что такое неразрезная балка
Однопролетная или многопролетная (неразрезная) балка (плита). Что выбрать?
В данной статье я буду говорить о балках. Но вся информация в ней точно так же касается и плит перекрытия, которые также бывают однопролетными и многопролетными (неразрезными).
Итак, есть балка, у которой несколько пролетов (например, на четыре колонны в ряд нужно опереть балку под перекрытие). Какую расчетную схему лучше выбрать? На чем остановиться: на обыкновенных однопролетных балках от колонны до колонны или же выбрать многопролетную – не зря же она так называется, а у нас как раз много пролетов и нужно перекрыть.
Для того, чтобы всегда делать правильный выбор, не обязательно каждый раз проводить расчет обоих балок и делать технико-экономическое сравнение. Нужно понять их особенности.
Однопролетная балка – это самый простой вариант. Она экономична в изготовлении, работает у нее только нижняя арматура (верхняя устанавливается конструктивно), рассчитать ее тоже проще простого. В чем же ее недостатки? При увеличении размеров пролета (расстояния между опорами) однопролетная балка сдает позиции. Приходится сильно увеличивать сечение, вырастает арматура, а если пролет слишком уж большой, балка просто не проходит по расчету (обычно критическим становится расчет по второму предельному состоянию – либо прогиб больше нормы, либо трещины больше допустимого).
Многопролетная (неразрезная) балка – это вариант, который используется, если однопролетной балки не достаточно для того, чтобы перекрыть слишком большие пролеты или чтобы выдержать значительную нагрузку. Многопролетная балка – это и двухпролетная, и трехпролетная, ну и так далее. Много – значит больше одного.
В чем же многопролетная балка выигрывает по сравнению с однопролетной? Количество пролетов здесь играет не очень большую роль (но об этом мы еще поговорим), а вот основное влияние в том, что балка неразрезная. А значит, она не прерывается над колоннами. Главное – не прерывается ее армирование. Правильно законструированная неразрезная балка может выдержать намного большую нагрузку и перекрыть намного больший пролет, чем однопролетная.
Рассмотрим, в чем разница в работе этих двух конструкций: однопролетной и многопролетной (неразрезной) балки. На рисунке ниже утрированно показаны деформации балок, опирающихся на колонны.
На верхней схеме каждый пролет перекрывает однопролетная балка. Опирание балок шарнирное (почему именно шарнирное, можно почитать здесь). При такой схеме балки спокойно изгибаются под весом нагрузки. Нижняя зона у них растянута (показано синим), именно у растянутой зоны устанавливается рабочая арматура, которая берет на себя все растягивающие усилия (бетон на растяжение практически не работает, сразу трещит). На опорах балки спокойно поворачиваются, этот поворот создает дополнительный прогиб плит.
На нижней схеме все три пролета перекрывает неразрезная балка. Ее работа сложнее, чем у однопролетной: под весом нагрузки в пролете балка прогибается вниз, но на опорах она выгибается в обратную сторону. И это чередование изгибов, чередование растянутых зон (синяя внизу, красная вверху) играет нам на руку. Так как у плиты не могут быть растянуты сразу две стороны, растяжение верхней зоны над опорами (красное) уменьшает растяжение нижней зоны в пролете (синее).
Если сравнить длину растянутой зоны на схеме с однопролетными балками и на схеме с неразрезной балкой, у однопролетных длина растянутой зоны балки (синей) в каждом пролете больше (при одинаковых исходных условиях – величине пролетов, нагрузках, сечении балок). А раз длина растянутой зоны больше, то и изгибающий момент будет больше, и армирование нижней зоны в пролете больше, и прогиб больше, и трещины раскроются шире – так как все эти величины взаимосвязаны.
Получается, что за счет прогиба балки над опорой в обратную сторону, мы получаем существенное сокращение всех перечисленных выше составляющих. А значит, мы создаем более выносливую конструкцию, способную легче выдержать как больший пролет, так и большую нагрузку.
В чем тогда подвох? Ведь не бывает так, чтобы где-то уменьшилось и при этом нигде не увеличилось. В случае с неразрезной балкой, в виде компенсации мы получаем растяжение в верхней зоне балки над опорой. А это значит, что в этой зоне появляется рабочая арматура (часто она бывает даже больше пролетной). Это значит, что в этой зоне появляется риск возникновения трещин (нужно выполнять проверочный расчет по второй группе предельных состояний). В общем, даром изменение расчетной схемы балке не дается.
Почему в случае с небольшим расстоянием между опорами и небольших нагрузках на балку применять неразрезные балки не стоит? Просто потому, что это не экономично – вы будете вынуждены заложить в балку не только нижнюю рабочую арматуру на всю длину балки, но и дополнительно еще верхнюю рабочую (а рабочая всегда больше конструктивной). В сумме будет перерасход арматуры по сравнению с однопролетной рабочей схемой.
Если вы хотите узнать, что бывает с недоармированной неразрезной балкой, можете ознакомиться с этой статьей.
Инструменты пользователя
Инструменты сайта
Боковая панель
Теория вероятностей и математическая статистика 
Строительная механика для строительных специальностей
Матанализ. Дифференциальное и интегральное исчисление
economics
Контакты
Расчет неразрезных балок
Неразрезной балкой называется статически неопределимая система, образованная из
простой двухопорной балки введением дополнительных промежуточных опор.
Эти опоры добавляют в целях уменьшения изгибающих моментов в пролете,
и их число равняется степени статической неопределимости полученной системы
В отличие от неразрезной балки разрезная или шарнирно-консольная балка
является статически определимой системой, она образована из первой введением
шарниров во всех пролетах кроме одного и расчет такой составной системы
принципиально не отличается от расчета статически определимых рам
Для расчета неразрезных балок можно применить метод сил, выбрав
в качестве основной систему, полученную из заданной системы устранением всех промежуточных
опор (рис. б). Однако такая система не является рациональной, поскольку для нее
от нуля на всей длине балки,
Гораздо эффективнее будет основная система, которая получается из заданной системы
введением шарниров над каждой из промежуточных опор (рис. в).
