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

Подождите немного. Документ загружается.

ней (см. подразд. 3.4).

Более широкому распространению висячих и вантовых мостов пре-

пятствует ряд их неотъемлемых недостатков, вытекающих из их досто-

инств:

Рис. 1.7. Стадии монтажа висячих мостов

1. Малая вертикальная жесткость.

2. Малая горизонтальная жесткость, что является следствием суще-

ственного увеличения пролета при достаточно малой ширине мостов В,

особенно пешеходных и железнодорожных. Поэтому отношение В/l у ви-

сячих и вантовых мостов доходит до 0,02...0,01, что на порядок меньше

аналогичной величины у других мостов (В/l = 0,1..0,15).

3. Повышенная чувствительность к динамической и ветровой на-

грузке, что вытекает из первых двух недостатков. При возрастании пролета

l отношения h/l и В/l уменьшаются настолько, что можно балку жесткости

висячего или вантового моста сравнить с натянутой струной, весьма чувст-

вительной к любым колебаниям.

4. Значительный расход бетона на сооружение анкерных опор.

1.3. Основные элементы пролетных строений,

их конструкция и материалы

1.3.1. Кабели висячих мостов могут быть двух типов: из витых ка-

натов (рис. 1.8, а-в) и из параллельных проволок (рис. 1.8, г). В практике

мостостроения наибольшее распространение получил первый тип кабеля,

т.е. из канатов заводского изготовления.

Исходный материал для формирования обоих типов кабеля – высо-

копрочная стальная проволока диаметром 2,5...7 мм с пределом прочности

1000...1800 МПа. В процессе производства проволоку подвергают терми-

ческой и холодной (волочение) обработке, что придает ей высокие механи-

ческие свойства. Одновременно на проволоку наносят антикоррозионное

покрытие, чаще всего цинковое.

Сейчас выпускаются канаты трех видов:

1. Витые спиральные канаты одинарной свивки (рис. 1.8, а), образо-

ванные из проволок, оси которых имеют в пространстве форму простой

спирали, навитой вокруг центральной проволоки. Выпускаются в соответ-

ствии с ГОСТ 3062-80, 3063-80, 3064 – 80, максимальный диаметр 27 мм,

=(1,5...1,7)10

МПа. Вследствие малого диаметра и невысокой несущей

способности (до 960 кН) данные канаты рационально использовать в мос-

тах небольших пролетов.

2. Витые спиральные канаты двойной свивки (многопрядные) (рис.

1.8, б), которые формируют из спиральных канатов небольшого диаметра

(прядей). Одна прядь (сердечник) располагается в центре, а остальные по

спиральным линиям. Модуль упругости многопрядных канатов ниже, чем

у спиральных: Е

= (1,3... 1,5) 10

МПа, выпускаются согласно ГОСТ 3067-

88, 3068-88, 3081-80, максимальный диаметр 45,5 мм.

Многопрядные канаты имеют много пустот между проволоками и

прядями, что позволяет им распрямляться при натяжении и увеличивает их

деформативность (Е

– min). Кроме того, образуется большая поверхность

проволок, подверженная атмосферным воздействиям. Поэтому для проек-

тирования новых мостов действующий СНиП [1, п. 4.4] многопрядные ка-

наты не рекомендует. Хотя при условии предварительной вытяжки данные

канаты весьма большой несущей способности (до 3800 кН) могут быть

применены для временных сооружений [5].

3. Закрытые канаты по ГОСТ 3090-73, 7675-73, 7676–73, которые

формируют с использованием в нескольких наружных слоях фасонных

проволок клиновидного и Z-образного сечения (рис. 1.8, в). Закрытые ка-

наты обладают более плотной структурой, слои из фасонной проволоки

практически исключают доступ влаги и агрессивных веществ внутрь кана-

та; гладкая поверхность облегчает монтаж и защиту от коррозии, Е

(1,6...1,8)10

МПа, максимальный диаметр до 70 мм, несущая способность

до 5000 кН.

Для увеличения Е

канаты всех типов предварительно вытягивают на

стенде усилием 50...60 % от разрывного, чтобы за счет снятия неупругих

деформаций, уплотнения прядей эта величина стабилизировалась на уров-

не (1,75. ..1,85)10

МПа. Для невытянутых канатов полная относительная

деформация ползучести составляет 1,5...2,0 мм на 1 м, а для вытянутых

канатов – уменьшается до 0,3...0,5 мм [5].

