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

Подождите немного. Документ загружается.

Наверное, самый популярный мост у поэтов, художников, писателей – дос-

таточно вспомнить стихотворение В.В. Маяковского «Бруклинский мост».

1895 г., Англия, р. Темза – Тауэрский мост-замок, l = 63 м, – своего

рода символ Лондона, его достопримечательность, характерной особенно-

стью которой является сочетание среднего разводного пролетного строе-

ния и двух боковых – висячих.

Третий период – нынешний век – характерен бурным развитием ви-

сячих мостов, использованием достижений науки и техники.

1903 г., США, г. Нью-Йорк, Вильямсбургский мост, l = 488 м.

1930 г., США, г. Детройт, l = 564 м, первый висячий мост, вышедший

на первое место среди всех систем мостов по длине пролета, превзойдя

Квебекский мост пролетом 548 м (металлическая консольно-подвесная

ферма).

1931 г., США, р. Гудзон, l= 1067 м – первый мост, превзошедший

километровый пролет, окончательно закрепивший превосходство висячих

систем.

1937 г., США, г. Сан-Франциско, мост Золотые Ворота, l = 1280 м,

предмет национальной гордости американцев (на праздновании 50-летия

моста в 1987 г. собралось 150 000 человек), получил много призов за кра-

соту, особый эффект от оранжевого кабеля на фоне голубого океана.

1965 г., США, г. Нью-Йорк, мост «Верразано-Нерроуз», l = 1298 м –

последний американский мировой рекорд, оставшийся рекордом Америки.

1981 г., Великобритания, пролив Хамбер, l = 1410 м, на сегодняшний

день – мост № 1 в мире по длине пролета.

Первые висячие мосты в России построены в Петербурге в 1820-

1830-е гг.:

1823 г., пешеходный мостик в Екатерингофском парке пролетом 15,2

м;

1824 г., Пантелеймоновский мост через р. Фонтанку у Летнего сада, l

= 40 м (разобран в 1905 г. после разрушения соседнего Египетского моста

при проходе кавалерийского отряда).

Некоторые пешеходные висячие мостики того периода сохранились

до сих пор: Почтамтский (через Мойку), Банковский и Львиный (через ка-

нал Грибоедова).

1836 г., г. Брест-Литовск, первый в России висячий мост на прово-

лочных канатах, l = 89 м.

1847 г., г. Киев, р. Днепр, четырехпролетный мост, l = 134 м, разру-

шен белополяками в 1920 г.

В XX в. на территории СССР построен ряд висячих мостов весьма

больших пролетов под трубопроводы (р. Амударья, l = 660 м; р. Днепр, l =

720 м) и временный мост пролетом 874 м через Волгу под конвейерную

линию при строительстве ГЭС.

Общие сведения о самых больших висячих мостах мировой практи-

ки, в том числе строящихся, приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Самые большие висячие мосты мировой практики

Страна Город

(место)

Препят-

ствие

Про-

лет,

h/l

Год завер-

шения стро-

ительства

Название моста

Япония о. Хонсю -

о. Сикоку

пролив 1990 1/153 1998 Akashi-Kaikyo (Акаси)

Дания Хальсков -

Спрогё

пролив 1624 1/242 1997 Большой Бельдт

Сянган

(Гонконг)

о. Лантау пролив 1413 – 1997 Tsing Ма (Цзин-Ма)

Велико-

британия

г. Гулль залив

Хамбер

1410 1/313 1981 Humber (Хамбер)

США г. Нью-Йорк р. Гудзон 1298 1/177 1965 Verrazano-Narrows

(Верразано-Нерроуз)

США г. Сан -

Франциско

залив 1280 1/168 1937 Golden Gate (Золотые

ворота)

Швеция Веда-Хорнё пролив 1210 – 1997 Хога Хустен

США Мичиган пролив

Макинак

1158 1/100 1957 Большой Мак

Япония о. Хонсю -

о. Сикоку

пролив 1100 1/85

(ферма)

1988 1) Seto Ohashi (Сето

Охаси) 2) Minami Bisan

Seto (Минами Бисан

Сето)

Турция г. Стамбул пролив

Босфор

1090 – 1988 Фатах Султан Мехмет

Турция г. Стамбул пролив

Босфор

1074 1/358 1973 Босфорский

США г. Нью-Йорк р. Гудзон 1067 1/120 1931 Дж. Вашингтона

Япония о. Хонсю -

о. Сикоку

пролив 1030 1/79

(ферма)