Она представляет собой цепочку простых двухопорных балок,
локальную структуру (рис. ж).
Нетрудно заметить, что независимо от числа промежуточных опор
уравнение для i-ой опоры неразрезной балки будет иметь вид:
Это уравнение называется «уравнением трех моментов», поскольку в качестве неизвестных
выступают изгибающие моменты над i-ой опорой неразрезной балки и еще над двумя опорами смежными с ней.
Примечание.
В качестве исходной балки для получения неразрезной помимо простой двухопорной балки
можно взять балку с одним или двумя жесткозащемленными концами.
Моделирование разрезных и неразрезных балок
В расчете прогонов как разрезных, так и не разрезных нет ничего сложного. Любой инженер подбирал прокат «балочки» еще в институте. Однако, при моделировании неправильного условия примыкания прогонов к главным балкам или фермам можно исказить расчет остальных конструкции, не менее важных по своим конструктивным особенностям элементов. Например, моделируем балочную клетку, второстепенные балки разрезные, крепятся к главным сверху. Ставим шарниры в плоскости изгиба балки и получаем приемлемые изгибающие моменты по всем элементам конструкции:
Теперь загрузим ту же схему боковой нагрузкой на колонны, получим изгибающие моменты, как в главной балке, так и во второстепенных балках. Происходит это потому, что стержневые конечные элементы имеют между собой шесть степеней свободы, а мы освободили поворот только в одной плоскости, что и вызвало дополнительный момент из плоскости изгиба балок.
В реальной конструкции добиться такого жесткого защемления при поэтажном сопряжении балок сложно. В связи с этим напрашивается установка еще одного шарнира, который освободит нам поворот второстепенных балок и в этом направлении. В результате расчета мы не увидим дополнительных усилий, которые могут спровоцировать подбор балок неоправданно большего сечения.
Изгибающие моменты во второстепенных балках появились над опорами, что характерно для неразрезных элементов. Шарниры из плоскости балок в схеме остались по тем же причинам, о которых я писал выше, что привело к разумному отсутствию изгибающих моментов из плоскости. Однако в нашей новой схеме появились новые моменты – крутящие в балках:
Связаны они с неравномерной загрузкой крайней балки Нагрузка на нее предается с одной стороны, а жесткое примыкания ведет к повороту сечения, который ограничен на колонне. Получается, что теперь колонна подвергается действию момента из плоскости, посмотрим в расчет:
Действительно, моменты в колоннах появились, что также неприемлемо, если вспомнить работу реальной конструкции. Модель необходимо доработать, сохранив при этом неразрезную работу конструкции. Рассмотрю два способа (хотя можно найти и больше):
В этом методе программа Лира 10.6 позволяет расшить конструкции в узле крепления балки второстепенной и главной, при этом, наложив вручную связь по заданным направлениям. Операция называется «Создание групп объединения перемещений».
Для разрыва соединений необходимо выделить элементы, которые подвергаются дальнейшему разъединению, а также узлы, в которых происходит расшивка. В этом узле после выполнения операций появится два узла (в одной координате), которые будут объединены по заданным направлениям (x,y,z).Сложность метода заключается в выделении балок и узлов в сложных схемах.
Результат работы привожу в эпюрах:
Появляются только те моменты, которые мы встречаем в реальных схемах.
2. Создание двух узловых конечных элементов упругой связи
Устранить недостаток первого метода (выделение элементов в сложных схемах) можно с помощью двухузловых конечных элементов упругой связи. Элементы можно копировать, а значит можно быстро размножать такие соединения по схеме. Для использования такого метода в схеме необходимо сперва сместить плоскость балок, и заполнить расстояние между узлами двухузловым конечным элементом упругой связи (КЭ55).
Жесткость таким элементам присваивается значительная, физически означающая смятие узла (поскольку жесткость упругой связи – это отношение силы на деформацию, при весьма малой деформации значение жесткости будет стремиться к бесконечности). Длина элементов упругой связи особой роли не играет, поскольку жесткость от длины не зависит. Закреплять направления необходимо ориентируясь на локальные оси элементов упругих связей, освобождая повороты из плоскости изгиба второстепенных балок, а так же кручение. Получим результаты:
Усилие момента из плоскости балок возникло из-за применения связи конечной жесткости, а не абсолютной как в первом случае, однако оно пренебрежимо мало, в сравнении с изгибающим моментом в плоскости изгиба. Метод можно считать приемлемым. У метода есть недостаток, например, при построении многоэтажной балочной клетки будет не просто учесть работу колонны выше уровня клетки. В таком случае можно попробовать балки «не довести» до колонн.
В результате можно сказать, что оба момента в схеме обеспечили реальную работу конструкции с неразрезными прогонами. Методы можно комбинировать в одной схеме, учитывая особенности работы обоих методов.
Мосты неразрезной и рамной систем
Относительная простота изготовления и монтажа пролетных строений в виде балок со сплошными стенками при современном отношении к вопросам производительности труда и срокам строительства приобретает все большее значение.
Однако с увеличением пролетов растут усилия в балках. Для облегчения поясов, чтобы сечение в сварных конструкциях можно было принять не более чем из двух листов и по условиям обеспечения нормативных требований вертикальной жесткости, приходится назначать большую высоту балок.
При большой высоте балок конструкция усложняется: возникает необходимость в устройстве горизонтального стыка вертикальной стенки4 и установке большого количества дополнительных элементов для обеспечения местной устойчивости вертикальной стенки. Ухудшается также внешний вид моста.
Одним из наиболее эффективных способов преодоления возникающих трудностей является применение неразрезных систем.
Как известно, в неразрезных балках расчетные положительные моменты значительно ниже, чем в аналогичных разрезных. Уменьшение величин моментов позволяет применять более экономичные сечения и существенно увеличивает перекрывающую способность балок.
