Основные положения проектирования и расчета балочных пролетных строений

Общие соображения

По действующему в СССР порядку разработка проектов производится в две стадии: технический проект и рабочие чертежи.

В техническом проекте решаются принципиальные вопросы: место перехода, материал, система, разбивка на пролетыг конструкция пролетных строений и опор и порядок организации строительства. К техническому проекту составляется смета, в которой определяется стоимость сооружения.

После утверждения технического проекта разрабатываются рабочие чертежи.

При разработке рабочих чертежей производится уточнение и детализация предусмотренных техническим проектом решений в той степени, в которой это необходимо для производства строительных работ.

Проектирование моста начинается с выбора места расположения мостового перехода в плане и определения отверстия моста.

При пересечении небольших водотоков местоположение мостового перехода обычно бывает подчинено основному направлению трассируемой дороги.

Чем крупнее водоток, тем больше оснований к поискам наиболее выгодного места его пересечения, при котором река пересекается под прямым углом в наиболее узкой части ее: на беспойменном участке или участке с минимальной шириной пойм. При этом стремятся к тому, чтобы русло реки отличалось прямолинейностью и постоянством положения, а геологическое строение благоприятствовало заложению фундаментов опор.

Для обеспечения этих условий в ряде случаев допускается отклонение дороги от основного направления. Окончательное решение принимается после составления и анализа различных вариантов расположения мостового перехода.

Для каждого из вариантов мостового перехода, в свою очередь, должна быть найдена наиболее экономически выгодная и технически целесообразная схема моста.

Поиски этой схемы производятся путем разработки нескольких вариантов и исследования, в процессе которого решается вопрос о величине пролетов, системе пролетных строений и назначении их генеральных размеров, о выборе типа опор и их фундаментов. При разработке вариантов моста должны быть учтены условия изготовления и монтажа пролетных строений, методы возведения опор, сроки постройки и архитектурные достоинства сооружения.

Стремясь наилучшим образом удовлетворить всем условиям, можно составить несколько конкурирующих между собой вариантов. При составлении вариантов используется накопленный опыт проектирования подобных сооружений, данные науки и практики и имеющиеся типовые решения.

Выбор схемы моста является творческой задачей, связанной с самостоятельной работой, которая не может строиться по рецептам.

Иногда разбивку приходится подчинять профилю перехода. Например, при крутых склонах, большой высоте моста, глубоком русле и слабых грунтах на русловом участке перехода может оказаться целесообразным однопролетное решение, устраняющее необходимость в промежуточных опорах.

Разбивка на пролеты может быть подчинена архитектурным требованиям, что характерно для городских условий и при проектировании уникальных мостов. Как правило, при разбивке следует назначать типовые размеры расчетных пролетов.

Назначение размеров пролетов и их размещение по длине отверстия нельзя производить в отрыве от системы пролетных строений, а при использовании неразрезных и консольных систем разбивка может быть подчинена определенным соотношениям между пролетами, при которых достигается наилучшее использование материалов пролетных строений.

Что касается назначения систем пролетных строений, то нельзя дать сводку правил для их безошибочного выбора.

При назначении системы пролетных строений следует обязательно учитывать ее эксплуатационные качества — жесткость, удобства защиты от коррозии, стоимость текущего содержания.

В современных условиях нельзя правильно выбрать схему сооружения, не рассматривая комплексно вопросов статики, условий изготовления, монтажа и эксплуатации.

Новые особенности систем и конструктивных форм, основанные на учете пространственной работы, условий изготовления и монтажа, выявлены лишь в отдельных сооружениях и потому не дают достаточного материала для обобщений.

При выборе системы должен быть решен также вопрос о типе соединения элементов.

Сварные пролетные строения позволяют получить экономию металла до 10—15%. Трудоемкость их изготовления сокращается на 15—20%. Заводы освоили технологию их изготовления. Опыт эксплуатации сварных пролетных строений показал, что при доброкачественном изготовлении они обладают рядом преимуществ перед клепаными: меньше подвержены коррозии, более удобны для очистки и окраски.

В конструкциях со сплошными стенками не вызывает также особых трудностей монтажная сварка. В сквозных пролетных строениях до сего времени монтажная сварка не получила широкого распространения. В большинстве современных конструкций монтажные соединения осуществляются на высокопрочных болтах.

Технические условия

Основным нормативным документом при проектировании являются технические условия. По мере развития теории сооружений, появления новых строительных материалов и конструктивных форм, а также накопления опыта эксплуатации существующих мостов, технические условия время от времени пересматриваются и дополняются. Действующими техническими условиями в области стальных конструкций мостов, в настоящее время являются «Технические условия проектирования железнодорожных, автодорожных и городских мостов и труб» СН 200-62. Технические условия, приводимые ниже, при освещении вопросов расчета и конструирования обозначаются для краткости «ТУ» с указанием номера соответствующего пункта.

Технические условия обеспечивают единообразный подход многочисленных проектных организаций к проверкам размеров элементов мостовых конструкций и устанавливают ряд конструктивных требований, выполнение которых способствует улучшению технологичности конструкций и повышению их долговечности.

Технические требования к мостовым конструкциям можно объединить одним понятием «надежность», которое все шире приобретает права обобщающего критерия качества во всех областях техники.

