Мосты с арками со сплошными стенками

На рис. 261 показана часть фасада железнодорожного моста со сплошными двухшарнирными арками пролетом 56 м. Для арочных систем этот пролет можно считать небольшим. На рис. 262 показан поперечный разрез пролетного строения у опоры. Сечение арок принято в виде клепаного двутавра с полками из листов, число которых меняется по длине арки в соответствии с изменением расчетных изгибающих моментов.

Между арками во всех узлах поставлены поперечные связи в виде сквозных фер-мочек и продольные связи, расположенные в уровне нижних поясов арок. Назначение этих связей — передача поперечной горизонтальной нагрузки, воспринимаемой арками, на опоры моста и обеспечение устойчивости арок от выпучивания.

Для восприятия ветровой нагрузки и обеспечения горизонтальной жесткости проезжей части в плоскости нижних поясов продольных балок установлены продольные связи. Поясами фермы связей служат специальные продольные прогоны, расположенные в плоскостях арок и называемые надарочными прогонами или ветровыми поясами.

Для передачи от продольных балок на арку тормозных усилий в середине пролета устроены тормозные связи обычной конструкции, применяемой в балочных мостах.

Надарочные стойки крестового поперечного сечения, составленного из четырех уголков, опираются нижними концами на арки, к которым они прикреплены с помощью трапецеидальных фасонок и коротких продольных уголков (см. рис. 261). Такое сопряжение стоек с арками является жестким и конструктивно осуществляется просто. Однако при этом возникают дополнительные напряжения в стойках от температурных деформаций пролетного строения. В результате изменения температуры арка и надарочный прогон удлиняются пропорционально своим длинам. Но арка зажата между опорами, и температурные перемещения ее узлов развиваются по вертикали. Надарочные прогоны, наоборот, удлиняются в направлении своей оси, т. е. по горизонтали. В результате верхние концы стоек смещаются относительно нижних концов тем больше, чем дальше стойка от замка. В стойках, ближайших к замку, температурные смещения наименьшие, но вследствие малой длины, и следовательно, большой жесткости этих стоек температурные напряжения в них могут быть очень велики. Можно освободить стойки от этих напряжений, устроив сопряжения стоек с арками и прогоном шарнирными.

Простейшая конструкция шарниров образуется прикреплением стоек листом, расположенным перпендикулярно плоскости арок и обладающим гибкостью в продольном направлении (листовой шарнир). Устраиваются и более сложные шарниры.

Дополнительные напряжения в жестко прикрепленных стойках возникают также от совместной работы арки и надарочного строения под вертикальной нагрузкой.

Выбор типа сопряжений с арками и прогонами (жесткое или шарнирное) производится в зависимости от величины дополнительных напряжений, возникающих в стойках.

Расстояние между стойками надарочного строения определяется экономическими и архитектурными соображениями. Экономически целесообразное расстояние между стойками соответствует минимуму суммарного веса стоек и балок проезжей части. При пологих арках, а следовательно коротких стойках расход металла на стойки относительно невелик, и расстояние между стойками может быть принято равным величине панели проезжей части, наивыгоднейшей с точки зрения ее веса.

В отдельных случаях, при крутых арках и высоких стойках, может оказаться выгодным опирать на стойки не все поперечные балки, а только часть их, опирая остальные поперечные балки на надарочный прогон, сечение которого должно быть соответствующим образом усилено.

При повышенных архитектурных требованиях к мосту расстояние между стойками, как и все другие размеры, определяющие силуэт моста, приходится назначать с учетом этих требований, даже за счет некоторого увеличения веса металла.

Расстояние крайних стоек от опор моста определяется конструкцией сопряжения проезжей части с опорами. Если проезжая часть не опирается непосредственно на опоры, то крайние стойки располагают как можно ближе к опорам, вплотную к опорным частям или даже на верхних балансирах опорных частей (рис. 263). Такая конструкция сопряжения проста и широко применяется для мостов под автодорогу. Для мостов железнодорожных подобное сопряжение имеет крупный недостаток, состоящий в том, что различные вертикальные деформации стоек и массивных опор как от нагрузки, так и от воздействия температуры приводят к образованию порога у рельсовой колеи, вызывающего удары колес подвижного состава, которые тем сильнее, чем выше крайние стойки надарочного строения.

Этот недостаток можно устранить устройством сопряжения при помощи переходных балок (рис. 263,6), перекрывающих опору или опирающихся одним концом на опору, другим — на надарочное строение. Горизонтальная поперечная нагрузка на пролетное строение должна быть передана с него на опоры моста. Это можно осуществить различными путями. При устройстве поперечных связей в плоскости всех стоек надарочного строения горизонтальная поперечная нагрузка передается этими связями на узлы продольных связей между арками и далее, продольными связями арок — на опоры моста.

Поперечные связи между надарочными стойками несколько ухудшают внешний вид моста. Раскосы связей в ракурсе накладываются друг на друга, создавая беспокойный, запутанный рисунок. Поэтому в городских мостах часто отказываются от устройства поперечных связей между надарочными стойками, ограничиваясь постановкой их только в плоскости крайних стоек.