В висячих мостах особо больших пролетов (700... 1400 м) применяют

кабель из параллельных проволок (рис. 1.8, г), уложенных по схеме

1+6+12+18... с увеличением числа проволок в каждом последующем слое.

По длине кабеля через 3...5 м пучки обвязывают оцинкованной проволокой

диаметром 1,5 мм.

За счет отсутствия раскручивания кабели из параллельных проволок

обладают высокой продольной жесткостью (Е

достигает 2·10

МПа). Так

как проволоки расположены по линиям, повторяющим очертание оси ка-

беля, в них не возникает дополнительных напряжений, как в витых кана-

тах, что позволяет лучше использовать прочность проволок. По этой же

причине в местах заделки пучков в анкерные стаканы усталостная проч-

ность выше, чем у канатов.

1.3.2. Ванты могут быть двух видов: гибкими или жесткими. Гиб-

кие ванты изготовляют аналогично кабелям висячих мостов из спираль-

Рис. 1.8. Конструкции состав-

ляющих элементов кабелей и

вант: а – спиральные канаты

одинарной свивки;

б – многопрядные канаты;

в – закрытые канаты;

г – параллельные проволоки;

д – жесткие ванты;

е – анкер заливной,

цилиндрический

ных, многопрядных или закрытых канатов или из параллельных проволок

(рис. 1.8, а-г).

Учитывая прямолинейность вант, наиболее рационально их проекти-

ровать из пучков параллельных проволок (см. п. 1.3.1).

Жесткие ванты представляют собой либо стальные стержни большо-

го диаметра, либо канаты или пучки проволоки, окруженные железобетон-

ной оболочкой (рис. 1.8, д). Для устранения трещин в бетоне его предвари-

тельно напрягают так, чтобы при любых значениях растягивающего уси-

лия в ванте он оставался сжатым. Жесткие ванты наиболее целесообразны

в железнодорожных мостах, они имеют большую осевую жесткость ЕА

что уменьшает вертикальные прогибы.

1.3.3. Важнейшей частью кабеля и ванты являются концевые креп-

ления или анкеры, которые обеспечивают взаимосвязь канатных элемен-

тов с другими частями сооружения – пилонами, балками жесткости, фун-

даментами. В настоящее время широко распространены анкерные стаканы

с цилиндрической или конической полостью, в которой расплетенный ко-

нец каната заливается сплавом цветных металлов (рис. 1.8, е).

1.3.4. Пилоны висячих и вантовых мостов проектируются

железобетонными или металлическими.

Опыт проектирования и строительства мостов показывает, что в об-

щем случае можно рекомендовать при пролетах более 300...350 м металли-

ческие пилоны, а при меньших пролетах чаще всего экономичнее оказы-

ваются пилоны из железобетона. Преимущество металлических пилонов –

в индустриальности изготовления

и удобстве монтажа. Железобе-

тонные пилоны могут быть сбор-

ными из готовых блоков или

монолитными.

Пилоны могут быть гибки-

ми (рис. 1.9, а) или жесткими

(рис. 1.9, б) по их работе вдоль

оси моста. Жесткие пилоны не

имеют широкого распростране-

ния, поэтому далее рассматрива-

ются только гибкие пилоны.

В редких случаях по архи-

тектурным соображениям возво-

дят пилоны, наклоненные в сто-

Рис. 1.9. Вид пилонов с фасада моста

рону реки или берега, например, известный мост в г. Братиславе (Слова-

кия).

Гораздо разнообразнее конструкция пилонов в поперечном сечении

моста (рис. 1.10). Выбор той или иной схемы определяется тремя фактора-

ми: длиной пролета (а следовательно, высотой пилона и величиной усилия

в нем), шириной моста, количеством плоскостей вант.

Простейшими схемами пилонов являются одностоечные (рис. 1.10, а)

и двухстоечные (рис. 1.10, б), которые применимы при небольших длинах

пролетов.

При увеличении пролета и ширины моста основу пилонов составляет

рама, имеющая значительно большую устойчивость. Различают П-

образные – с вертикальными

стойками (рис. 1.10, в, г) и А-образные

Рис. 1.10. Вид пилонов в поперечном сечении моста

– с наклонными стойками (рис. 1.10, д, е) пилоны, которые имеют множе-

ство модификаций. В последние годы в области проектирования пилонов

отмечается поиск новых форм повышенной архитектурной выразительно-

сти (рис. 1.10, ж, з).