К положительным особенностям неразрезных балок следует также отнести увеличение жесткости, плавную линию прогиба (без переломов, которые бывают при разрезных пролетных строениях), благоприятные условия для навесного монтажа и продольной надвижки.
Отрицательной особенностью неразрезных балок является изменение величин усилий в сечениях балок при неравномерной осадке опор. Это обстоятельство вызывало серьезные опасения и привело к тому, что раньше от неразрезных систем отказывались, предпочитая разрезные и консольные.
Современное состояние науки и практики мостостроения позволяет применять разнообразные конструкции фундаментов, при которых исключается возможность больших осадок. Разработаны приемы теоретического определения величин ожидаемых осадок.
Можно также применить такую конструкцию опорных частей, которая позволяет изменять их высоту в период эксплуатации. Для этого устраивают опорные части с клиновидными прокладками. Подвижкой клиньев можно точно отрегулировать высоту при монтаже и изменять в определенных пределах высоту опоры при эксплуатации.
Таким образом, вопросы осадок и их последствий в современных условиях могут быть довольно точно исследованы при проектировании и в большинстве случаев не могут служить препятствием к широкому применению неразрезных систем.
По характеру работы неразрезных балок наибольший эффект, с точки зрения уменьшения расчетных положительных моментов, по сравнению с аналогичными разрезными балками достигается от нагрузок, расположенных по всей длине пролетного строения (на положительных и отрицательных участках линий влияния), т. е. от постоянной нагрузки.
Вес 1 пог. м пролетного строения растет с увеличением пролета. Расчетная временная нагрузка, наоборот, падает. Очевидно, что применение неразрезных пролетных строений тем эффективнее, чем больше пролеты. При малых пролетах применение неразрезных пролетных строений не приводит к снижению веса металла.
Поскольку отношение собственного веса к временной нагрузке в автодорожных мостах всегда больше, чем у железнодорожных мостов, применение неразрезных систем в автодорожных мостах, как правило, наиболее эффективно.
При равнопролетной неразрезной балке расчетные положительные моменты в крайних пролетах значительно больше, чем в среднем. Поэтому при компоновке моста с неразрезными балками в большинстве случаев крайние пролеты назначают меньше среднего. Это приводит к уравниванию расчетных моментов и более благоприятным очертаниям силуэта моста.
Достоинствами неразрезных пролетных строений являются также благоприятные условия работы промежуточных опор, что позволяет применить наиболее экономичную конструкцию.
Рис. 41. Схемы опирания балочных пролетных строений на промежуточные опоры В многопролетных мостах с разрезными пролетными строениями на каждой промежуточной опоре располагаются два конца пролетных строений и соответственно две опорные части (рис. 41, а). Размеры подферменной площадки определяют из условия размещения двух опорных частей и концов пролетных строений. При неразрезном пролетном строении на промежуточной опоре располагается лишь одна опорная часть (рис. 41, б).
При опирании разрезных пролетных строений и временной нагрузке на одном пролетном строении вследствие внецентренности приложения нагрузки опора работает на сжатие с изгибом (см. рис. 41, а); при неразрезном пролетном строении независимо от расположения вертикальной временной нагрузки она передается на опору центрально, что создает более благоприятные условия работы.
В большинстве случаев неподвижная опорная часть неразрезной балки располагается на устое, а на промежуточных опорах — подвижные опорные части. При этом промежуточные опоры могут быть гибкими в виде качающихся колонн, что обеспечивает температурные перемещения пролетного строения за счет поворота опоры.
Благоприятные особенности неразрезных-балок привели к тому, что с 30-х годов они находят все более широкое применение.
Рис. 42. Мост имени Лейтенанта Шмидта в Ленинграде Одним из первых больших мостов с неразрезными пролетными строениями со сплошными стенками, построенных в СССР, является мост Лейтенанта Шмидта в Ленинграде (рис. 42). Этот первый постоянный мост через р. Неву построил в 1852 г. инж. С. В. Кербедз с пролетными строениями в виде чугунных арок. В1936—1938 гг. по проекту проф. Г. П. Передерия мост был перестроен: чугунные арки были заменены балочными пролетными строениями. Опоры старого моста были сохранены, кроме двух средних, которые в связи с устройством разводного пролета раскрывающейся системы были утолщены с использованием существующих свайных фундаментов.
Таким образом, разбивка моста на пролеты осталась прежней. По три пролета моста с каждой стороны от среднего разводного пролета перекрыты неразрезными пролетными строениями с пролетами 35,20+41,30+44,80 м.
Рис. 43. Мост через р. Рейн Наибольшую величину пролета в мостах с главными балками со сплошными стенками до войны имел мост через р. Рейн (рис. 43, а), построенный в 1935 г. Пролетное строение этого моста представляет собой неразрезную трехпролетную балку с пролетами 75+105+75 м. При ширине моста между перилами 18,0 м в поперечном сечении поставлены всего две главные балки (рис. 43, б) с расстоянием 11,0 м между осями. Конструкция клепаная из стали S-52. Проезжая часть устроена в виде мощных поперечных балок, по которым уложены прогоны, которые служат опорами для железобетонной плиты.
Поперечные балки, установленные на расстоянии 5 м между осями, используются в качестве ригелей рамных поперечных связей. Между нижними поясами установлены продольные связи в виде крестовой решетки с дополнительными распорками. Для уменьшения изгиба от собственного веса, вызывающего при столь значительной длине элементов провисание связей, установлены подвески, прикрепляемые к нижним поясам ригелей.
Главные балки имеют высоту 4,82 м в середине моста, 4,65 м — над промежуточными опорами и 3,65 м — над крайними опорами. Снижение высоты балок от середины к концам принято для придания проезжей части продольных уклонов.
