Вантовые мосты с балками жесткости

Балки жесткости выполняют несколько важнейших функций:

- воспринимают временную нагрузку и усилия от нее передают на кабель или ванты;

- работают в составе всей системы (висячей или вантовой), увеличивая ее жесткость в вертикальной плоскости;

- воспринимают распор во внешне безраспорных конструкциях.

Балки жесткости работают на изгиб и сжатие (растяжение) от вертикальной и горизонтальной нагрузок, на кручение от внецентренно приложенной нагрузки и от аэродинамических воздействий.

Рациональная конструктивная форма балок жесткости устанавливается на основе анализа многих факторов: назначения моста, ширины проезжей части, системы расположения кабелей и вант (количество плоскостей кабелей или вант), длины панелей, обеспечения аэродинамической устойчивости, технологических требований.

Учитывая многообразие конструктивных форм балок жесткости, принято в практике их проектирования подразделение, прежде всего, по материалу с выделением металлических, железобетонных и сталежелезобетонных балок

Металлические балки жесткости классифицируются:

- по типу поперечного сечения: двутавровые, коробчатые, круглые;

- по характеру работы в составе пролетного строения: раздельные и общие.

Раздельные балки представляют собой элементы, расположенные
в нескольких плоскостях и объединенные или ортотропной плитой
(рис. 1.18, а, б), или поперечными балками (рис. 1.18, г). Не смотря на постановку нижних продольных связей балки образуют открытые снизу конструкции с относительно малой крутильной жесткостью.

 

Рис. 1.18. Конструкции металлических и сталежелезобетонных балок жесткости: а – раздельные балки жесткости двутаврового сечения; б – раздельные балки жесткости коробчатого сечения; в – общие балки жесткости; г – балки жесткости с балочной клеткой; д – общие сталежелезобетонные балки жесткости; е – раздельные сталежелезобетонные балки жесткости; 1 – плоскость вант (кабеля); 2 – раздельные балки жесткости; 3 – ортотропная плита (покровный лист, поперечные и продольные ребра); 4 – поперечные балки; 5 – продольные балки; 6 – полотно проезда (железобетон); 7 – железобетон, объединенный с металлическими балками; 8 – продольные и поперечные связи; 9 – консоли. Общая балка жесткости (рис. 1.18, в), имеющая коробчатое сечение с вертикальными или наклонными стенками (угол наклона a³ 60), представляет собой единый элемент, поддерживаемый вантами или подвесками и обладающий большой крутильной жесткостью. Балка этого вида работает как пространственная конструкция в отличие от раздельных балок, работающих в одной плоскости.Для вантовых мостов металлические балки жесткости оказываются более экономичными при пролетах длиной 250…450 м и более.

 

 

73. Пилоны вантовых мостов

Конструкции пилонов вантовых мостов весьма разнообразны, в связи с чем возникает необходимость их классификации по следующим признакам:

- по расположению в пределах моста;

- статическим схемам, определяющим жесткость пилонов;

- материалу;

- конструктивной форме пилонов поперек оси моста;

- типу сечения стоек пилона;

- расположению балок жесткости.

По расположению в пределах моста пилоны подразделяются на береговые и промежуточные. Береговые пилоны применяются для распорных, однопролетных висячих и вантовых мостов (рис. 1.20, а, б). Береговые пилоны опираются на устои, промежуточные – на промежуточные опоры.

 

 

Рис. 1.20. Разновидности пилонов по расположению: а, б – береговые пилоны висячих и вантовых мостов; в, г – промежуточные пилоны висячих и вантовых мостов; 1 – береговые пилоны; 2 – промежуточные пилоны; 3 – устои для пилонов и промежуточные опоры; 4 – устои для опирания балок жесткости

По материальному исполнению пилоны проектируются железобетонными или металлическими. Выбор материала для пилонов представляет сложную задачу, требующую технико-экономического анализа применительно к конкретному сооружению.

Опыт строительства висячих и вантовых мостов показывает, что при пролетах более 300…350 м целесообразнее оказываются металлические пилоны, а при меньших пролетах – экономичнее железобетонные. Преимущество металлических пилонов заключается в индустриальности изготовления и удобстве монтажа. Железобетонные пилоны могут быть сборными или монолитными.

По статическим схемам пилоны можно подразделить на жесткие, полугибкие и гибкие (рис. 1.21).

