Бахтин С.А., Овчинников И.Г., Инамов Р.Р. Висячие и вантовые мосты. Проектирование, расчет, особенности конструирования

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство общего

и профессионального образования РФ

Саратовский государственный

технический университет

Бахтин С.А., Овчинников И.Г., Инамов Р.Р.

ВИСЯЧИЕ И ВАНТОВЫЕ МОСТЫ.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ, РАСЧЕТ,

ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ

Саратов 1999

УДК 624.5.001.2

ББК 39.119

Б 30

Рецензенты:

кафедра математической теории упругости

Саратовского государственного университета;

доктор физико-математических наук, профессор,

лауреат государственной премии РФ Л.Ю. Косович;

главный инженер НТЦ Госстроя РФ института «Проектмостреконструк-

ция», кандидат технических наук В.Н. Морозов

Одобрено

редакционно-издательским советом

Саратовского государственного

технического университета

Бахтин С.А., Овчинников И.Г., Инамов Р.Р.

Б 30 Висячие и вантовые мосты. Проектирование, расчет, особенно-

сти конструирования: Учеб. пособие. Саратов: Сарат. гос. техн.

ун-т, 1999. 124 с.

ISBN 5-7433-0673-7

Содержатся основные сведения о вопросах проектирования, строительст-

ва и перспективах развития висячих и вантовых мостов. Приведены подробные

рекомендации и пояснения по вариантному проектированию данных типов

мостов. Рассмотрены методы расчета пролетных строений на статическую на-

грузку, динамические и аэродинамические воздействия. Освещены вопросы

конструирования основных узлов висячих и вантовых мостов, приведены при-

меры построенных мостов.

Учебное пособие предназначено для студентов вузов, обучающихся по

специальности 29.11.00 «Мосты и транспортные тоннели».

УДК 624.5.001.2

ББК 39.119

технический университет, 1999

ISBN 5-7433-0673-7 Инамов Р.Р., 1999

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВИСЯЧИХ И ВАНТОВЫХ МОСТАХ

1.1. Терминология и классификация

Во многих литературных источниках понятия "висячий мост" или

"вантовый" трактуются весьма по-разному. Существуют конструкции про-

летных строений, которые относят в одних случаях к висячим системам, а

в других – к вантовым.

Чтобы внести определенную ясность в данный вопрос, предлагается

принять следующую терминологию.

Висячими называются мосты, в пролетных строениях которых глав-

ными несущими элементами являются растянутые, гибкие, криволинейные

нити (кабели или цепи), поддерживающие с помощью подвесок балку же-

сткости и передающие усилия на пилоны (рис. 1.1)

Рис. 1.1. Висячий мост: 1 – подвеска; 2 – нить; 3 –оттяжка: 4 – анкерная опора;

5 – пилон: 6(6') – балка (ферма) жесткости; l – пролет моста;

– усилие в оттяжке (кабеле); Н – распор

Рис. 1.2. Вантовые мосты: 1 – оттяжка; 2 – подвеска; 3 – ванты; 4 – анкерная опора:

5 – пилон; 6 – балка жесткости; l – главный пролет; l

– боковой пролет

Вантовыми называются мосты, пролетные строения которых состо-

ят из балок жесткости и поддерживающих их растянутых, гибких, прямо-

линейных стержней – вант, закрепленных на пилонах (рис. 1.2).

Как видно из рис. 1.1 и 1.2, у висячих и вантовых мостов, действи-

тельно, много общего: балка (ферма) жесткости, пилоны, оттяжки, анкер-

ные опоры, подвески. Но главное отличие в том, что является основным

несущим элементом: если криволинейная нить, то мост – висячий, если

прямолинейные ванты – то вантовый. Причем нити и ванты работают

только на растяжение и представляют собой гибкие элементы (в очень ред-

ких случаях ванты могут быть жесткими).