Устойчивость вертикальной стенки толщиной 18 мм обеспечивается установкой с наружной стороны балок вертикальных уголков жесткости через каждые 5 м (в местах присоединения поперечных балок) и с внутренней стороны стенок — горизонтальных ребер z-образного сечения, поставленных вдоль всей длины балки на расстоянии 975 мм от верхнего пояса балки, а на протяжении зоны отрицательных моментов — на расстоянии 975 мм от нижнего пояса.
Пояса в соответствии с значениями изгибающих моментов имеют переменное сечение. Толщина горизонтальных листов принята 16 мм, ширина 720 и 800 мм, количество горизонтальных листов в поясе доходит до 10 (в сечении над средними опорами), поясные уголки имеют сечение 200x200x20 мм.
Несмотря на применение стали повышенного качества, вся конструкция очень тяжела, толщина пакета над средними опорами превышает 175 мм, что чрезвычайно затрудняет клепку.
Простота изготовления, которой отличается обычно балка со сплошной стенкой, в данной конструкции утеряна. Изготовить такую конструкцию труднее, чем обычную сквозную ферму. Нетрудно видеть, что основной причиной такого усложнения конструкции наряду с очень большим пролетом явилось применение двух главных балок.* Балки получились очень высокими и даже при этом с исключительно тяжелыми сечениями поясов.
Прогиб главных ферм от статической временной нагрузки равен 1/800 L, что менее допускаемого. Однако возможность снижения высоты главных балок при принятой конструкции исключалась, так как при этом потребовалось бы еще более утяжелить пояса. Назначив четыре балки в поперечном сечении, можно было уменьшить их высоту, значительно облегчить пояса, отказаться от мощных поперечных балок и существенно упростить всю конструкцию.
Рис. 44. Калининский (б. Новоарбатский) мост в Москве В отечественной практике очень хорошо решен Калининский мост через р. Москву (1957 г.). Здесь русло реки и набережные перекрыты трехпролетной неразрезной балкой с пролетами 72,6+108,0+72,6 м (рис. 44, а). Конструкция цельносварная, объединенная с железобетонной плитой проезжей части, которая учтена в работе главной балки на всем протяжении как в зоне положительных, так и в зоне отрицательных изгибающих моментов. Для включения плит в совместную работу %с металлическими балками применялись жесткие упоры трубчатого типа (рис. 44, в), привариваемые к верхнему поясу балки внутри и снаружи. Упоры входили в отверстия сборных железобетонных плит. Пространство внутри упора, а также между круглым отверстием в железобетонной плите и упором заполняли жестким цементным раствором.
В зоне отрицательных моментов над промежуточными опорами плиту проезжей части бетонировали на месте и до соединения с упорами подвергали предварительному сжатию. Эта плита расположена на стальных- листах толщиной 4 мм и приподнята над поясами на 2,5 см.
В созданный таким образом промежуток между верхним поясом балки и листом были уложены каточки из калиброванных отрезков круглого железа, что обеспечивало свободу деформации плиты при предварительном сжатии (рис. 44, б).
Наибольшие расчетные растягивающие напряжения не превосходили напряжений предварительного сжатия.
Рис. 45. Поперечное сечение моста Помимо плиты проезжей части, в зоне отрицательных моментов в плоскости нижнего пояса (см. рис. 44, а и 45) установлены специальные железобетонные плиты для совместной работы с поясами на сжатие. Эти плиты установлены на участках над средними опорами на протяжении 47,1 м (по 23,55 м в каждую сторону от опоры). Плиты укладываются на полки нижних поясов балок и соединяются с ними упорами так же, как верхние.
При обычном решении монтажа металлической конструкции с последующей укладкой плит нагрузка от собственного веса металлической конструкции, веса железобетонных плит и крана, укладывающего эти плиты, воспринимается металлической балкой и лишь последующие нагрузки воспринимаются объединенным сечением.
При этом вследствие большого значения нагрузки от веса балок и плит и относительно малого значения в автодорожных мостах временной нагрузки напряжение в плитах от совместной работы с балками значительно ниже допускаемых. Их несущая способность используется лишь частично.
Для лучшего использования железобетонных плит в работе балок предусмотрено, что монтаж и объединение плит с балкой производятся в то время, когда смонтированные балки опираются не только на постоянные, но еще и на временные опоры, установленные по одной в крайних пролетах и по две в среднем. В результате этого нагрузка от собственного веса и веса плиты воспринимается металлоконструкцией как семипролетной неразрезной балкой. После закрепления плит временные опоры убирают, и объединенная конструкция вступает в работу как трехпролетная неразрезная балка. Таким приемом существенно повышена степень участия плиты в работе объединенного сечения.
Ширина моста между перилами 43 м, из которых 34 м проезжая часть и 2х4,5 м — тротуары.
В поперечном сечении установлено 12 балок (рис. 45) с расстоянием 3,6 м между осями. Непосредственно на пояса балок опирается плита.
Балки объединены металлическими рамами, установленными по длине моста через 9 м.
Благодаря использованию железобетонной плиты в работе главных балок на всем протяжении пролетного строения, установке железобетонных плит в плоскости нижних поясов в зоне отрицательных моментов и большому количеству главных балок в поперечном сечении удалось перекрыть пролет 108 м при небольшой высоте главных балок и сечениях поясов из одного и двух листов.
Высота главной балки в середине главного пролета принята 2,45 м, что составляет 1/44 пролета, а над опорами 3,18 м, или 1/34 пролета. При этом прогиб балки не превышает 1/910 пролета, что значительно меньше допускаемого.
Сечения поясов над промежуточными опорами, где величина изгибающего момента наибольшая, приняты симметричными. Каждый пояс состоит из двух листов 960х50 и 480х50 жж. На протяжении зоны положительных моментов, где в работе балки принимает участие только верхняя плита, сечения поясов несимметричные — наименьшее сечение принято в виде одного листа 480 X 16 мм, а наибольшее (для нижнего пояса в середине большого пролета) — из двух листов 960х50 и 480х50 мм.
