 4,0 м. В пространстве между оболочками в стыках вставляется арматурный каркас, и оно заполняется бетоном. Заполняется бетоном и внутренняя полость оболочки меньшего» диаметра на всю высоту стыка.

50.

51. Рис. 8 – Трубчато–телескопические опоры железнодорожных и автодорожных мостов: а – фасад; б – вид сбоку и разрез по оси одностолбчатой опоры; в – то же, двухстолбчатой: 1, 2 и 5 – блоки железнодорожных мостов; 3, 4 и 6 – блоки автодорожных мостов; 7 – блоки поперечной связи между столбами; 8 – бетон заполнения; 9 – гидрофобный песок; 10 – подводный бетон; 11 – бетон омоноличивания

52. При наличии ледохода оболочки заполняются бетоном до уровня РГВВ, выше она может быть пустотелой. Оболочки нижнего яруса, являющиеся фундаментом опоры, после извлечения из них грунта также заполняются сначала подводным бетоном, а затем гидрофобным песком.

53. Для соединения подферменной плиты с оболочками в плите предусмотрены отверстия, в которые вставляются арматурные каркасы и производится бетонирование соединения.

54. По сравнению с массивной опорой, заложенной на кессонном фундаменте (в таких же условиях), трубчато–телескопическая опора оказывается в 2 раза дешевле при сокращении общего объема и трудоемкости монтажа (в 4–5 раз).

55. Обстоятельством, затрудняющим применение таких опор, является потребность в мощном источнике электроэнергии для вибропогружателей, с помощью которых производится опускание фундаментных оболочек. Мощность передвижных электростанций, которыми обычно располагают строители, оказывается здесь недостаточной. Кроме того, необходима более высокая, чем обычно, точность погружения оболочек.

56. При наличии тяжелого ледохода появляется опасность быстрого истирания сравнительно тонкого защитного слоя бетона оболочек и обнажения арматуры. В этих условиях применение таких опор также нецелесообразно.

57. Значительный интерес представляет применение в железобетонных опорах предварительного напряжения, которое позволяет более рационально использовать материал опор и повысить их трещиностойкость. Опоры работают от основных сочетаний нагрузок главным образом не на изгиб, а на сжатие, и возникающие растягивающие напряжения относительно невелики. Поэтому потребное количество напрягаемой арматуры оказывается небольшим.

58. Имеется успешный опыт применения предварительного напряжения в опорах железобетонных автодорожных мостов рамно–консольной, рамно–подвесной и консольно–арочной системы. В железнодорожных мостах с балочными пролетными строениями предварительное напряжение в опорах осуществлялось редко и касалось в большинстве случаев той части опор, которая не подвержена воздействию воды.

59. На (рис. 9) представлена конструкция предварительно напряженной опоры одного из железнодорожных мостов с пролетными строениями 15,8 м, сооруженного в 1958 г. на Урале (рис. 9, а). Тело опоры, расположенной на суходоле, состоит из сборных пустотелых прямоугольных железобетонных блоков (рис. 9, б). Через каждые три блока поставлены плоские блоки–диафрагмы с проемами для прохода внутри опоры. Блоки устанавливались на растворе.

60.

61. Рис. 9 – Предварительно напряженная опора из коробчатых железобетонных блоков

62. Для пропуска напрягаемой арматуры в стенках блоков предусмотрены круглые каналы диаметром 60 мм. Напрягаемая пучковая арматура заанкеривалась в фундаменте и натягивалась домкратами, установленными в верхней части опоры. Каналы инъектировались снизу вверх раствором марки 500.

63. Такое расположение каналов затрудняет заводку в них напрягаемой арматуры и не обеспечивает ее надежную защиту.

64. На

65.