Соловьев Б.В. Расчет и проектирование пролетного строения балочного разрезного железобетонного моста

Подождите немного. Документ загружается.

При пересечении магистральных улиц и дорог в двух уровнях с железными

дорогами высотный габарит принимается от уровня головки рельса до низа про-

летного строения.

1.3. Судоходные требования и подмостовые габариты

В мостах через многоводные реки различают две характерные части: речную,

расположенную над основным руслом, и пойменную, перекрывающую участки,

затапливаемые высокими водами. Пролеты для пропуска судов располагают в ос-

новном русле над судовым ходом (фарватером) реки так, чтобы опоры моста не

стесняли движения судов. Количество и размер судоходных пролетов определя-

ются требованиями

судоходства в виде специально разработанных подмостовьгх

габаритов.

Подмостовым судоходным габаритом называют минимальные предельные по-

перечные очертания пространства под пролетным строением моста, которое

должно оставаться свободным для беспрепятственного пропуска судов и плотов.

Внутрь этого габарита не должны вдаваться никакие элементы моста и располо-

женные на нем устройства, включая навигационные знаки.

зависимости от глубины судового хода водного пути на реках все они разде-

лены на семь классов и для каждого из них установлены подмостовые габариты

по ГОСТ 26775-85.

Очертания и размеры подмостовых габаритов судоходных неразводных и раз-

водных пролетов мостов в зависимости от класса внутреннего водного пути долж-

ны соответствовать указанным в

нормах. При этом надводную высоту подмосто-

вого габарита

h следует отсчитывать от расчетного (высокого) судоходного уров-

ня (РСУ), а гарантированную глубину судового хода

d – от низшего (меженного)

судоходного уровня воды (НСУ). Если по гарантированным и средненавигацион-

ным глубинам судового хода участок водного пути относится к разным классам,

то его следует относить у более высокому из этих классов.

Положение элементов моста над уровнем воды и ледохода на несудоходных и

не сплавных водотоках, а также в

несудоходных пролетах мостов на судоходных

водных путях следует определять в зависимости от местных условий и выбранной

схемы моста. Возвышение низа пролетных строений над расчетным уровнем с

учетом подпора и волны в этих мостах должно быть не менее 0,5 м, а над уровнем

наивысшего ледохода – не менее 0,75 м. При наличии на реке карчехода

или селе-

вых потоков возвышение низа пролетных строений принимают не менее 1 м.

1.4. Железобетонные конструкции мостов, путепроводов малых и средних

пролетов

В городских условиях строится большое количество мостов и путепроводов с

применением пролетов малой и средней величины. Наиболее эффективными кон-

струкциями для них являются разрезные и неразрезные железобетонные балки.

Для искусственных сооружений с пролетами до 30-40 м наиболее целесооб-

разно применение разных балок, которые поддаются максимальной индустриали-

зации и унификации. На все виды

железобетонных балок пролетных строений

разработаны типовые проекты (до 42 м включительно).

Пролетные строения железобетонных балочных мостов, путепроводов и эста-

кад можно разделить на следующие группы (рис. 1.6):

а – пролетные строения длиной 6-18 м из разрезных сборных овальнопустотных

плит, армированных стержневой или канатной, проволочной предварительно на-

пряженной арматурой [2];

б и в – пролетные строения из сборных

цельноперевозимых балок длиной 10, 12,

15 и 18 м П-образного или таврового сечений с обычной арматурой в виде двух

сварных каркасов с отгибами [2] или предварительно напряженной арматурой;

г – сборные балки таврового сечения, армированные сварными каркасами [2] с от-

гибами;

д – сборные балки двутаврового сечения для пролетов 12, 15, 18, 21, 24 и 33 м,

армированные предварительно напряженными пучками с внутренними

анкерами,

с натяжением арматуры на упоры.