Листы вертикальных стенок имеют высоту от 1647 до 3027 мм и толщину 12, 16 и 24 мм. При высоте более 2500 мм стенка сваривалась на заводе из вертикально поставленных листов.
Для обеспечения местной устойчивости вертикальная стенка укреплена ребрами жесткости из полос 240х14 мм, расстояния между которыми определились расчетом.
Рис. 46. Монтажный сварной стык главной балки Каждая главная балка общей длиной 254,5 м состоит из 11 монтажных блоков длиной по 27 м, кроме крайних, имеющих длину по 13,2 м, и опорных — длиной по 19,5 м.
В монтажных стыках балок (рис. 46) сначала сваривались автоматом нижние горизонтальные листы (шов № 1), затем зазор между вертикальными листами шириной около 400 мм заполняли вставкой, которую приваривали при помощи автоматов, работающих по принципу принудительного формирования шва (швы № 2), к вертикальным листам. Для пропуска вертикального сварочного автомата листы верхнего пояса не доводили до стыков вертикального листа, зазор длиной около 1000 мм заполнялся горизонтальной вставкой, привариваемой к горизонтальным листам (швы № 3). Монтаж балок производился на временных опорах, установленных в местах расположения монтажных стыков.
Интерес представляет своеобразное решение опорных частей, установленных на средних опорах. При расстоянии между крайними балками поперек моста 39,6 м и пролете 108 м было признано целесообразным предусмотреть возможность перемещения пролетного строения от деформации и температурных воздействий в двух направлениях.
Рис. 47. Двухъярусная подвижная опорная часть С этой целью были применены двухъярусные опорные части (рис. 47). При обычном решении, т. е. с поверхностями катков, очерченными по кругу, такие опорные части имели бы очень большую высоту, что ухудшало бы внешний вид моста. Поэтому в целях снижения высоты опорных частей нижние катки, обеспечивающие подвижку в направлении поперек моста, были приняты чечевичного очертания с высотой 130 мм при радиусе поверхности катания 190 мм. При таких очертаниях катков при горизонтальном перемещении неизбежно приподнятие конструкции, величина которого определялась 0,4 мм, что было признано допустимым.
С увеличением пролетов в автодорожных мостах в расчетных усилиях доля постоянной нагрузки приобретает все большее значение. Возможности снижения собственного веса становятся решающими при установлении области рационального применения той или иной системы или конструктивной формы.
Железобетонная плита проезжей части имеет очень большой вес (400—500 кг на 1 м 2 ). Применение специальных металлических настилов, опирающихся на балочную клетку, позволяет существенно снизить собственный вес, но вызывает большой расход металла.
Наиболее целесообразным оказалось применение конструкций, в которых металлический настил одновременно используется как верхний пояс основной несущей конструкции. Такой настил состоит из металлического листа, усиленного продольными и поперечными ребрами, в результате чего образуется достаточно жеская ортотропная плита, которая непосредственно воспринимает нагрузку и вместе с тем является верхним поясом главных балок.
Дорожное покрытие в виде асфальтобетона или тонкого слоя специального синтетического материала укладывается непосредственно по металлическому листу.
Горизонтальный лист имеет обычно переменную толщину в зависимости от величины изгибающего момента. Продольные ребра устанавливаются на расстоянии 0,3—0,5 м между осями, поперечные — на расстоянии 1,5—3,0 м.
Рис. 48. Типы металлического настила в виде ортотропной плиты Сечения продольных ребер (рис. 48) принимаются в виде плоских листов, бульбопрофилей, тавров и т. п.
Применение ортотропной плиты вызывает повышение расхода металла на проезжую часть по сравнению с конструкциями с железобетонной плитой, включенной в работу главных балок.
Однако при этом следует учесть, что в неразрезных системах обычная железобетонная плита может быть’учтена в работе главных балок лишь в зоне положительных моментов. Чтобы учесть плиту в зоне отрицательных моментов, необходимо предварительное напряжение плиты, что связано с расходом определенного количества высокосортной арматуры.
Металлическая ортотропная плита входит в расчетное сечение балок на всем протяжении неразрезного пролетного строения.
Уменьшение собственного веса при переходе от железобетонной плиты к металлической ортотропной приводит к существенному снижению расчетных усилий в главных балках и экономии металла.
Экономичность применения ортотропной плиты в целом зависит от многих факторов: пролета моста, марки стали, порядка монтажа, конструктивных форм, строительной высоты и т. д.
Наиболее существенным фактором, определяющим экономичность применения ортотропной плиты, является величина пролета.
По данным зарубежной практики, применение ортотропной металлической плиты вместо железобетонной при пролетах моста более 100 м приводит к столь значительному снижению (за счет уменьшения веса) расчетных усилий в основной несущей конструкции, что общий расход металла уменьшается.
В отечественной практике пока нет достаточных материалов для обобщений.
Рис. 49. Поперечные сечения пролетных строений с ортотропной плитой При применении ортотропной плиты поперечное сечение основной несущей конструкции может представлять собой отдельные главные балки с верхним поясом в виде ортотропной плиты, обычными нижними поясами в виде пакета листов (рис. 49, а) или замкнутое коробчатое сечение (рис. 49, б).
Особенностью незамкнутых сечений является некоторое облегчение изготовления и монтажа и доступность осмотра всех частей конструкции при эксплуатации. При этом в плоскости нижних поясов устанавливаются продольные связи.
При больших пролетах требуются мощные сечения нижних поясов, что вынуждает применять для них толстые листы с пониженным расчетным сопротивлением или многолистовые пакеты с клепаными соединениями.
При замкнутых коробчатых сечениях нижний пояс принимается из одного горизонтального листа, усиленного ребрами, обеспечивающими устойчивость листа и входящими в расчетное сечение. Для обеспечения пространственной жесткости в коробках устанавливаются поперечные связи.
