Гибкие арки с балкой жесткости мостов комбинированных систем

В схемах жестких арок с гибкими затяжками работа арки и ее конструкция мало отличаются от работы арки и ее конструкции в обычных арочных мостах. Гибкая затяжка в арках с затяжкой работает только на осевое продольное усилие — распор арки.

Если затяжку развить в мощную, жесткую балку, то арку, наоборот, можно будет сделать гибкой, способной воспринимать только продольную сжимающую силу. Можно при этом считать, что изгибающий момент и поперечную силу полностью воспримет жесткая затяжка или, как ее еще называют, балка жесткости. Получается новая комбинированная система, которую можно назвать гибкой аркой с жесткой затяжкой.

В отношении изготовления и сборки система с балкой жесткости имеет преимущества.

Балка жесткости создает удобства для продольной надвижки пролетного строения, перевозки его на плаву и сборки в пролете моста на редко расставленных промежуточных опорах, сооружаемых по высоте только до уровня низа пролетного строения.

При не очень больших пролетах балка жесткости может иметь простую конструкцию одностенчатой сплошной двутавровой балки, удобной для изготовления на заводе, особенно при сварных соединениях.

Арка, работающая только на сжатие, принимается всегда со сплошной стенкой. Продольное усилие в арке изменяется по длине пролета сравнительно мало, что облегчает подбор сечений арки. Значительная мощность балок жесткости позволяет без особого труда осуществить, внеузловое прикрепление поперечных балок проезжей части, что может быть использовано для унификации стержней арки и балочной клетки проезжей части.

При загружении полупролета (рис. 307, а) балка жесткости принимает S-образную форму изгиба. Если бы арка, подвески и балка жесткости не испытывали продольных деформаций, то изгиб балки был бы кососимметричен, с точкой перегиба в середине пролета, а величины изгибающих моментов разных знаков были бы в симметричных относительно середины пролетах, сечения балки — одинаковы (рис. 307, б). Продольные деформации элементов системы вызывают смещение всех промежуточных сечений балки жесткости книзу, а следовательно, преобладание положительных изгибающих моментов над отрицательными (рис. 307, в).

С целью уменьшения расчетных моментов целесообразно принять меры к уравниванию величины моментов разных знаков созданием отрицательного момента путем эксцентричного приложения к балке распора арки (рис. 307,2).

Рассматриваемая система получила сравнительно широкое распространение, особенно в железнодорожных мостах. Она применена также в опытном цельносварном пролетном строении железнодорожного моста с пролетом 66 м.

Пролетное строение сооружено по проекту, составленному институтом электросварки имени академика Е. О. Патона совместно с Днепропетровским заводом металлических конструкций.

Схема пролетного строения изображена на рис. 308.

Арки (верхние пояса) очерчены по ломаной линии. Панель главных ферм 11 м; панель проезжей части 5,5 м, т. е. поперечные балки размещены не только в узлах главных ферм, но и между ними.

Особенностью пролетного строения является передача распора арок не только на балки жесткости, находящиеся в плоскости главных ферм, но и на продольные балки, поддерживающие мостовое полотно и имеющие с балками жесткости одинаковую высоту. Для вовлечения продольных балок в работу в качестве элементов затяжки они связаны с балками жесткости и между собой горизонтальными распределительными диафрагмами, расположенными' на концах пролетного строения в уровне верхних поясов балок. Той же цели способствуют продольные связи между балками жесткости и продольными балками, поставленные в уровне верхних и нижних поясов балок.

Оси крайних арочных стержней пересекаются с опорными вертикалями в уровне верха балок (рис. 309). Таким образом, распор арок приложен к балкам жесткости с эксцентриситетом 900 мм и вызывает в балках отрицательный изгибающий момент, т. е. момент, противоположный по знаку моментам, возникающим между узлами главных ферм под действием временной вертикальной нагрузки.

В связи с передачей на продольные балки значительных продольных усилий распора их конструкция непрерывна, а поперечные балки составлены из трех частей, примыкающих к продольным балкам с обеих сторон (рис. 310). Средняя часть приваривается при монтаже пролетного строения, а крайние образуют с парой балок (одной крайней и одной средней) пространственный монтажный блок, свариваемый на заводе.

Таких блоков в пролетном строении шесть (см. рис. 308). Ширина каждого 2,2 м; вес — 22 т.

В этих шести блоках сосредоточено до 65% веса металла всего пролетного строения, остальные 35% веса металла приходятся на 83 монтажных элемента не считая стыковых вставок, наиболее тяжелыми из которых являются арочные стержни.