Рис. 1.6. Конструкции сборных железобетонных пролетных строений:

а) разрезные балки П-образного сечения с диафрагмами;

б) то же, таврового сечения;

в) разрезные балки таврового сечения без диафрагм;

г) то же, двутаврового сечения; д) пустотелые плиты

Пространственная работа пролетного строения сооружения с применением пе-

речисленных выше сборных балок обеспечивается сваркой накладками по заклад-

ным деталям или омоноличиванием выпусков арматуры из полок балок.

Основными при проектировании и строительстве малых и средних мостов и

путепроводов является максимальная индустриализация, дальнейшее все более

широкое применение железобетона, внедрение поточного способа организации

строительства из элементов максимальной заводской готовности.

Главная задача проектировщиков заключается в том, чтобы заменить затяжной

и трудоемкий строительный процесс монтажным. Технический прогресс в мосто-

строении определяется поиском новых конструктивных решений пролетных

строений и опор, выполненных, как правило, из железобетона.

2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ МОСТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

2.1. Вариантное проектирование

Проектирование путепровода начинается с выбора наиболее целесообразного

варианта как самой конструктивной схемы сооружения, так и конструкций про-

летных строений, фундаментов и опор. Обычно составляют три-четыре схемы, а

для сложных городских мостов и путепроводов – гораздо больше.

Варианты схемы путепровода должны быть сопоставимы, для чего следует ру-

ководствоваться следующими правилами:

– варианты

составляют для одного и того же расположения путепровода на

одной и той же трассе;

– длина путепровода, габарит проезжей части и ширина тротуаров должны

быть одинаковы для каждого варианта;

– пролетные строения, опоры и фундаменты должны быть рассчитаны на одни

и те же нагрузки;

– для конструкций каждого из сравниваемых вариантов сооружения

должны

быть приняты наиболее прогрессивные и экономичные технологии изготовления

и монтажа;

– схемы вариантов должны быть увязаны с возможностями и опытом органи-

зации, которая будет строить сооружение.

Комплексным показателем для оценки экономической эффективности вариан-

тов являются приведенные затраты, определенные с учетом стоимости сооруже-

ния по смете, продолжительности и трудоемкости строительства, эксплуатацион-

ных расходов, капиталовложений в производственную базу по изготовлению кон-

струкций, на приобретение монтажных и транспортных средств, изготовление ос-

настки.

Для обеспечения сравнимости все технико-экономические показатели по вари-

антам относят на единую расчетную единицу измерения – на 1 м

ездового полот-

на с тротуарами.

Длина путепровода в целом определяется как расстояние между задними гра-

нями устоев по продольной оси моста. Расчетную ширину определяют по форму-

ле

Г 2C

+ Т,

где Г –

ширина ездового полотна, равная расстоянию между бордюрами; Т – ши-

рина тротуаров с бордюрами; С – ширина разделительной полосы, м.

Для комплексной оценки рассчитываемых вариантов помимо основного пока-

зателя приведенной стоимости 1 м

путепровода определяют дополнительные

технико-экономические показатели:

– трудоемкость сооружения, чел.-дни/м

;

– материалоемкость, т/м

, в том числе металлоемкость основных конструкций;

– удельный расход цемента, т/м

;

– коэффициент сборности – отношение объема сборных конструкций ко всему

объему конструкций сооружения;

– механооснащенность строительства – отношение эксплуатационных затрат

на машины и механизмы, применяемые в строительстве, к стоимости строитель-

ства путепровода;

– масса 1 м

сооружения, т.

Дополнительные показатели определяются по данным разрабатываемых про-

ектов организации строительства (ПОС) при двухстадийном и проектов произ-

водства работ (ППР) при одностадийном проектировании. Для экономических

расчетов при сравнении вариантов из материалов ПОС (ППР) должны быть из-

вестны: источники поступления конструкций и материалов; трудоемкость строи-

тельства, среднегодовая численность рабочих, требуемый

машинный парк и

транспортные средства, сроки начала и окончания строительства, необходимость

возведения временных зданий и сооружений.