Достоинством замкнутых коробчатых сечений являются: большая крутильная жесткость, что важно для автодорожных мостов, так как временная вертикальная нагрузка располагается внецентренно, и более благоприятные условия для окраски, которой при эксплуатации подвергаются только наружные поверхности, так как при обеспечении герметичности коробки внутренние поверхности можно не окрашивать. В широких мостах поперечное сечение конструкции может состоять из нескольких отдельных коробок, объединенных системой связей <рис. 49, в).
В отдельных случаях наружные стенки коробок принимали наклонными, что улучшает условия восприятия ветровых усилий и позволяет сузить опоры (рис. 49, г).
Ортотропная плита нашла применение во многих зарубежных мостах, построенных за последние годы.
Примером современного сооружения из зарубежной практики с большими пролетами, перекрытыми конструкциями со сплошными стенками, может служить мост, получивший название «Европа», на автостраде Мюнхен — Рим. При проектировании этого моста было разработано большое количество вариантов с железобетонными и стальными пролетными строениями различных систем.
Рис. 50. Варианты моста «Европа» с металлическими пролетными строениями Из стальных мостов конкурентноспособными оказалось шесть вариантов (рис. 50).
Соотношение стоимости мостов по этим вариантам в процентах к наиболее дешевому (№ 3) составляло: по варианту № 2 — 106,5%, № 1 и 6 — 109%, №4 и 5 — 124%.
Арочные мосты (№ 4 и 5) оказались наиболее дорогими в связи с значительно большим, чем в других вариантах, средним пролетом. Мосты с пролетными строениями со сквозными фермами оказались несколько дешевле, чем при конструкции со сплошными стенками. Однако по архитектурным соображениям предпочтение было отдано варианту № 6.
Рис. 51. Мост «Европа» через Бреннерский перевал на автостраде Мюнхен Общая длина моста около 780 м (рис. 51), из которых 120 м — подходная эстакада с железобетонными пролетными строениями. Основная конструкция моста представляет собой шестипролетную неразрезную балку с пролетами 80,0 + 108,0 + 198,0 + 108,0 + 81,0 + 81,0 м. Общая ширина моста между внутренними гранями перил 22,2 м; из них — две полосы проезда 7,0 и 9,45 м \разделительная полоса 2,0 м\ полоски безопасности и тротуары по 1,2 м.
В поперечном сечении (рис. 52) конструкция представляет собой замкнутую коробку высотой в среднем пролете 7,7 м с уменьшением к концам моста до 4,7 м. Ширина коробки 10,0 м.
Рис. 52. Поперечное сечение в пролете L=198 м моста «Европа» Значительная часть проезда и тротуары расположены на консолях, вылет которых достигает 6,1 м.
Верхний пояс коробки — ортотропная плита из листа толщиной от 10 до 18 мм, продольных ребер с расстоянием между осями 0,37 м и поперечных балок, расположенных на расстоянии 1,5 м друг от друга.
Нижний пояс состоит из листа толщиной от 10 до 30 мм, усиленного продольными ребрами, установленными на расстоянии 0,44 м друг от друга, и поперечными ребрами, которые расположены через каждые 3,0 м.
Вертикальные стенки коробки состоят из листов толщиной от 12 до 15 мм. Для обеспечения местной устойчивости с внутренней стороны стенки установлены горизонтальные ребра жесткости с переменным расстоянием между ними от 0,5 до 1,5 м и через каждые 3 м — вертикальные ребра жесткости.
Неизменяемость формы коробки обеспечивается рамами, создаваемыми через каждые 3 м вертикальными ребрами жесткости и поперечными ребрами поясов; кроме того, через каждые 9 м эти рамы усиливаются постановкой раскосов.
Расчетный прЪгиб балки от статической временной нагрузки в наибольшем пролете равен 1/400 пролета.
Рис. 53. Общий вид моста «Европа» Мост «Европа» получил широкую известность. С точки зрения внешнего вида (рис. 53), он производит хорошее впечатление главным образом благодаря большой высоте, достигающей 190 ж. Мост с таким же пролетным строением при малой высоте производил бы неблагоприятное впечатление.
Пролетные строения с неразрезными балками находят все более широкое применение в отечественных автодорожных мостах. В связи с этим было признано целесообразным разработать типовые проекты этих конструкций для наиболее часто встречающихся пролетов.
Разработаны типовые проекты для следующих сочетаний пролетов: 3×42; 42 + 63 + 42; 3×63; 63 + 84 + 63; 63 + 2×84 + 63 и 63 + 3×84 + 63.
Материал основных несущих конструкций (главных балок, прогонов, упоров, домкратных балок) — низколегированная сталь 10Г2С1Д или 15ХСНД, материал продольных и поперечных связей — сталь марки М16С.
Бетон плиты проезда — марки 400, тротуаров марки 200. Пролетные строения сварные, с монтажными соединениями на высокопрочных болтах диаметром 22 мм.
При разработке проектов большое внимание было уделено унификации основных размеров пролетных строений, элементов и отдельных деталей.
Специально изучали вопрос о размерах пролетов с точки зрения удовлетворения требованиям судоходства, максимального сокращения; количества типоразмеров и подчинения их единому модулю.
Рассматривался также вопрос об идентичности расчетных пролетов для пролетных строений под железную и автомобильную дороги. Было принято решение отказатьсй от унификации величин пролетов автодорожных и железнодорожных мостов, так как мосты под железную дорогу имеют вековую историю и их размеры должны быть увязаны с существующими мостами для возможности замены и установки на вновь строящихся вторых путях.
В перспективе количество вновь строящихся автодорожных мостов будет примерно в 10 раз больше, чем железнодорожных, поэтому подчинение их размеров железнодорожным мостам не может быть экономически обосновано.
В результате изучения этого вопроса для рассматриваемых неразрезных пролетных строений были приняты следующие размеры расчетных пролетов: 42,0—63,0; 84,0 м. Эти пролеты соответствуют модулю: 3,0; 3,5 и 7,0, что создает опеделенные удобства для разбивки на панели и блоки и применения типовых деталей.