Висячие мосты можно классифицировать по следующим крите-

риям:

1 – по назначению моста. Выделяют висячие мосты – железнодорож-

ные, автодорожные, городские, пешеходные, трубопроводные, совмещен-

ные.

2 – по числу пролетов. Различают четыре типа висячих мостов – од-

нопролетные (рис. 1.1), двухпролетные (рис. 1.3, а), трехпролетные (рис.

1.3, б) и многопролетные (рис. 1.3, г).

(Наиболее распространены одно- и трехпролетные системы, которые

наилучшим образом перекрывают водные преграды. Двухпролетные мосты

проектируются редко, когда возможна установка промежуточных опор.

Многопролетные системы не находят применения вследствие большой

длины кабеля, что приводит к значительным температурным деформациям

либо требует установки массивных анкерных опор в середине мостового

перехода.)

3 – по материалу балки жесткости: металлические, железобетонные и

сталежелезобетонные.

4 – по материалу несущей нити:

кабельные висячие мосты, имеют нить, выполненную из канатов или

высокопрочной проволоки;

цепные висячие мосты, нить которых выполнена из прокатного ме-

талла. (С 40-х гг. практически не используется, так как цепь получается

тяжелой и трудоемкой.)

5 – по восприятию распора:

распорные мосты, у которых усилие в оттяжке передается на анкер-

ную опору (рис. 1.1);

внешне безраспорные мосты, у которых распор воспринимается бал-

кой жесткости (рис. 1.3, а, б).

Во внешне безраспорных конструкциях балка работает не только на

изгиб, но и на сжатие, что увеличивает расход материала. Но зато у данных

систем отсутствуют весьма дорогостоящие анкерные опоры.

6 – по распределению нагрузки между нитью и балкой:

Рис. 1.3. Типы и системы висячих мостов

гибкие висячие мосты, у которых изгибная жесткость балки на-

столько мала, что всю нагрузку практически несет гибкая нить, а балка яв-

ляется элементом проезжей части;

комбинированные висячие мосты, у которых временная нагрузка

распределяется между гибкой нитью и достаточно жесткой балкой.

Мосты первого типа в настоящее время практически не строятся, за

исключением легких, как правило, временных переходов. Поэтому термин

«комбинированный» для большинства современных висячих мостов обыч-

но опускается, если имеются в виду мосты этого типа.

Вопрос рационального распределения нагрузки между кабелем и

балкой требует отдельного рассмотрения, так как соотношение осевой же-

сткости кабеля Е

и изгибной жесткости балки ЕI

– весьма важный па-

раметр конструкции (Е

, Е – соответственно модули упругости кабеля и

балки, А

– площадь поперечного сечения кабеля, I

– момент инерции бал-

ки).

7 – по геометрической схеме. На рис. 1.3 приведены наиболее рас-

пространенные типы пролетных строений. Конструкции рис. 1.1, 1.3, а–г

называют классической системой «нить-балка», а конструкции, показан-

ные на рис. 1.3, д–к, относят к системам повышенной жесткости, верти-

кальные прогибы которых в сравнении с системой «нить–балка» меньше

на 30...50 %. Этого добиваются за счет:

применения двух кабелей (система С.А. Цаплина – рис. 1.3, д); при-

крепления кабеля к балке жесткости – рис. 1.3, е, постановки восходящих

(слева) или нисходящих вант – рис. 1.3, ж,

использования наклонных подвесок – рис. 1.3, з; применения обрат-

ного, предварительно напряженного кабеля – рис. 1.3, и,

комбинации различных способов, например, прикрепления к балке

кабеля и наклонных подвесок (рис. 1.3, к).

Все приемы увеличения жесткости однопролетных мостов относятся

в равной мере и к трехпролетным системам. При этом трехпролетные ви-

сячие мосты могут быть с подвешенными и неподвешенными боковыми

пролетами, с разрезной и неразрезной балкой жесткости (рис. 1.3, б, в).