Трудоемкость должна быть определена с учетом затрат труда в сфере промыш-

ленного производства, при транспортировке и на строительно-монтажных работах

непосредственно при возведении путепровода. Усредненные нормативы трудовых

затрат по подсобному производству и транспорту, укрупненные расценки

, нормы

затрат труда, машино-смен механизмов и оборудования на строительство опреде-

ляют по СНиП, каталогам ЕРЕР, а также ЕНиР, ВНиР с учетом накладных расхо-

дов и плановых накоплений. Эти данные используют при определении стоимости

вариантов и составлении календарных и сетевых графиков строительства в стадии

технического или технорабочего проектирования.

2.2. Действующие нагрузки

Нагрузки и воздействия, принимаемые при расчете мостов, делят на постоян-

ные

и временные. К основным постоянным нагрузкам относят собственный вес

пролетных строений и опор, силы предварительного напряжения, давление от ве-

са грунта на устои, гидростатическое давление, воздействие усадки и ползучести

бетона, воздействие осадки грунта.

основным временным относят нагрузки от проходящих по мосту транс-

портных средств и пешеходов: вертикальные подвижные нагрузки, горизонталь-

ные поперечные нагрузки от центробежной силы и боковых ударов подвижной

нагрузки, горизонтальные продольные нагрузки от торможения подвижной на-

грузки, давление грунта от подвижного состава.

Кроме основных видов нагрузки, на мосты могут оказывать действие

прочие

нагрузки

: ветровые, ледовые, от навала судов, строительные, сейсмические, от

воздействия температуры среды и морозного лучения грунтов.

При расчете мостов и труб нагрузки учитывают в различных возможных их

сочетаниях в соответствии с табл. 5* норм [3].

Нормативную временную вертикальную нагрузку от подвижного состава на

автомобильных дорогах и улицах принимают от автомобильных средств класса К,

тяжелых одиночных колесных и гусеничных нагрузок, подвижного состава мет-

рополитена, трамваев и пешеходов.

Нагрузку от автомобильных средств принимают в виде полос АК (рис. 2.1,а),

каждая из которых включает одну двухосную тележку с нагрузкой на ось P, рав-

ной 10К, кН и равномерно распределенную нагрузку интенсивностью ν (на обе

колеи), равной 1,0К, кН

/м. Усилие от колеса тележки распределяют по площадке

со сторонами 0,2 м вдоль движения и 0,6 м поперек движения тележки.

Каждая полоса распределенной нагрузки имеет интенсивность 0,5ν и в попе-

речном направлении распределена на ширине 0,6 м. Деление на единицу площади

в полосе загружения составляет 0,5ν/0,6 = 0,833ν.

Класс нагрузки К принимают равным 14 для

мостов и труб, кроме деревянных

мостов, для которых его принимают равным 11.

На каждой полосе нагрузки АК устанавливают только одну телёжку в самое

неблагоприятное положение по длине загружения независимо от числа участков

загружения. Равномерно распределенную нагрузку устанавливают на всех участ-

ках линий влияния одного знака. Число полос нагрузки, размещаемых на проез-

жей

части, не должно превышать установочного числа полос движения. Расстоя-

ние между осями смежных полос нагрузки должно быть не менее 3 м.

Рекомендуется рассматривать

два случая воздействия нагрузки АК: первый

предусматривает невыгодное размещение на проезжей части числа полос нагруз-

ки, не превышающего числа полос движения;

второй предусматривает при неза-

груженных тротуарах невыгодное размещение на всей ширине ездового полотна

(в которое входят полосы безопасности) двух полос нагрузки, и на однополосных

мостах – одной полосы нагрузки. При этом оси крайних полос нагрузки АК долж-

ны быть расположены не ближе 1,5 м от кромки проезжей части в первом случае

и от

ограждения ездового полотна во втором случае.