Поперечные сечения стоек пилонов определяются, в основном, мате-

риалом и действующими в нем усилиями. Для железобетонных пилонов

характерны прямоугольные сплошные или двутавровые (для малых проле-

тов – рис. 1.11, а, б) сечения. В мостах больших пролетов стойки железобе-

тонных и металлических пилонов выполняют коробчатого сечения (рис.

1.11, в, г).

Для обеспечения общей и местной устойчивости элементов металли-

ческих пилонов ставятся поперечные диафрагмы и продольные ребра (рис.

1.11, г). Внутри пустотелых стоек пилонов размещают лестницы или лиф-

ты для обследования конструкций.

Рис. 1.11. Поперечные сечения стоек пилонов

Для небольших пешеходных и трубопроводных мостов целесообраз-

ны стойки пилонов из стальных труб, обладающих малой металлоемко-

стью и хорошей обтекаемостью.

При стремлении к наиболее полному использованию расчетных со-

противлений материалов по всей высоте пилона его поперечное сечение

проектируют переменным по высоте, уменьшающимся снизу вверх. Это

особенно целесообразно для вантовых мостов, имеющих прикрепление

вант в различных по высоте точках пилона (см. рис. 1.4, в-ж).

Важный узел – пересечение пилона с балкой жесткости. Для двух-

стоечных и П-образных пилонов наиболее характерно расположение стоек

с двух сторон балки жесткости (рис. 1.10, б, г). В этом случае на подфер-

менную площадку опираются как балка жесткости, так и стойки пилона.

Для А-образных пилонов часто применяют опирание балки жестко-

сти на ригель пилона (рис. 1.10, д, е) – это придает мосту воздушность:

балка жесткости при виде на фасад как бы парит над массивной опорой, не

касаясь ее.

В редких случаях, при небольшой нагрузке, пилон может опираться

на балку жесткости, которая передает это давление через свои опорные

части на опору (рис. 1.10, а).

В большинстве случаев стойки пилонов жестко защемляют в конст-

рукции опоры или балки жесткости. Шарнирное опирание стоек чаще ис-

пользуют при их монтаже с последующим заглушением шарниров. Но при

этом необходимо иметь в виду, что жесткая заделка стоек пилонов приво-

дит к увеличению изгибающих моментов в их основании, что не всегда ра-

ционально по расходу материалов.

1.3.5. Балки жесткости в висячих и вантовых мостах выполняют

несколько важнейших функций: непосредственно воспринимают времен-

ную нагрузку и усилия от нее передают на кабель или ванты; работают в

составе всей висячей (вантовой) системы, увеличивая ее жесткость в вер-

тикальной плоскости; воспринимают распор во внешне безраспорных

конструкциях; изгибаются под действием поперечных горизонтальных

нагрузок и передают их на опоры.

Балки работают на изгиб и сжатие (растяжение) от вертикальной и

горизонтальной нагрузок, на кручение от внецентренно приложенной на-

грузки и от аэродинамических воздействий.

По виду материалов балки жесткости проектируют металлически-

ми, железобетонными и сталежелезобетонными (рис. 1.12, 1.13). Для вися-

чих мостов целесообразны металлические балки, как более легкие, что

приводит к снижению веса кабеля, пилонов и анкерных опор.

Для вантовых мостов чаще применяют, особенно при пролетах

100...250 м, железобетонные балки, которые хорошо воспринимают боль-

шие сжимающие усилия от вант (рис. 1.13). Но при пролетах 250...450 м,

как правило, более экономичными оказываются металлические балки. Что

касается сталежелезобетонных балок жесткости, то в последнее время они

завоевывают все большее признание: для висячих мостов – в целях эконо-

мии металла; для вантовых мостов – как более технологичная конструкция

по сравнению с железобетонной и не уступающая ей по жесткости (рис.

Рис. 1.12. Конструкции металлических и сталежелезобетонных балок жесткости:

1 – плоскость вант (кабеля); 2 – поперечные балки

1.12, б).

По характеру работы в составе пролетного строения балки можно

классифицировать на раздельные и общие (см. рис. 1.12). Раздельные бал-

ки представляют собой элементы, расположенные в нескольких плоскостях

и объединенные поперечными балками небольшой жесткости (рис. 1.12, а-

в). Вместе с плитой проезжей части они образуют открытые снизу конст-

рукции с относительно малой крутильной жесткостью.

Общая балка жесткости (рис. 1.12, г-е) представляет собой единый

элемент, поддерживаемый вантами или подвесками и обладающий

большой крутильной жесткостью. Балка данного типа работает как про-

странственная конструкция в отличие от раздельных балок, работающих в

одной плоскости.