1999 Курусима-З

Япония о. Хонсю -

о. Сикоку

пролив 1020 1/78

(ферма)

1999 Курусима-2

Португа-

лия

г. Лиссабон р. Тахо 1013 1/95 1966 Мост 25 апреля (Винте

э Синко де Абрил)

Велико-

британия

г. Эдинбург залив Форт 1006 1/109 1964 Forth (Фортский мост)

Некоторые сведения о первых вантовых мостах: 1817 г., Англия, пе-

шеходный мост, l = 33,5 м. 1868 г., г. Прага, р. Влтава, l = 146 м, вантовая

ферма. 1909 г., Франция, мост Кассагне, l = 156 м, построен инженером

Жискляром, именем которого названы вантовые фермы (рис. 1.2, б).

Большое внимание строительству мостов с вантовыми фермами уде-

лялось в 1930-1940 гг. в СССР (р. Магана, l = 80м; р. Сурхоб, l = 120 м; р.

Нарын, l = 132 м; р. Заревшан, l = 145 м).

Общие сведения о самых больших в мире вантовых мостах приведе-

ны в табл. 1.3–1.5.

Таблица 1.3

Самые большие двухпилонные вантовые мосты мировой практики

Страна,

место

Название

моста

Пролет,

h/l

Год завер-

шения

стро-

ительства

Материал балки /

пилона

Схема вант

Франция,

р.Танкервиль

Нормандия 856 – 1996 сталь-ж. бетон /

ж.бетон

многован-

товая

Канада,

г. Ванкувер

Annacis 465 1/230 1987 сталежелезобетон

/ бетон

многован-

товая

Япония,

г. Иокогама

Yokohama

Bay

460 1/38

(ферма)

1989 сталь / сталь многован-

товая

Индия,

г. Калькутта

р. Хугли 457 – 1977 сталь / – многован-

товая

Испания,

прол. Леон

Барриос де

Луна

440 1/183 1983 п. н. ж.бетон /

ж.бетон

веер

Япония,

о. Хонсю-

о. Сикоку

Iwagurojima

Hitsushijima

420 1/30

(ферма)

1988 сталь / сталь многован-

товая

Япония,

г. Нагоя

Meiko-Nishi 405 1/145 1985 сталь / сталь веер

Франция,

р. Лаура

Saint-

Nazaire

404 1/126 1976 сталь / – веер

Испания,

г.Виго

Ранде 400 1/167 1977 сталь / – веер

США,

Флорида

Dames Point 396 – 1983 ж.бетон / – многован-

товая

Германия,

г. Дуйбург

Nenenkamp 350 – 1970 сталь / ж. бетон –

Таблица 1.4

Самые большие однопилонные вантовые мосты мировой практики

Страна Город, река Пролет,

h/l

Год завер-

шения стро-

ительства

Материал

балки

Схема вант

СССР,

Россия

г. Ульяновск,

р. Волга

407 1/34

(ферма)

1996 сталь многован-

товая

Германия г.Дюссельдорф,

р.Рейн (Фли)

368 1/97 1978 сталь веер–арфа

Германия г. Дюссельдорф,

р.Рейн (Кние)

320 1/106 1969 сталь арфа

СССР,

Латвия

г. Рига,

р.Даугава

312 1/100 1981 сталь веер

Словакия г. Братислава,

р. Дунай

303 1/67 1971 сталь пучок

Германия г. Кельн, р. Рейн 301 1/66 1960 сталь пучок

СССР,

Украина

г. Киев, р. Днепр 300 1/85 1976 сталь веер

Германия г. Нейвуд, р. Рейн 292 – 1985 – веер

Германия г. Дегенау, р.

Рейн

290 – 1975 – пучок

Германия г. Манхейм,

р. Рейн

287 – 1971 – веер

Для получения более подробных сведений можно порекомендовать

следующие литературные источники: [3, 5, 6, 8, 9, 15, 23].