При расчете конструкций мостов на действие нескольких полос нагрузки АК

самую неблагоприятно расположенную из них принимают с коэффициентом S

1. С остальных полос нагрузки принимают с коэффициентами S

= 1 для тележек

и S

= 0,6 для равномерно распределенной нагрузки. Коэффициент S

, учитывает

уменьшение вероятности одновременного полного загружения полос при боль-

шом их числе.

Кроме автомобильной нагрузки, по мостам пропускают особо тяжелые оди-

ночные грузы – трейлеры, тягачи

, тракторы и специальные виды техники. Поэто-

му конструкции проверяют на пропуск одиночных тяжелых нагрузок от нестан-

дартных транспортных средств. Все мосты проверяют на действие одного тяжело-

го трейлера НК (рис. 2.1, б) с нагрузкой на каждую ось 18К. В поперечном на-

правлении нагрузку НК располагают на проезжей части в любом наиболее небла-

гоприятном положении, но край колеса или гусеницы не должен выступать за ее

пределы.

Рис. 2.1. Схема нормативной нагрузки для расчета дорожной одежды, земляного

полотна, подпорных стен и мостовых сооружений: а)

автомобильная колесная

нагрузка АК; б) тяжелая одиночная автомобильная нагрузка НК

Городские мосты, имеющие пути метрополитена или трамвая на специально

выделенном полотне, проверяют на действие нормативных нагрузок от поездов

метро или трамвая (п. 2.12* [3]). Мосты, расположенные на дорогах промышлен-

ных предприятий, проверяют на специальные автомобильные нагрузки, соответ-

ствующие реально обращающимся грузовым автомобилям (п. 2.13* [3]).

Вертикальную нагрузку на тротуары и пешеходные мосты принимают в

виде

толпы людей. При расчете мостов, имеющих тротуары, ее учитывают вместе с на-

грузкой АК. При пропуске одиночной нагрузки НК тротуары не загружают.

Нормативную нагрузку от толпы людей на пешеходных мостах принимают

вертикальной и равномерно распределенной по всей поверхности прохода с ин-

тенсивностью

3,92=P кПа. Для тротуаров эту нагрузку в кПа принимают по фор-

муле

3,92 0,0196 1,96P =− λ≥кПа (200 кгс/м

где λ − длина загружения линии влияния, м.

Тротуары городских мостов, кроме того, проверяют на сосредоточенную силу

9,8 кН (1 тс) с площадкой распределения 15×10 см, а для остальных мостов − на

вертикальную силу 3,4 кН (350 кгс).

При расположении сооружений на горизонтальных кривых радиусом 600 м и

менее учитывают горизонтальную поперечную нагрузку, возникающую

от цен-

тробежных сил, вызванных движением временной нагрузки по кривой, значение

центробежной силы зависит от радиуса горизонтальной кривой, класса временной

вертикальной нагрузки, числа полос движения и длины загружения. Центробеж-

ную силу от нагрузки АК принимают в виде горизонтальной равномерно распре-

деленной нагрузки ν

, приложенной на высоте 1,5 м над поверхностью проезжей

части моста и направленной в сторону выпуклости кривой. При многополосном

движении горизонтальную нагрузку учитывают с коэффициентом S

, при этом со

всех полос движения, кроме одной, загружаемых нагрузкой АК, принимают с ко-

эффициентом S

=0,6.

Величину ν

для мостов при радиусе кривых 250 м и менее принимают по

формуле

К,

а свыше 250 м (до 600 м) − по формуле

ν=

К,

где P – сила, равная 4,4 кН; M – момент, равный 1079 кН⋅м; r – радиус кривой, м.

Во всех случаях величина ν

должна быть не менее

12,7

К, кН/м, и более

0,49 К, кН/м.