Общая балка жесткости может состоять из сплошностенчатых балок

или ферм, объединенных в пространственную конструкцию не только ор-

тотропной плитой проезжей части, но и нижними продольными связями

или нижней ортотропной плитой (рис. 1.12, д).

Рис. 1.13. Конструкции железобетонных балок жесткости:

1 –плоскости вант (кабеля); 2–консольная балка-диафрагма;

3–распределительная ферма

Ортотропная плита обычно состоит из листа настила, продольных

ребер и поперечных балок. Кроме функций проезжей части (восприятие

местной временной нагрузки от колес или гусениц и передача ее главным

балкам) ортотропная плита выполняет также функции верхнего пояса бал-

ки жесткости и верхних продольных связей.

На рис. 1.12, д показана конструкция с двумя ярусами проезжей час-

ти (один автомобильный, другой – железнодорожный), что находит при-

менение в висячих мостах сверхбольших пролетов (более 800...1000 м).

Решение вопроса аэродинамической устойчивости мостов больших

пролетов привело к использованию коробчатых балок улучшенной обте-

каемости (рис. 1.12, е) и замене балок со сплошной стенкой на фермы же-

сткости (например, в конструкции, показанной на рис. 1.12, д, целесооб-

разно применить фермы, учитывая большую высоту элемента).

Железобетонные балки жесткости также можно разделить на два ти-

па – раздельные (рис. 1.13, а) и общие (рис. 1.13, б). Но, кроме того, их

подразделяют еще на четыре класса по характеру передачи усилий от вант

или подвесок на балку жесткости [5].

С этой точки зрения, более простыми являются конструкции, у кото-

рых плоскости вант (кабеля) совпадают с осями главных балок – класс А

(рис. 1.13, а) или со стенками балки жесткости – класс Б (рис. 1.13, б).

Сложнее обстоит дело с конструкциями, у которых плоскость вант

(кабеля) не совпадает с осями главных балок и стенок: класс В (рис. 1.13,

б) и класс Г (рис. 1.13, г). В этих случаях требуется устройство дополни-

тельных элементов – жестких консольных балок-диафрагм (рис. 1.13, в)

или распределительных ферм (рис. 1.13, г).

Подробнее с конструкциями кабелей, вант, подвесок, пилонов и ба-

лок (ферм) жесткости можно ознакомиться в разд. 5 и ряде литературных

источников [2, 4, 5, 6, 11, 13, 17, 31, 33, 34].

1.4. Краткий исторический очерк развития

висячих и вантовых мостов

Идея применения гибких растянутых элементов растительного про-

исхождения (лианы, бамбук) для перекрытия рек и ущелий возникла, оче-

видно, на заре человеческого общества. Достаточно достоверные истори-

ческие данные свидетельствуют о постройке таких мостов в Древнем

Египте, Юго-Восточной Азии, Центральной и Южной Америке.

Переход от примитивных конструкций висячих мостов к современ-

ным системам относится к XVII–XVIII вв. и связан с именами Веррантиуса

(Испания), Пойе (Франция) и Финлея (Англия), который получил на свою

висячую систему патент.

Первый период развития висячих мостов, относящийся к XVIII в.,

представлен небольшими цепными мостиками:

1741 г., Англия, р.Тисе, пролет l= 21 м,

1785 г., Германия, р. Лаан, пролет l = 38 м,

1796 г., США, l = 29 м и др.

Второй период – XIX в. – характерен широким внедрением новых

материалов (чугуна, стали), что дало мощный импульс развитию висячих

мостов.

К 1809 г. в Америке было построено около 40 висячих мостов. В

1814 г. в Лондоне сооружен пешеходный мостик пролетом 32 м, цепи ко-

торого составлены из плоских звеньев, соединенных болтами. В 1816 г.

впервые цепь была заменена проволочным кабелем.

1820 г., Англия, р. Твид, l = 110 м – первый висячий мост под эки-

пажную езду.

1834 г., в г. Фрейбурге французскими инженерами построен один из

выдающихся мостов Европы пролетом 265 м. Мост чрезвычайно живопи-

сен, он буквально парит над горной долиной.

1883 г., США, Нью-Йорк, Бруклинский мост, l = 486 м, позволил

почти вдвое увеличить мировой рекорд по величине пролета. Пример под-

линно монументального сооружения: эффект контраста массивных камен-

ных пилонов и ажурной паутины кабелей, вант, подвесок (три плоскости).