Висячие и вантовые мосты – это передовой рубеж современного

мостостроения. Дальнейший прогресс идет по четырем направлениям:

1) развитие теории расчета (учет пространственного характера рабо-

ты, сложнейших динамических и аэродинамических процессов; оптимиза-

ция параметров; широкое внедрение моделирования и т. д.);

2) получение новых материалов (полимеров для канатов, сверхпроч-

ных сталей и бетонов) на основе достижений различных наук;

3) разработка новой технологии монтажа кабелей длиной более 2000

м, сооружение пилонов высотой 200 ...250 м, фундаментов при глубине

моря до 100 м, глубине погружения в грунт до 50 м и т. д.;

4) повышение точности геодезических работ, переходящих в астро-

номические (например, пилоны висячего моста Хамбер пролетом 1410 м

имеют за счет кривизны планеты Земля расстояние между вершинами на

36 мм больше, чем между основаниями).

2. ЭСКИЗНОЕ ВАРИАНТНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

ВИСЯЧИХ И ВАНТОВЫХ МОСТОВ

Задача проектирования висячих и вантовых мостов значительно ос-

ложняется отсутствием типовых решений для пролетных строений и опор.

В связи с этим традиционное вариантное проектирование, приемлемое для

большинства конструкций, для этих мостов требует особого подхода.

Общее направление вариантного проектирования следующее: необ-

ходимо для конкретных местных условий эскизно запроектировать ряд ви-

сячих или вантовых конструкций, определить их технико-экономические

показатели и сделать сравнение составленных вариантов с выбором опти-

мального для детальной проработки.

Следовательно, необходимо найти такие методы эскизного расчета

данных конструкций, чтобы, с одной стороны, они были достаточно про-

стыми и нетрудоемкими, а с другой стороны, обладали приемлемой точно-

стью.

2.1. Эскизное проектирование висячих мостов

2.1.1. Схема пролетного строения выбирается на основе анализа мно-

гих факторов: назначения моста и характера временной нагрузки, геологи-

ческих и гидрологических условий, подмостового габарита и т. д. На этом

этапе необходимо определить: число пролетов; тип пролетного строения

(распорный или безраспорный); схему конструкции (система с вертикаль-

ными подвесками или повышенной жесткости – см. рис. 1.3).

С выбором числа пролетов фактически прояснится величина главно-

го пролета l – важнейшая характеристика, которая во многом будет опре-

делять ход дальнейшего проектирования. Для контроля величины l следует

посмотреть табл. 1.1.

2.1.2. Выбор типа балки жесткости заключается в определении мате-

риала (металл или сталежелезобетон) и конструкции поперечного сечения

(двутавровое или коробчатое, общая или раздельная балка жесткости и

т. д.). При этом необходимо учесть величину главного пролета l, интенсив-

ность временной нагрузки v и габарит проезжей части В.

В качестве общих рекомендаций можно высказать следующие сооб-

ражения. Применение сталежелезобетона для висячих мостов целесообраз-

но при относительно небольших пролетах (до 200...300 м) и тяжелой на-

грузке: железнодорожной (удобно для устройства езды на балласте) или

автомобильной типа АБ [1]. В остальных случаях, как правило, металличе-

ские балки или фермы жесткости оказываются предпочтительнее.

Для сравнительно нешироких мостов (В до 6...7 м) можно рекомен-

довать раздельные балки жесткости (рис. 1.12, а, б). При увеличении ши-

рины моста (В = 8... 12 м) больше подходят коробчатые балки (рис. 1.12, в,

г). Для мостов более широких (В > 15 м) целесообразны коробчатые конст-

рукции с большой крутильной жесткостью (рис. 1.12, д, е) или составлен-

ные из нескольких секций.

2.1.3. Выбор типа пилона заключается в определении материала (же-

лезобетон или сталь), конфигурации (рис. 1.9; 1.10) и сечения его стоек

(рис. 1.11). Некоторые общие рекомендации изложены выше в п. 1.3.4.

Кроме того, следует иметь в виду, что одно-, двухстоечные пилоны приме-

нимы при высоте до 10...15 м и относительно легкой нагрузке. На этом же

этапе решается вопрос взаимного пересечения балки жесткости и пилона

(см. п. 1.3.4).