Жесткие пилоны (рис. 1.21, а) выполняют, как правило, из железобетона (бетона). Они хорошо работают на внецентренное сжатие при несимметричномзагружении пролетного строения, не имеют продольных перемещений верха пилонов, так как опирание кабеля осуществляется с помощью подвижных опорных частей. Применяются при их высоте Н_П £40 м.

Полугибкие пилоны (рис. 1.21, б) выполняются железобетонными или металлическими. Горизонтальное перемещение вершины пилона в продольном направлении осуществляется за счет изгиба и поворота пилона. Применяются эти пилоны при пролетах менее 250…300 м.

 

 

Рис. 1.21. Статические схемы пилонов: а – жесткие пилоны; б – полугибкие пилоны; в – гибкие пилоны; Ж – жесткое закрепление пилона в опоре; ШНП – шарнирно-неподвижное опирание пилона на опору и кабеля (вант) на пилон; ШП – шарнирно-подвижное опирание кабеля (вант) на пилон

Гибкие пилоны (рис. 1.21, в) выполняются, как правило, металлическими. Горизонтальное перемещение верха пилона осуществляется за счет изгиба пилона. Применяются пилоны при пролетах более 250…300 м.

По конструктивной форме поперек оси моста пилоны характеризуются большим разнообразием (рис. 1.22). Выбор той или иной формы устанавливается исходя из длины пролета (основного), определяющей высоту пилона и усилия в нем, ширины моста, количества вант (подвесок) и характера их расположения.

Простейшими формами пилонов являются одностоечные (рис. 1.22, а) и двухстоечные (рис. 1.22, г) при небольших длинах пролетов.

При этом двухстоечные пилоны применяются для висячих мостов распорной системы в качестве жестких береговых пилонов; выполняются из железобетона при средней высоте пилона до 40 м.

Одностоечные пилоны (рис. 1.22, а) нашли широкое применение в последнее время для вантовых мостов системы «арфа», «веер» с большим количеством вант. Применяются эти пилоны при одно-двухплоскостном вертикальном расположении вант, что позволяет подвешивать широкую (до 30 м) проезжую часть. Материальное исполнение пилонов – железобетон или металл, причем последний более предподчителен, так как допускает проектировать транспортабельные монтажные элементы заводского изготовления. Средняя высота пилонов этой формы достигает 50 м, а максимальная – 70 м (для стоечных пилонов из железобетона высота пилонов увеличивается на 10…20 % по сравнению с металлическими).

При увеличении пролета и ширины моста основу пилонов составляет рама П-образной формы с вертикальными (рис. 1.22, б) или наклонными (рис. 1.22, в) стойками. По высоте пилонов (рам) размещаются поперечные связи в виде распорок (для железобетонных пилонов) или решетчатого заполнения (для металлических). Наклон стоек = 0,02…0,04. Средняя высота этих пилонов составляет 60 м, хотя имеются примеры выполнения высотой до 100…150 м. Применяют пилоны П-образной формы для висячих мостов, а также вантовых мостов всех систем.

 

 

Рис. 1.22. Разновидности пилонов по форме поперек оси моста: а – одностоечные;
б – П-образные с вертикальными стойками; в – то же с наклонными стойками; г – двухстоечные; д – А-образные; е – l-образные; 1 – вертикальные стойки; 2 – наклонные стойки; 3 – распорки; 4 – поперечные связи; 5 – балка жесткости; 6 – балка-распорка; 7 – опора; 8 – затяжка; Bп – расстояние между стойками поверху; Hпс – строительная высота пилона; Hпр – расчетная высота пилона; g – угол наклона стойки

 

Пилоны А-образной формы (рис. 1.22, д) с наклонными стойками = = 0,08…0,1 применяют в вантовых мостах почти для всех систем при
одно- и двухплоскостном расположении вант. Известной модификацией
А-образного пилона является l-образный пилон (рис. 1.22, е), чаще применяемый для систем «арфа» и «веер».

В последние годы в области проектирования пилонов отмечается
поиск новых форм повышенной архитектурной выразительности. Так, за рубежом нашли применение следующие формы пилонов: дугообразные,
V-образные, ромбовидные, клиновидные одностоечные и др.