Иногда вообще отказываются от поперечных связей. У моста через р. Ниагару (см. рис. 260) при высоте стоек до 44 м связи между ними отсутствуют. Поперечная горизонтальная нагрузка проезжей части передается непосредственно на опоры моста в уровне проезжей части.

Для этой цели диагонали продольных связей проезжей части в крайних панелях можно свести треугольником (рис. 264), вершина которого заводится на опору и закрепляется на ней от перемещений в поперечном направлении. В продольном направлении свобода перемещений ограничиваться, естественно, не должна.

Возможны и иные конструктивные варианты. В широких автодорожных мостах с жесткой железобетонной плитой проезжей части можно ограничиться передачей поперечных горизонтальных нагрузок через замки арок и далее через продольные связи арок на опоры моста. Проезжая часть в этом случае работает на горизонтальную нагрузку как консоли, заделанные в замковом сечении арки.

В отдельных случаях можно отказаться не только от продольных связей проезжей части и крестовых поперечных связей между надарочными стойками, но даже от связей между арками. На рис. 265 изображен мост, не имеющий каких-либо специальных связей. Устойчивость арок против выпучивания из их плоскости обеспечивается, помимо жесткости самих арок, жесткостью полурам, образуемых поперечными балками проезжей части и надарочными стойками.

Отказ от связей между арками может вызвать увеличение веса пролетного строения в связи с необходимостью обеспечения жесткости полурам.

На рис. 266, а показан фасад городского моста пролетом 50,6 м, построенного в 1938 г. в Пльзене (Чехословакия).

Этот мост является первым в мире цельносварным арочным мостом.

Ширина между перилами 9,0 м. Она складывается из проезда шириной 6,0 м и двух тротуаров по 1,5 м. В пролетном строении даны две арки, расстояние между которыми принято 6,3 м.

Дорожное покрытие на мосту представляет собой мостовую из гранитных кубиков, уложенных по слою асфальтобетона на железобетонной плите проезжей части, которая поддерживается продольными балками из прокатных двутавров.

Поперечные балки (за исключением трех средних) опираются на арки с помощью надарочных стоек двутаврового сечения; средние балки опираются непосредственно на арки (рис. 266, б). Связей между над-арочными стойками нет.

Продольные балки проезжей части доведены до опор моста и оперты непосредственно на эти опоры, передавая последним и поперечные горизонтальные усилия.

Арки моста — одностенчатые, двутаврового сечения. Высота стенки арок выдержана одинаковой (900 мм) по всей длине арок, кроме коротких участков у опорных шарниров, на протяжении которых высота стенок уменьшается с 900 до 540 мм. Толщина поясных листов арки изменяется в соответствии с расчетными изгибающими моментами от 22 до 38 мм. Арки объединены связями из мощных распорок и легких диагоналей, образующих ромбическую решетку.

В 1967 г. построен большой автодорожный арочный мост с ездой поверху через водохранилище на р. Влтаве у Жданова (рис. 267) с пролетом 330 м. Среди мостов со сплошными арками он является по величине пролета наибольшим в мире.

Мост перекрывает глубокую долину реки одним пролетом. При затоплении долины с превращением ее в водохранилище уровень воды в ней поднимается на 58 м, считая от бытового меженного горизонта.

Расположить пяты металлических арок ниже горизонта водохранилища нежелательно. Если расположить пяты выше горизонта воды, то при принятом расстоянии между устоями арки были бы слишком пологими и потребовались бы очень мощные устои, способные воспринять огромный распор.

В этих условиях было принято решение опереть арки на концы криволинейных железобетонных консолей, заделанных в опоры. На концах этих консолей установлены шарниры.

В связи с некоторой разницей в характере грунтов основания левобережной и правобережной опор в опорных частях предусмотрены «тарельчатые» домкраты (рис. 268), которые представляют возможность некоторого регулирования положения опорных частей в случае неравномерной осадки опор.

Расстояние между центрами опорных шарниров составляет 330 м. Стрела подъема арок 42,5 м, что соответствует пологости 1/7,77. Арки — стальные, сплошной конструкции. С учетом стоимости изготовления и сборки они оказались экономичнее сквозных и современнее по архитектурным соображениям. Сечение арок показано на рис. 269. Оно составлено из двух двутавров высотой 5048 мм, пояса которых сечением 400х24 мм приварены к стенкам толщиной 14 мм.

Двутавры объединены горизонтальными поясными листами 1400х22 мм в замкнутое, коробчатое сечение; число листов в каждом поясе изменяется в зависимости от расчетных усилий от одного до трех. Поясные листы прикреплены к двутаврам на заклепках в связи с затруднениями при сварке толстых пакетов. Монтажные элементы арок изготавливали на заводе длиной примерно по 12 м и высотой, равной половине высоты арки.

Верхний и нижний ярусы арок склепывались на строительной площадке при помощи плоских накладок в порядке укрупнительной сборки.