2.1.4. Назначение генеральных размеров пролетного строения. Обра-

тим внимание, что речь идет именно о назначении размеров, т. е. о некото-

ром инженерном решении, основанном на опыте предыдущего проектиро-

вания. Для висячих мостов генеральные размеры конструкции можно на-

значать в следующих пределах (см. рис. 1.1; 1.3):

длина бокового пролета для трехпролетных систем (рис. 1.3, б)

=(0,25...0,4)l,

стрела провисания кабеля f=(1/12...1/8)l, f

=(l

/l)

высота пилона Н

пл

= f+ (2...5) м или Н

пл

= f (для схемы по рис. 1.3,

е,к), для системы рис. 1.3, Н

пл

= f+ (10...15) м;

угол наклона оттяжки а = 30...50° определяется местными условиями

и соотношением Н

пл

для трехпролетных мостов;

высота балки жесткости h назначается в соответствии с графиком на

рис. 2.1, а;

ширина стойки пилона по фасаду моста b

=(1/20...1/30)Н

пл

Несколько сложнее дать рекомендации для определения длины пане-

ли d, так как эта величина зависит от l, интенсивности нагрузки и ширины

габарита. Увеличение d приводит к сокращению числа узлов, но при этом

возрастает усилие в подвесках и существенно утяжеляется проезжая часть,

которая воспринимает местную нагрузку.

На уровне разработки вариантов приемлемы диапазоны: для железо-

бетонной балки жесткости d = 5...8 м, для металлической d = 10...20 м.

Как видно из вышеизложенного, первые четыре шага (пп. 2.1.1 –

2.1.4) выполняются достаточно произвольно на основе инженерного опы-

та.

Рис. 2.1. Высота балки жесткости: а – висячих мостов; б – вантовых мостов

Последующие этапы эскизного проектирования более алгоритмизированы

и привычны.

2.1.5. Эскизное проектирование проезжей части ставит своей целью

определение величины постоянной и временной нагрузок, приходящихся

на 1 м моста вдоль фасада (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Схема определения интенсивности постоянной р и временной v нагрузок

на 1 м висячего пролетного строения с двумя плоскостями вант или кабелей:

1 – балка жесткости; 2 – поперечная балка; 3 – продольная балка;

4 – ортотропная плита; 5 – дорожное покрытие или балласт

Сначала необходимо расставить поперечные и продольные балки,

увязав их шаг с ранее принятыми размером d и конструкцией балки жест-

кости. Продольные балки следует располагать с учетом положения полос

движения транспорта.

На рис. 2.3 показаны два возможных варианта расстановки продоль-

ных и поперечных балок для раздельных и общих балок жесткости.

Система обозначений: l

, l

– соответственно пролет поперечной и

продольной балок; р

, р

– соответствующая постоянная нагрузка на 1 м

балок; v

, v

– интенсивность временной нагрузки.

Предлагается в большинстве случаев рассматривать расчетную схе-

му продольной и поперечной балок как балок на двух опорах, что сущест-

венно упростит эскизные расчеты и даст некоторый запас прочности.

Рис. 2.3. Схемы проезжей части: 1 – поперечные балки; 2 – продольные балки;

3 – балка жесткости; 4 – полоса проезжей части, приходящаяся на поперечную балку,

5 – полоса проезжей части, приходящаяся на продольную балку; 6 – ортотропная плита

Для эскизного расчета продольные и поперечные балки загружаются

равномерно нагрузкой (р

+ v

) или (р

+ v

) (рис. 2.3).

Интенсивность постоянной нагрузки складывается из трех состав-

ляющих: q

– от дорожного покрытия или балласта; q

– от веса орто-

тропной или железобетонной плиты проезжей части; q

– от собственного

веса соответствующей (продольной или поперечной) балки. Индекс «н»

служит напоминанием, что сначала собирается нормативная нагрузка.

Площадь сбора нагрузки для продольной и поперечной балок выде-

лена штриховкой под цифрами 4 и 5 (см. рис. 2.3), двойной штриховкой

показана полоса шириной 1 м для получения соответствующей интенсив-

ности постоянной нагрузки при загружении балок (4' и 5').

Определение величин q

с соответствующих полос 4' и 5' можно

вести, приняв массу 1 м

площади балласта равной 0,9 т, дорожного по-

крытия – 0,2...0,25 т, покрытия пешеходных мостов – 0,12...0,15 т.

Далее находится величина q

по аналогичным площадям 4' и 5'. Для

этого следует назначить условные размеры: ортотропной плиты – 20...25

мм (с учетом ребер), железобетонной плиты – 250...300 мм (для пешеход-

ных мостов на 30...40% меньше).