Поперечные сечения стоек пилонов определяются материалом и действующими в пилоне усилиями. Для железобетонных пилонов сечение стоек может быть сплошным прямоугольным (рис. 1.23, а), шестигранным
(рис. 1.23, б), двутавровым (рис. 1.23, в). В мостах больших пролетов железо­бетонные стойки имеют коробчатое сечение (рис. 1.23, г), а металлические – коробчатое, многоячеистое (рис. 1.23, д) или Н-образное (рис. 1.23, е).

Для обеспечения общей и местной устойчивости стоек металлических пилонов применяются поперечные диафрагмы и вертикальные ребра
(см. рис.1.23, д, е). В диафрагмах предусмотрены отверстия для прохода обслуживающего персонала или устройства лифта.

 

 

Рис. 1.23. Поперечные сечения стоек пилонов: а – сплошное прямоугольное; б – сплошное шестигранное; в – сплошное двутавровое; г – коробчатое для железобетонных стоек; д – коробчатое для металлических стоек; е – коробчатое Н-образное; 1 – стойки; 2 – вертикальные ребра; 3 – горизонтальные диафрагмы; 4 – отверстия в диафрагмах

Для пешеходных и трубопроводных мостов малых пролетов целесообразны стойки пилонов из стальных труб, обладающих малой металлоемкостью и хорошей обтекаемостью.

При значительной высоте пилона его сечение проектируют переменным по высоте, уменьшающимся снизу вверх, с уклоном . Это особенно целесообразно для пилонов вантовых мостов, имеющих прикрепление вант в различных уровнях по высоте пилона (многовантовые системы «арфа», «веер»).

 

Размеры стоек пилонов принимаются в следующих пределах:

– для железобетонных пилонов (рис. 1.23, а – г)

 

 

– для металлических пилонов (рис. 1.23, д, е)

 

 

Расположение балок жесткости:

1) балки жесткости располагаются между стойками пилонов с опиранием непосредственно на опору через свои опорные части (см. рис. 1.22, б – г);

2) балки жесткости располагаются между стойками и опираются на балку-распорку (см. рис. 1.22, д, е), которая является элементом пилона;

3) одностоечные пилоны опираются непосредственно на балку жесткости, которая передает давление от пилона через свои опорные части на опору (см. рис. 1.22, а).

В современных больших мостах висячей или вантовой системы для защиты опор от навала судов около них отсыпают искусственные островки или устраивают так называемые бамперные системы – подводные демпферы (поплавки).

В заключение следует отметить, что конструкции пилонов несут в себе специфические особенности, поэтому проектируются индивидуально, а при выборе формы пилона в первую очередь необходимо руководствоваться экономическими и архитектурными соображениями.

Подробнее с конструкциями кабелей, подвесок, пилонов, балок (ферм) жесткости, анкерных закреплений можно ознакомиться в [1, 3, 4–9].

Ванты

Ванты вантовых мостов могут быть двух типов: гибкие и жесткие.

Гибкие ванты изготовляют аналогично кабелям висячих мостов из спиральных, многорядных или закрытых витых канатов или из параллельных проволок. Учитывая прямолинейность вант, наиболее рационально проектировать их из пучков параллельных проволок.

Совершенствованием конструкций вант, состоящих из пучка параллельных проволок, является их решение из канатов заводской готовности с параллельным расположением проволок. Такие канаты, имеющие шестигранную форму (рис. 1.15, а), изготовляют из оцинкованной проволоки диаметром 5 мм с прочностью на разрыв 1500 МПа. Снаружи канат защищен оболочкой, состоящей из 2 слоев стеклоткани, стальной оцинкованной ленты и силиконовой окраски. Пустоты каната заполняются антикоррозийным составом в виде синтетического каучука (силиконовый компаунд). Формы образования вант из таких канатов аналогичны формам образования кабеля из витых канатов (рис. 1.15, б).

Рис. 1.15. Гибкие ванты из канатов и прядей (стрендов) с параллельным расположением проволок: а – канаты с параллельными проволоками; б – пример форми­ро­вания ванты из канатов; в – прядь; г – формирование ванты из прядей; 1 – отдельные проволоки ф_ПР = 5 мм; 2 – защитные оболочки; 3 – заполнение антикоррозийным составом; 4 – канат; 5 – прядь.