Классификация вантовых мостов также проводится по семи основ-

ным критериям. Первые три из них аналогичны критериям висячих мостов:

по назначению, числу пролетов, материалу балки жесткости. Единственное

отличие в том, что двухпролетные висячие мосты (рис. 1.3, а) практически

не встречаются, а аналогичные вантовые (рис. 1.2, б) – одни из самых рас-

пространенных. Кроме того, вантовые мосты с числом пролетов более

трех, как правило, не строят.

4 – по материалу вант:

мосты с гибкими вантами, изготовленными из канатов; мосты с же-

сткими вантами, выполненными из проката или из канатов с оболочкой из

предварительно напряженного железобетона (см. рис. 1.8, д).

Рис. 1.4. Типы и системы вантовых мостов

5 – по восприятию распора:

– распорные вантовые мосты (обычно однопролетные) – рис. 1.4, а,

б,

– безраспорные, или, как их называют, вантово-балочные мосты, по-

лучили наибольшее распространение в последние 20...30 лет (рис. 1.4, в-ж).

В зарубежной литературе вантово-балочные мосты (двух- и трехпролет-

ные) не без основания именуются символом современного мостостроения.

В английском языке они получили термин cable-stayed bridge в отличие от

висячих мостов, называемых suspension bridge.

6 – по числу плоскостей вант. Этим критерием они отличаются от

висячих мостов, у которых всегда две плоскости. У вантовых мостов встре-

чаются одна или две плоскости вант (рис. 1.4, з).

7 – по геометрической схеме. По этому критерию вантовые мосты

также делятся на две группы:

1) решетчатые вантовые фермы (см. рис. 1.2, а, 1.4, б), имеющие спе-

циально подобранную схему расположения вант, обеспечивающую их по-

стоянную работу на растяжение и геометрическую неизменяемость. Дан-

ные конструкции были весьма распространены в прошлом (особенно в 30-е

гг.), сейчас они не строятся из-за большой трудоемкости и относительно

малых пролетов;

2) вантово-балочные мосты, т. е. конструкции, геометрически не из-

меняемые за счет совместной работы с балкой, предельно простые по схе-

ме и весьма эффективные по расходу материалов и трудоемкости (рис. 1.4,

б-ж).

В зависимости от расположения вант различают вантово-балочные

мосты следующих систем: «пучок», или радиальная (рис. 1.4, б), «арфа»,

или ярусно-параллельная (рис. 1.4, в), «веер», или ярусно-расходящаяся

(рис. 1.4, г), «звезда», или ярусно-сходящаяся (рис. 1.4, д), смешанная сис-

тема, например, «арфа–пучок–веер» (рис. 1.4, е), многовантовая система с

числом вант более 4–5 с одной стороны пилона, как правило, «арфа» или

«веер» (рис. 1.4, ж).

Следует обратить внимание на то, что висячие мосты повышенной

жесткости (рис. 1.3, е-з, к) и вантовые мосты с решетчатыми вантовыми

фермами (рис. 1.2, б; 1.4, б) весьма схожи. Их можно различать по двум

признакам: во-первых, если кабель непрерывный от пилона до пилона и,

во-вторых, если усилие в нем на порядок превышает усилия в наклонных

подвесках или восходящих (нисходящих) вантах, то мост считается вися-

чим (рис. 1.3, е-з). В противном случае, когда пролетное строение состоит

из отдельных вант, усилия в которых одного порядка, мост является ванто-

вым (рис. 1.2, б; 1.4, б).

1.2. Область применения висячих и вантовых мостов,

их достоинства и недостатки

Висячие и вантовые мосты применяются для перекрытия самых

больших пролетов, а также там, где они являются единственно возможны-

ми конструкциями: для преодоления горных ущелий, крупных водных

преград с интенсивным судоходством, сложными гидрологическими и

геологическими условиями, когда затруднено или невозможно

строительство промежуточных опор.

Но в ряде случаев висячие и вантовые мосты успешно конкурируют

с другими системами и в области средних и больших пролетов.