Собственный вес продольной и поперечных балок q

в первом при-

ближении можно подсчитать, приняв их размеры в соответствии с величи-

нами h

и h

(см. рис. 2.3), а толщину стенок с учетом ребер жесткости и

связей назначив равной толщине плиты проезда. Для иллюстрации порядка

эскизного проектирования проезжей части рассмотрим конкретный при-

мер: висячий мост под три полосы тяжелой автомобильной нагрузки АБ-51

[1] пролетом 100 м. Примем по изложенным выше рекомендациям короб-

чатую металлическую балку жесткости (см. рис. 2.3, б) со следующими па-

раметрами: ширина верхнего листа – 18,0 м (при двух тротуарах по 1,5 м),

ширина нижнего листа – 10,0 м, высота стенки – 3,0 м, толщина всех

элементов – t = 0,025 м.

Шаг поперечных балок, работающих с пролетом l

= 15,0 м, принят

= 2,0 м. Размеры поперечного сечения: высота h

= 1,5м, нижний лист b

= 0,4 м, толщина элементов t

= 0,02 м. Шаг продольных балок a

= 3,75 м,

пролет l

= 2,0 м, размеры поперечного сечения: высота h

= 0,6 м, ширина

нижнего листа b

= 0,3 м, толщина элементов t

= 0,012 м.

Размеры площадей, обозначенных на рис. 2.3, б цифрами: 4– 30,0 м

(15,0·2,0); 5- 7,5 м

(2,0·3,75); 4' -2,0 м

(2,0·1,0); 5'-3,75 м

(3,75·1,0).

Далее определяем интенсивность нормативной нагрузки q

на 1 м со-

ответствующих балок. Для продольной балки:

от веса асфальтового покрытия

1б

= 0,25·9,8·3,75 = 9,2 кН/м

(g=9,8 м/с

– ускорение свободного падения для перехода от массы

элементов к усилиям от их веса: F = mg),

от веса ортотропной плиты

= 0,025·3,75·7,85·9,8 = 7,2 кН/м (7,85 т/м

– плотность стали);

от собственного веса балки

= 0,012(0,6+0,3)7,85·9,8 = 0,83 кН/м.

Для поперечной балки:

1п

= 0,25·9,8·2,0 = 4,9 кН/м;

2п

= 0,025·2,0-7,85-9,8 = 3,8 кН/м;

3п

= 0,02(1,5+0,4)7,85-9,8 = 2,9 кН/м.

Несколько сложнее вопрос, связанный с загружением продольных и

поперечных балок временной нагрузкой, ибо многое здесь зависит от сте-

пени ответственности сооружения. В курсовом и дипломном проектирова-

нии вполне допустимо поместить временную нагрузку (полосы равномер-

но распределенной нагрузки СК или АК, сосредоточенную нагрузку типа

тележки АК, НК или АБ) в наиболее опасное положение относительно

продольной и поперечной балок и разделить ее величину на всю заштри-

хованную площадь 5 и 4 (см. рис. 2.3), определив тем самым ее интенсив-

ность на 1 м

поверхности моста для продольной (q

vб

) и поперечной (q

vп

)

балок.

Отметим, что на площади 5 можно разместить одну заднюю ось ав-

томобиля АБ-51 с нагрузкой на ось 333 кН, а на площади 4 – три задних

оси. Находим интенсивность нормативной временной нагрузки для про-

дольной и поперечной балок:

vб

= 333/7,5 = 44,4 кН/м

; q

vп

= 3·333/30 = 33,3 кН/м

После этого можно определить интенсивность q

временной нагруз-

ки на 1 м соответствующих балок, «собирая» ее аналогично постоянным

нагрузкам с площадей 4' и 5':

4б

= q

vб

= 44,4·3,75 = 166,5 кН/м;

4п

= q

vп

= 33,3-2,0 = 66,6 кН/м.

Таким образом, можно в окончательном виде получить интенсив-

ность расчетной постоянной и временной нагрузок, действующих на про-

дольную (индексы «б») и поперечную (индексы «н») балки (см. рис. 2.3)

путем суммирования всех q

с соответствующими коэффициентами:

(р

+ v

) =

1б

2б

+ q

3б

) +

(1+

4б

(2.1)

(р

+ v

) =

1п

2п

+ q

3п

) +

(1+

4п