Сечение арок двутавровое, высотой от 678 мм у опор и до 800 мм в замке при постоянстве вертикальной проекции высот, что обусловлено конструкцией сопряжения арочных стержней в узлах (рис. 311).

Подвески Н-образного сечения вместе с распорками верхних связей и поперечными балками проезжей части образуют поперечные рамы. Сечение подвесок было запроектировано из двух листов сечением 200х10 мм, соединенных третьим листом сечением 500х10 мм. Однако испытания пролетного строения вибрационной нагрузкой выявили значительные колебания подвесок в плоскости главных ферм с амплитудой, достигаемой у средней подвески 100 мм.

Испытаниями была также установлена недостаточная горизонтальная жесткость пролетного строения как результат отсутствия продольных связей между внутренними балками. Жесткость подвесок была повышена приваркой к ветвям сечения дополнительных листов сечением 400х10 мм, а горизонтальная жесткость пролетного строения — постановкой продольных связей между внутренними балками.

Конструкция продольных связей между арками показана на рис. 312.

В зарубежном мостостроении имеется пример конструкции пролетного строения, имеющего всего одну главную ферму рассматриваемой системы для пешеходного моста с пролетом 62 м (рис. 313).

Стоимость осуществленного пролетного строения оказалась на 15—20% меньше стоимости пролетного строения с двумя главными фермами (арками). В пролетном строении с двумя главными фермами или арками элементы последних, при взгляде на мост под косым углом к его оси накладываются друг на друга, образуя пестрый неспокойный силуэт. В осуществленном варианте этот недостаток отсутствует.

Особое внимание при проектировании пролетных строений с одной главной фермой должно быть уделено обеспечению достаточной крутильной жесткости конструкции проезжей части.

Рассмотренные примеры конструкции гибких арок с распором, переданным на балки жесткости, относятся к пролетным строениям с ездой понизу. Однако эта система может найти применение также в мостах с ездой поверху (рис. 314, а) и посередине (рис. 314, б).

Непосредственная передача распора от пят арки на балку жесткости в этих случаях невозможна, и распор передается через специальные подпружные элементы, имеющие с аркой однотипное конструктивное оформление. Схема конструкции становится трехпролетной с четырьмя опорными точками, из которых три должны быть продольно подвижными.

При одинаковых пролетах, высоте моста и нагрузке распор, передаваемой на балку жесткости при езде посередине, меньше, чем при езде поверху, но конструкция пролетного строения сложнее.

Чтобы сохранить независимость деформаций арки от продольных деформаций балки жесткости, необходимо при езде посередине обеспечить свободу продольных перемещений балки жесткости относительно арки в узлах их пересечения. При этом схема пролетного строения на рис. 314, а так же, как схема на рис. 314, б, будет трижды статически неопределимой.

Схему на рис. 314, а можно видоизменить в схему, показанную на рис. 314, в, прикреплением подпружных элементов к главным балкам в среднем пролете в точках б ив. Вновь полученная схема четырежды статически неопределима.

При внешнем сходстве пролетных строений, построенных по каждой из этих схем, работа их существенно различна.

В пролетном строении на рис. 314, в главная балка на участке б—в не несет продольного усилия; распор в подпружных цепях аеб и вжг одинаков только при симметричных загружениях. По существу схему на рис. 327, в можно считать трехпролетной неразрезной балкой, усиленной третьим поясом на участках аб и вг. Такое усиление существенно повышает вертикальную жесткость балки и уменьшает в ней величину изгибающих моментов от вертикальной нагрузки.

В СССР построено несколько мостов с пролетными строениями по схемам описанных систем.

В городском мосту (рис. 315) русло реки перекрыто пролетным строением комбинированной системы по схеме 68,173 + 147,859 +. 67,940 м (см. рис. 314,6). Мост расположен на уклоне, крутизна которого в пределах пойменных пролетов равна 3,5%. В пределах комбинированного, пролетного строения этот уклон сопрягается с горизонтальной площадкой. Конструкция пролетно-го строения симметрична относительно оси, наклоненной под углом 0°43' к вертикали. При этом разность уровней пят арки среднего пролета составляет 1,841 м. Ширина проезжей части моста — 9,0 м, ширина тротуаров — по 2,76 м.