Специально исследовали вопрос о типе поперечного сечения конструкции. Рассматривали сечения с двумя, тремя и четырьмя главными балками с опиранием плиты на пояса главных балок и с двумя главными балками и промежуточной продольной балкой, уменьшающей пролет железобетонной плиты в 2 раза. Наиболее экономичной была признана конструкция в виде двух главных балок с промежуточной продольной балкой (см. рис. 55).
При принятой конструкции были рассмотрены различные расстояния между осями главных балок: 5,8; 6,0; 6,2; 6,4 и 6,5 м. При : том общая постоянная нагрузка на главные балка практически не изменялась. Несколько изменялся коэффициент поперечной установки. Однако существенной разницы в расчетных нагрузках не установлено.
Принято расстояние между балками 6,4 м, более удобное для перехода от габарита Г-8 к Г-9.
Высота стенки балок принята трех значений: для пролетных строений с расчетными пролетами 3×42 м и 42 + 63 + 42 м — 2480 мм; для пролетных строений 3х63 м и 63 + 84 + 63 м — 3160 мм с горизонтальным стыком и для пролетов 63 + 2×84 + 63 м и 63 + 3×84 + + 63 м — 3600 мм с горизонтальным стыком.
С точки зрения требований жесткости, все принятые размеры завышены. Расчетный прогиб балок значительно меньше допускаемого, но уменьшение высоты привело бы к утяжелению поясов, что было признано нежелательным.
Высота третьей серии несколько ниже оптимальной по весу, но она определилась габаритом при перевозке по железным дорогам.
Рис. 54. Сварное неразрезное пролетное строение под автомобильную дорогу Для всех пролетов приняты однотипные решения продольных и поперечных связей, проезжей части, узлов и т. п.
Примером пролетного строения из этой серии может служить конструкция с пролетами 63 + 84 + 63 м (рис. 54).
Пролетное строение состоит из двух главных балок, нижних продольных связей, верхних продольных связей в виде распорок и поперечных связей в виде треугольной решетки, на которую опирается прогон. На пояса главных балок и прогон опирается железобетонная плита (рис. 55).
Рис. 55. Поперечные разрезы сварного пролетного строения Собственный вес металлической конструкции и железобетонной плиты воспринимается металлическими балками. Вся последующая нагрузка (вес блоков тротуаров, покрытия проезжей части, перил, смотровых приспособлений и временная нагрузка) воспринимается составным сечением металлической балки с железобетонной плитой.
Работа бетона учитывалась только на участках с положительным моментом.
Высота вертикального листа 3160 мм, сечения поясов переменные: в местах положительных моментов, где учитывается работа плиты, несимметричные (верхний пояс легкий из одного листа, нижний значительно тяжелее). В надопорных участках, где работа бетона не учитывается, площади сечений нижнего и верхнего поясов одинаковые. В самом тяжелом сечении каждый пояс состоит из двух листов: 850х32 и 750х32 мм.
Для обеспечения местной устойчивости вертикальной стенки установлены вертикальные ребра жесткости на расстоянии 175 см между осями по всей длине балки.
Рис. 56. Монтажный стык главной балки близ середины пролета L=84,0 м На 70 см ниже верхнего пояса установлено горизонтальное ребро жесткости, которое идет по всей длине балки, затем на расстоянии 10,8 м от конца пролетного строения и на 140 см ниже верхнего пояса установлено еще одно ребро жесткости, которое расположено на протяжении зоны положительных моментов в крайних и среднем пролетах. В зоне отрицательных моментов установлено ребро жесткости на расстоянии 75 см от нижнего пояса, а на участках над средними опорами длиной 24,50 м еще одно ребро жесткости, расположенное на 145 см выше нижнего пояса.
Стык вертикальной стенки (рис. 56, а) перекрыт парными накладками 400х10х3060 мм. Стык нижнего пояса перекрывается накладками и полунакладками; конструкция ясна из чертежа (рис. 56,6).
Поперечные связи (рис. 57, а) в виде треугольника с дополнительной подвеской, поддерживающей нижнюю распорку, установлены через 5.25 м.
Рис. 57. Поперечные связи Элементы связей соединяются на заводе с приваркой к ним фасонок в жесткую рамку, которая на монтаже прикрепляется высокопрочными болтами к ребрам жесткости, а в местах стыков балок — к уголкам жесткости.
Над опорами установлены домкратные балки, на крайних опорах — высотой 980 мм (рис. 55), а на средних — высотой 2512 мм (рис. 57, б).
Нижние продольные связи приняты в виде крестовой решетки с дополнительными распорками (рис. 58).
Рис. 58. Нижние продольные связи Первоначально предполагалось применять связи полураскосной системы, но при этом пришлось бы прикреплять раскосы к стенке и устанавливать необходимые для этого фасонки не через 10,5 м, а через 5.25 м и в местах монтажных стыков балки. При принятой системе фасонки для прикрепления раскосов устанавливают на расстоянии 10,5 м, в местах стыков балки этих фасонок нет.
Сечения связей приняты из парных швеллеров № 12 с расстоянием между их стенками 80 мм, в местах прикрепления концы этих швеллеров изгибаются таким образом, чтобы промежуток между ними равнялся толщине планки (рис. 59, а), при помощи которой они прикрепляются к узлам. На участках у опор сечения связей приняты из швеллеров № 16, поставленных на расстоянии 90 мм между стенками, эти швеллеры не изгибаются, а планки прикрепления присоединяются к ним при помощк четырех прокладок толщиной по 20 мм (рис. 59, б).
Рис. 59. Конструкция диагоналей нижних продольных связей Столь мощные сечения нижних связей приняты потому, что установка пролетных строений предусмотрена продольной надвижкой с прикрепленными связями, в которых при этом появляются большие сжимающие усилия.