Научное обоснование надежности мостовых конструкций, при одновременном соблюдении их экономичности, сводится прежде всего к определению разумных коэффициентов запаса в форме расчетных коэффициентов: перегрузки n однородности k и условий работы m. Необходимость введения в расчеты указанных коэффициентов вызывается известной неопределенностью истинных величин исходных расчетных данных: расчетных нагрузок, характеристик механической прочности применяемых строительных материалов, а также некоторым несоответствием расчетных схем фактической работе конструкций, возможными отклонениями действительных размеров элементов от принятых в расчете.

Возможные сочетания одновременно действующих нагрузок технические условия делят на три группы: основные сочетания, в которые входят постоянные нагрузки и временная вертикальная нагрузка; дополнительные сочетания, в которые, кроме нагрузок, входящих в основные сочетания, могут включаться остальные нагрузки (ветровая, ледовая, торможение), кроме строительных нагрузок и сейсмической и, наконец, особые сочетания, в которые включаются, кроме остальных нагрузок, также сейсмическая и строительная нагрузки.

Чем больше интенсивность возможных нагрузок одновременно учитываемых расчетом, тем меньше вероятность совпадения во времени их максимальных значений.

Это обстоятельство учитывается понижением коэффициентов перегрузки n при расчетах на прочность и устойчивость для временных нагрузок, включаемых в дополнительные и особые сочетания (СН 200-62, пп. 127 и 136).

Коэффициенты перегрузки для постоянных нагрузок даются в двух значениях: большем и меньшем единицы (СН 200-62, п. 115), так как существует возможность отклонения постоянных нагрузок в обе стороны от значений нагрузок нормативных, а наибольшая абсолютная величина расчетного усилия достигается, в некоторых случаях, при наименьших значениях расчетной постоянной нагрузки. Примером такого случая может служить вычисление расчетного усилия от совместного действия постоянной и временной вертикальных нагрузок при двухзначной линии влияния для искомого усилия, когда существует неравенство: m > n — 1, где m — отношение интенсивности временной нагрузки к интенсивности постоянной, а n — отношение большей, по величине, площади участка линии влияния одного знака к площади другого знака.

В технических условиях дано указание (п. 105) о несовместности отдельных нагрузок, включаемых в дополнительные и особые сочетания. Одновременное действие таких нагрузок нереально. Так, например, максимальное давление ветра не может действовать на пролетное строение одновременно с горизонтальными поперечными ударами железнодорожной подвижной нагрузки, так как при расчетном давлении ветра реборды колес плотно прижаты к подветренному рельсу и не могут, следовательно, производить ударов.

Расчеты металлических мостовых конструкций выполняются по первому и второму предельным состояниям. К расчетам по первому предельному состоянию относятся проверки прочности, устойчивости и выносливости.

Прочность характеризуется способностью конструкции сопротивляться возможным- нагрузкам и воздействиям без нарушения целостности и без развития внешне заметных пластических деформаций.

Нарушение устойчивости формы характеризуется потерей проектной формы (прямолинейной, плоской) элементами конструкции под действием сжимающих напряжений, достигших критического значения.

При потере устойчивости положения происходит сдвиг или опрокидывание конструкции.

Для потери прочности и устойчивости достаточно, чтобы возможные нагрузки и воздействия хотя бы 1 раз за время службы сооружения превзошли допустимые пределы. Поэтому при определении усилий в расчетах прочности и устойчивости должны быть учтены, посредством коэффициентов перегрузки n и динамического коэффициента 1 + ? возможные наибольшие значения усилий в проверяемых элементах конструкции.

Выносливость может оказаться не обеспеченной, если расчетные усилия могут повторяться множество раз. Такая повторяемость усилий возможна только при обычных эксплуатационных нагрузках, не превышающих их нормативных значений.

Поэтому при проверке выносливости коэффициенты перегрузки не учитываются, т. е. полагаются равными 1. Динамический коэффициент в расчетах выносливости учитывается, поскольку динамическое воздействие подвижной нагрузки является регулярным.

К расчетам по второму предельному состоянию относится проверка жесткости конструкции, под которой понимается ее способность претерпевать под временной вертикальной нагрузкой упругие деформации, не превосходящие нормированных пределов (ТУ, п. 52).

При этих расчетах коэффициент перегрузки и динамический коэффициент не учитываются.

Следует заметить, что нормативы жесткости не имеют до настоящего времени достаточных научных оснований и нуждаются в уточнении путем дополнительных исследований.

Необходимость научного обоснования норм жесткости приобретает особую остроту в связи с расширяющимся применением в мостах сталей высокой прочности с повышенным отношением предела текучести к модулю упругости.

Коэффициент неоднородности k учтен Техническими условиями при переходе от нормативных сопротивлений строительных материалов к расчетным сопротивлениям, которыми, как правило, пользуются при расчетах.

Значения коэффициентов условий работы m в тех частных случаях, когда они не равны 1, приводятся в дальнейших указаниях по расчету.

В последнее время получили широкое распространение расчеты на электронных вычислительных машинах, выполняющих не только арифметические, но и логические операции, что позволяет, в частности, автоматически получать оптимальное решение при вводе в машину исходных данных в различных вариантах.

Роль использования таких машин в инженерных расчетах трудно переоценить.

Однако это обстоятельство не только не устраняет, но даже повышает необходимость для инженера понимания «игры сил» в сооружении и влияния на величину усилий тех или иных изменений исходных данных. При самом широком использовании ЭЦВМ инженер должен обладать также способностью быстрого определения приближенных значений усилий при помощи логарифмической линейки для так называемых «эскизных» расчетов.

Излагаемый ниже материал имеет целью осветить порядок определения усилий и производства приближенных расчетов.