Распор арок среднего пролета передается через полуарки крайних пролетов на балки жесткости, являющиеся, таким образом, затяжкой. Балки жесткости в количестве пяти, сварные, из малоуглеродистой стали, поставлены на расстояниях 2,0 + 2,6 + 3,0 + 2,6 + 2,0 м между осями. С помощью упоров они объединены в работе с железобетонной плитой проезжей части. Расстояние между осями арок поперек моста 10,2 м, т. е. вертикальные плоскости арок делят пополам расстояния между крайними парами балок. Арки и полуарки клепаные, Н-образно-го сечения, изготовлены из низколегированной стали марки НЛ2. Они составлены из прямолинейных стержней длиной по 8,48 м, образующих многоугольник, вписанный в круговую кривую радиусом 115,04 м. Стрелка арок 26,9 м, отношение стрелки к пролету 1/5,6 м. Замок арок возвышается, на 14,9 м над уровнем проезда.

Распор от каждой арки передается на три ближайшие к ней балки сплошными горизонтальными листами толщиной 24 жж, поставленными между этими балками под их нижними поясами в местах примыкания полуарки (рис. 316).

Полуарка прикреплена верхним концом к вертикальным фасонкам, прикрепленным снизу к горизонтальному листу, передающему распор балкам. Вертикальная составляющая усилия в полуарке передается балкам через одну поперечную и две пары продольных вертикальных диафрагм треугольной формы, находящихся в плоскостях фасонок, прикрепляющих полуарку. Продольные диафрагмы окаймлены уголками и связаны попарно соединительными планками.

В узле сопряжения арки и балок (рис. 317) к верхнему горизонтальному ребру узловых фасонок арки прикреплен с помощью уголков горизонтальный лист, на котором покоится литая опорная плита с продольными закраинами. На плиту опирается через опорный лист поперечная диафрагма, снабженная ребрами жесткости и прикрепленная к балкам, между которыми она находится. Диафрагма может скользить по опорной плите в продольном направлении, не стесняя деформации арок.

Остальные узлы арок и полуарок связаны с балками жесткости посредством стоек или подвесок и поперечных связей между балками.

Между арками и полуарками даны продольные связи, прерываемые над уровнем проезда по условиям габарита, и ниже балок — для пропуска смотровой тележки.

Поперечные связи между балками имеют сквозную конструкцию кроме мест примыкания стоек и подвесок, где вместо сквозных связей поставлены сплошные вертикальные диафрагмы.

Крестовые поперечные связи даны также в плоскости стоек над средними опорами пролетного строения. Нижний распоркой этих связей служит мощная домкратная балка с консолями, предназначенными для упора домкратов при подъеме пролетного строения.

Для уменьшения сечений балок жесткости проектом был предусмотрен порядок сборки пролетных строений, обеспечивающий работу балок жесткости только на временную нагрузку.

Порядок этот предусматривал выклепку стыков балок жесткости на временных опорах до прикрепления их к подвескам и стойкам. После этого балкам придавались выгибы, равные по величине, но противоположные по направлению прогибам пролетного строения от постоянной нагрузки, и балки прикреплялись к подвескам и стойкам. При удалении временных опор пролетное строение вступает в работу от постоянной нагрузки, и упругие деформации арок приводят балки жесткости в положение, при котором напряжения в них отсутствуют.

Концы пролетного строения оперты на однокатковые опорные части; на средней опоре, со стороны правого берега, установлены четырехкат-ковые, на другой средней опоре, со стороны левого берега,— продольно неподвижные опорные части.

Вес металла в пролетном строении составляет 1738 т, в том числе вес балок жесткости 1114 т, арок и полуарок 306 т (сталь НЛ-2), стоек и подвесок 48 т, связей 261 т, металла деформационных швов мостового полотна, водоотводящих воронок и смотровых приспособлений — 29 т.

Пролетное строение городского моста, сооруженного через одну из рек по схеме, показанной на рис. 314, в, обладает тем достоинством, что на всем протяжении пролетного строения езда расположена поверху. Это позволяет дать по ширине моста три подпружные системы при шести главных балках (рис. 318), что упрощает задачу равномерного распределения распора между балками. Упростилась несколько конструкция опорных узлов на средних опорах пролетного строения, отпала необходимость сооружения консолей у домкратных балок.

При пролетах пролетного строения по схеме 71,25 + 154,00 + 71,25 м высота главных балок между обушками поясных углов составляет 3010 м. Отношение этой высоты к среднему пролету равно 1/51.

При отсутствии подпруг эту высоту пришлось бы увеличить примерно в 2 раза.