Монтажные поперечные стыки арок для уменьшения толщины пакетов приняты ступенчатой конструкции. Соединение в стыках на заклепках, что облегчало полунавесную сборку арок, благодаря удобному закреплению монтируемых блоков сборочными болтами и пробками, устанавливаемыми в отверстия для заклепок.

Стенки арок укреплены продольными ребрами жесткости из уголков сечением 150х100х10 мм, приваренными по высоте в пять ярусов кромками широких полок. По два ребра на стенках арок приварены с наружной стороны стенок, остальные три ребра стенки приварены внутри коробок.

Приваренные снаружи ребра жесткости членят однообразно плоскую лицевую поверхность арок на три концентрические полосы и зрительно улучшают ее. Ребра жесткости перекрыты в стыках и площадь их включена в рабочую площадь сечения арок.

В местах опирания стоек надарочного строения, внутри арок, устроены в радиальных плоскостях сплошные диафрагмы с лазами в нижней части для сквозного доступа внутрь арки, а между сплошными диафрагмами — сквозные, примерно, через каждые 4 м. Кроме того, дана сквозная продольная диафрагма> по середине высоты арки. Арки расположены в вертикальных плоскостях на расстоянии 13 м между их осями и связаны между собой двумя ярусами продольных связей в уровнях верхнего и нижнего поясов арки, а также сквозными поперечными связями (рис. 270).

Стойки надарочного строения поставлены на расстоянии 23,4 м одна от другой в продольном и 12 м в поперечном направлениях. Они выполнены из круглых стальных труб диаметром от 450 до 1000 мм с толщиной стенок от 10 до 14 мм.

К концам диаметр стоек с помощью конических переходов уменьшается до 300 мм. Стойки сопрягаются с арками и надарочными прогонами посредством литых шаровых шарниров (рис. 271), снабженных штырями, воспринимающими осевые растягивающие усилия в стойках в случае их возникновения. Для уменьшения замеченных при монтаже колебаний стоек, вызываемых ветром, в плоскостях, перпендикулярных его направлению, внутренние полости стоек заполнены гравием.

Проезжая часть моста состоит из надарочных прогонов высотой 175 см, поперечных балок, приваренных к прогонам через каждые 2,6 м, и железобетонной плиты толщиной 16 см, жестко связанной с надарочными прогонами и поперечными балками при помощи упоров (рис. 272). Надарочные прогоны и поперечные балки — сварные. Горизонтальная жесткость проезжей части обеспечивается железобетонной плитой (рис. 273). Металлические связи между надарочными прогонами устраивались только временные на монтажный период до укладки и отвердения бетона плиты.

Проезжая часть неподвижно связана с замками арок и передает через них на опоры моста продольную горизойтальную нагрузку. Поперечная горизонтальная нагрузка с проезжей части передается в пяти точках: в замке арок, через вершины арочных опор и на береговых устоях. Две последние опоры являются жесткими, остальные упругими.

При передаче горизонтального давления на вершины арочных опор использованы опорные части в виде горизонтальных качающихся стержней, шарнирно опертых одним концом на бетонную кладку опоры, а другим концом также шарнирно связанных с надарочным прогоном (рис. 274). Работая на сжатие или на растяжение, в зависимости от направления ветра опорные стержни передают значительные горизонтальные усилия, достигающие при давлении ветра 240 кГ/м² 220,3 т на левобережную и 211,8 т на правобережную опоры, и обеспечивают свободу продольных перемещений проезжей части в обе стороны от замка арок. Конец опорного стержня, опирающийся на кладку опоры, заанкерен в этой кладке с таким расчетом, чтобы максимальное растягивающее усилие в стержне не могло оторвать его от опоры. Опорные части обычного типа менее удобны, так как вертикальные давления, которые являются для них основными, в данном случае значительно меньше горизонтальных.

Сборка арок и надарочного стержня велась полунавесным способом от обеих пят к замку в последовательности, показанной на рис. 275.

Соединение полуарок в замке произведено с помощью домкратов на временных сборочных опорах через временный шарнир (см. рис. 275). Это позволило исключить в арках изгибающие моменты, связанные с упругим обжатием арок от постоянной нагрузки, после передачи которой на арки шарнир был замкнут.

Соответствие расчетных предпосылок действительным условиям пространственной работы арок проверялось на модели в 1/50 натуральной величины, загружаемой вертикальными и горизонтальными нагрузками.

После завершения строительства моста он был подвергнут статическим и динамическим испытаниям. Испытаниями установлена высокая крутильная жесткость системы арок и связей между ними.

Для сооружения моста израсходовано 4465 т стали марок, приблизительно соответствующих нашим маркам 15ХСНД и МГ6С, причем последняя использовалась в толстых пакетах. По конструктивным элементам расход стали распределился следующим образом:

• арки 2360 г;
• связи между арками 445 т;
• стойки 215 г;
• надарочные прогоны и поперечные балки — 825 г;
• деформационные швы, перила, детали водоотвода — 305 т.

Расход стали на 1 м² горизонтальной проекции моста составил 609 кг.