По всей длине балок к верхним поясам прикреплены упоры, упоры имеются также у прогонов. Поскольку совместная работа главных балок с плитой учтена лишь на участках положительных моментов, наличие на балке упоров на участках с отрицательным знаком момента не соответствует расчетным предпосылкам и вносит некоторую неопределенность в работу конструкции.
Железобетонные плиты предусмотрены сборные из блоков с продольным стыком по всей длине прогона и поперечными стыками через 2,625 м в плитах предусмотрены выпуски арматуры, которые свариваются на монтаже, после чего стыки бетонируются.
Рис. 60. Объединение железобетонной плиты высокопрочными болтами Для опытного применения разработан вариант конструкции, в котором объединение плиты с балкой производится при помощи высокопрочных болтов. В верхнем поясе балки предусматриваются отверстия для пропуска болтов (рис. 60), такие же отверстия устраиваются в блоках плиты. На монтаже блоки плиты укладывают на фанерные подкладки, после чего устанавливают высокопрочные болты.
Щель между верхним поясом балки и низом плиты заполняется песчано-цементным раствором.
В практике подобные соединения не проверены.
В железнодорожных мостах неразрезные пролетные строения со сплошными стенками не нашли широкого применения. Основной причиной этого является трудность обеспечения требований технических условий в отношении допускаемой величины прогиба от временной нагрузки.
Некоторое повышение жесткости пролетного строения может быть достигнуто применением конструкций с железобетонной плитой, объединенной с балками, однако из-за большого значения временной нагрузки зона, в которой могут появляться отрицательные моменты, распространяется на значительную длину, вследствие чего для учета плиты в работе балки возникает необходимость в предварительном напряжении плиты, связанном с большим расходом высокопрочной арматуры.
В зарубежной практике неразрезные пролетные строения со сплошными стенками под железную дорогу нашли применение в отдельных сооружениях.
Рис. 61. Мост через р. Рейн на линии Кобленц-Хорхейм На линии Кобленц — Хорхейм (ФРГ) через р. Рейн построен двухпутный железнодорожный мост с неразрезными двухпролетными балками с пролетами по 117,5 м (рис. 61, а).
Поперечное сечение принято замкнутое, коробчатое высотой 5,2 м (рис. 61, б). Толщина вертикальных стенок — от 20 до 50 мм, листа верхнего пояса — от 20 до 40 мм, нижнего — от 16 до 50 мм. Рельсы расположены непосредственно на металлическом настиле, под рельсовыми подкладками уложены резиновые прокладки. Расчетный прогиб в середине пролета от временной нагрузки равен 270 мм, или 1/420 пролета. Подобные прогибы для железнодорожных мостов Техническими условиями СССР не допускаются.
В отдельных случаях при выборе наиболее рациональной схемы моста может оказаться уместным применение рамной системы. В рамной системе положительные изгибающие моменты на среднем участке пролетного строения, значительно меньше, чем в разрезных и даже неразрезных балках. Существенно повышается жесткость пролетных строений.
Рамные системы применяются преимущественно в однопролетных мостах.
При прйменении неразрезных многопролетных рам существенное значение приобретают дополнительные напряжения от температуры, повышается также чувствительность к неравномерной осадке опор. Широкому применению мостов рамной системы мешает затруднительность типизации и некоторое усложнение монтажа.
Поэтому в металлических мостах рамную систему применяют лишь в отдельных случаях по индивидуальным проектам.
В ряде зарубежных путепроводов рамная система нашла применение для малых пролетов в специфических местных условиях, характеризуемых необходимостью выбора конструкции с пониженной строительной высотой, стесненностью перекрываемого пространства и т. п.
В связи с развитием г. Люксембурга возникла необходимость в постройке моста через долину р. Альцет. Общая длина моста превышает 350 м при высоте до 85 м. На проект этого моста был объявлен международный конкурс, в котором приняло участие восемь стран. На конкурс был представлен 71 проект железобетонных и металлических мостов, в том числе: 33 моста с неразрезными балками; 6 висячих, 29 арочных, 3 рамно-подкосных.
Рис. 62. Мост через долину р. Альцет (Люксембург) После тщательного рассмотрения к строительству был принят мост рамной (подкосной) системы. Детальный проект был разработан совместно фирмами трех стран: ФРГ, Бельгии и Люксембурга. Мост представляет собой сварную конструкцию в виде коробчатых балок, подпертых жестко связанными с ними подкосами, в результате чего образуется однопролетная рама пролетом 234,1 м (рис. 62, а) с балками, опертыми на устои. Вследствие несимметричности конструкции боковые пролеты равны 53,9 и 67,0 м. Ширина моста между перилами — 25,0 м складывается из двух полос проезжей части по 9,6 м, разделительной полосы 1,5 м и тротуаров по 2,15 м.
В поперечном сечении (рис. 62, б) конструкция состоит из двух коробчатых балок с расстоянием между осями 12 м. Ширина каждой коробки — 6 м, высота от 2,8 м в середине пролета до 6,5 м в месте соединения с подкосами.
Верхний пояс в виде ортотропной плиты одновременно выполняет роль настила проезжей части, на который непосредственно уложен асфальт. Продольные ребра настила расположены на расстоянии 30 см между осями. Поперечные балки из листа высотой 600 мм и полки шириной 200 мм расположены через 2,5 м.
По длине главных балок на расстоянии от 10 до 12,5 м поставлены поперечные связи. Подкосы также имеют коробчатое сечение. В вершинах подкосов поставлены жесткие связи, в результате чего образуются поперечные рамы. В узлах, образованных коробчатыми главными балками и подкосами, применены специальные стальные отливки. Применение их значительно облегчило соединение элементов, сходящихся в узле, и позволило уменьшить число сварных швов в этих наиболее ответственных узлах конструкции. Полный вес металла в конструкции 4400 г, что составляет около 500 кг на 1 м 2 моста.