На рис. 1.5 в наглядной форме показаны возможности различных

конструкций. В табл. 1.1 приведены ориентировочные диапазоны пролетов

для висячих и вантовых мостов.

Рис. 1.5. Область применения различных мостов

Таблица 1.1

Рекомендуемые диапазоны пролетов, м

Назначение моста Железнодорожный Автодорожный Пешеход-

ный

Трубопроводный

Висячий 100...1000 500...2000 100...800 100...1500

Вантовый 40...500 100...700 60...800 100...800

Висячие и вантовые мосты обладают рядом неоспоримых достоинств

по сравнению с другими системами:

1) перекрывают сверхбольшие пролеты (500... 1500 м);

2) высоко экономичны, т. е. минимальный расход материалов (или

стоимость) на 1 м

полезной площади моста;

3) возможность применения кабеля и вант для монтажа балки жест-

кости без использования временных опор (рис. 1.6), что существенно со-

кращает трудоемкость и время строительства;

4) обеспечивают разнообразие конструктивных форм (см. рис. 1.1 -

1.4), что определяет архитектурно-эстетические достоинства данных мос-

тов, их современный вид.

Висячие и вантовые конструкции превосходят другие системы по

ряду факторов:

Во-первых, применение высокопрочных материалов. Кабели и ванты

изготавливают из высокопрочной проволоки, и их расчетное сопротивле-

ние R

= 400...600 МПа в 1,5...2,5 раза больше, чем у прокатного металла

=270...295 МПа).

Во-вторых, рациональное использование этих материалов:

кабели и ванты работают только на растяжение, действующее вдоль

оси элемента;

отсутствуют ослабления

поперечных сечений кабеля и

вант, сводятся к минимуму кон-

центрации напряжений в них.

В-третьих, балка жесткости

существенно облегчается за счет

того, что ванты и подвески с ка-

белем можно рассматривать как

промежуточные опоры, пружин-

ного действия: чем больше про-

гиб балки, тем сильнее реакция

этой опоры. Работа балки жест-

кости в этом отношении анало-

гична работе балки на упругом основании.

Совокупность трех рассмотренных факторов по расходу материалов

на пролетное строение дает суммарный эффект в 4...5 раз больше по срав-

нению с другими системами. Сопоставим отношение высоты балки к ее

длине (h/l): для обычной балки, фермы оно порядка 0,1, а для висячих и

вантовых мостов в 10 (!) раз меньше – h/l == 0,01. Это обусловлено дейст-

вием четвертого фактора – балка жесткости практически избавлена от ра-

боты на собственный вес и воспринимает только временную подвижную

нагрузку, и то в составе комбинированного пролетного строения («нить–

балка»), за счет специального порядка монтажа, который обеспечивает пе-

редачу всей постоянной нагрузки на кабель.

На рис. 1.7 показан порядок монтажа: стадия 1 – вывешивание кабе-

ля (рис. 1.7, а); стадия 2 – подвешивание к кабелю через подвески отдель-

ных участков балки жесткости, соединенных между собой шарнирно (рис.

1.7, б). Совершенно очевидно, что подобная гибкая «цепь» не работает на

изгиб от собственного веса балки, который полностью воспринимается ка-

белем. Стадия 3 – заглушение шарниров в балке, приводящее конструкцию

к требуемому состоянию: усилие в кабеле есть, а изгибающие моменты в

балке близки к нулю (рис. 1.7, в). Появляющаяся после этого на мосту вре-

менная подвижная нагрузка распределяется между кабелем и балкой в со-

ответствии с их жесткостями Е

и Еi

Балку жесткости вантовых мостов также можно освободить от вос-

приятия постоянной нагрузки, хотя технологически сделать это гораздо

сложнее. Кроме того, в вантовых системах проводится регулирование уси-

лий в балке жесткости, что значительно уменьшает изгибающие моменты в

Рис. 1.6. Схемы монтажа висячих и

вантовых мостов