В последние годы получили распространение ванты по монострендной технологии, состоящие из отдельных прядей (стрендов). Каждая прядь компонуется из семи параллельных гальванизированных проволок диаметром 5 мм, заключенных в оболочку из полиэтилена высокой плотности, заполненную смазкой (рис. 1.15, в). Ванты формируют из прядей, размещаемых по схеме 1+6+12+18… с увеличением их числа в каждом последующем ряду (рис. 1.15, г).

Английской фирмой ICI предложен к использованию для канатов новый материал из синтетического волокна Parafil, который по прочности не уступает стали (1500 МПа), не подвержен коррозии и легче воды (удельный вес 9,81 кН/м³), но разрушается от щелочи и ультрафиолетовых солнечных лучей. Стоимость его достаточно высока.

Жесткие ванты представляют собой канаты или пучки проволоки, окруженные железобетонной оболочкой (обоймой) с последующим инъектированием внутренней полости цементным раствором под давлением 60…100 атм. (рис. 1.16, а, б), либо стальные элементы из прокатного металла (рис. 1.16, в).

 

Рис. 1.16. Жесткие ванты: а – ванта круглой формы; б – ванта прямоугольной формы; в – сечения вант из прокатного металла; 1 – канаты; 2 – ж.б. обоймы; 3 – анкеры; 4 – крышка; 5 – отверстия для нагнетания; 6 – цементный раствор; 7 – двутавровое сечение ванты; 8 – коробчатое сечение ванты

Сборная обойма, состоящая из секций (блоков) длиной 2…3 м, омоноличивается с канатами, и создается предварительное натяжение вант усилием, равным усилию от временной нагрузки. Это позволяет заранее выбрать вытяжку вант и снизить момент в балке жесткости (примерно в 1,5 раза), а также повысить жесткость всей системы.

Жесткие ванты применимы в железнодорожных мостах, так как они имеют большую площадь поперечного сечения, большую продольную жесткость, что уменьшает вертикальные прогибы сооружения, а также в мостах, где возможна интенсивная коррозия металлических элементов.

 

 

75. Крепление вант к пилону

Конструкция прикрепления вант к балке жесткости осуществляется при помощи концевых анкерных стаканов, опирающихся на плиты и диафрагмы. При регулировании усилий в вантах при помощи домкратов возникают зазоры между плитой и анкерным стаканом, которые заполняются шайбами различной толщины, имеющими прорези.

Опирание вант на пилон осуществляется с помощью сварных или литых опорных частей, называемых опорными седлами. Канаты могут не прерываться над пилоном, и тогда в другом пролете они служат оттяжкой. Если по расчету в боковом пролете требуется изменить количество канатов, то часть их обрывают и закрепляют на пилоне в специальных траверсах. Канаты на пилоне прижимают к опорному седлу накладками с болтами. В мостах делают обрыв всех вант на пилоне и прикрепляют их анкерными стаканами опирания на наклонные диафрагмы.

В однопилонных мостах высота пилона над балкой жесткости составляет 1/2,4—1/5, в двухпилонных — 1/5— 1/7 величины большего пролета, высота балки жесткости — 1/60—1/110 большего пролета. Углы наклона вант к оси балки принимают не менее 20 и не более 65°.

 

76. Основы эскизного расчета вантовых мостов

Особенности разработки вариантов вантового моста.

1. Разбивка на пролеты состоит из определения минимальной величины основного пролета и определения пролетности (общей схемы) моста. Следует отметить, что в настоящее время наибольшее распространение получили двух- и трехпролетные вантово-балочные схемы мостов, в том числе несимметричные. Подходы решаются в зависимости от назначения моста.

2. Выбор системы вантового пролетного строения
определяется величиной основного пролета, назначением моста. Предпочтение отдается тем системам, которые наиболее приемлемы в архитектурном отношении.

3. Выбор типа балки жесткости состоит в определении материала и конструкции поперечного сечения. Следует иметь в виду, что для вантовых мостов широкое применение находят железобетонные (при пролетах до 150…200 м) и сталежелезобетонные (при пролетах 200…300 м) балки жесткости. При больших пролетах применяются металлические балки жесткости. При наличии одной плоскости вант применяются, как правило, коробчатые конструкции с большой крутильной жесткостью.

4. Выбор типа пилонов Для вантовых мостов часто применяют А- и l-образные пилоны, а также одностоечные. Эти типы пилонов хорошо сочетаются с одной и двумя плоскостями вант, придают мосту архитектурную выразительность.