Горизонтальные поперечные воздействия временной нагрузки возникают при

отклонении автомобилей от прямолинейного направления в плане. Нормативную

горизонтальную поперечную нагрузку от возникающих ударов принимают а виде

равномерно распределенной нагрузки, равной 0,39K, кН/м, или сосредоточенной

силы, равной 5,9К, кН, приложенных в уровне верха покрытия

проезжей части,

где К − класс нагрузки АК.

Расчет элементов ограждения проезжей части производят на нагрузки, приве-

денные в п. 2.19* [3].

Горизонтальную распределенную нагрузку на сооружение, возникающую при

торможении подвижной нагрузки и действующую вдоль его оси, принимают

только от равномерно распределенной части вертикальной нагрузки АК в соот-

ветствии с п. 2.20* [3].

Указания о назначении нормативных значений прочих временных нагрузок и

воздействий (ветровых, ледовых, от навала судов, температурных, сейсмических)

приведены в пп. 2.24*−2.31* [3].

Все рассмотренные нормативные временные вертикальные нагрузки, являясь

подвижными, воздействуют на мост динамически и вызывают в нем усилия и де-

формации большие, чем при статических нагрузках.

Особенности работы пролетных строений

мостов под динамическими нагруз-

ками по сравнению со статической работой определяются влиянием трех основ-

ных факторов: 1 − скорости движения транспортного средства; 2 − жесткости под-

рессоривания кузова транспортного средства; 3 − неровностей на поверхности ез-

дового полотна и дефектов в колесах подвижной нагрузки.

Первый фактор − скорость движения − проявляется даже при отсутствии

лю-

бых дефектов на проезжей части в самой нагрузке, так как перемещение нагрузки

с некоторой скоростью приводит к возникновению инерционных сил, отсутст-

вующих при статическом действии нагрузки, и образованию колебаний, увеличи-

вающих прогибы по сравнению со статическими. Однако в этих идеальных усло-

виях отношение наибольшего динамического прогиба к соответствующему стати-

ческому, называемое динамическим коэффициентом, при реальных скоростях

движения подвижных нагрузок оказывается незначительным.

Второй фактор оказывает более существенной влияние. При движении авто-

мобиля происходят колебания его кузова, что приводят к изменению нагрузки на

ось с периодом, равным периоду колебаний кузова, зависящим от жесткости его

подрессоривания. Динамическое воздействие возрастает при приближении пе-

риода

колебаний кузова к периоду колебаний пролетного строения и может иметь

резонансный характер при их совпадении.

Третий фактор — ударные воздействия, возникающие из-за дефектов ездового

полотна или в самой подвижной нагрузке. Дефекты в ездовом полотне вызывают

непериодическое воздействие, дефекты на колесах транспортных средств могут

вызывать ритмичный характер воздействия, что приводит к

возникновению коле-

баний резонансного характера.

Учет динамического воздействия подвижных нагрузок в мостах производится

путем увеличения статических нагрузок на величину динамических коэффициен-

тов, получаемых на основе анализа массовых динамических испытаний эксплуа-

тируемых мостов. Динамический коэффициент уменьшается при увеличении про-

лета. Формулы для динамических коэффициентов (1+μ) к нагрузкам от подвиж-

ного состава автомобильных

и городских дорог приведены в п. 2.22* [3].

2.3. Расчет конструкций по двум группам предельных состояний

2.3.1. Группы предельных состояний

Необходимость выполнения расчетов у инженера-мостовика возникает при

выполнении следующих задач:

а) определении необходимых размеров элементов создаваемой конструкции

для пропуска заданной нагрузки − задача проектирования конструкции;

б) определении возможности пропуска заданной нагрузки по имеющейся кон-

струкции − задача проверки прочности элементов конструкции;

в) определении предельно возможного значения нагрузки при заданной ее

схеме на имеющуюся конструкцию − задача определения грузоподъемности кон-

струкции.

Мосты и другие искусственные сооружения рассчитывают по методу предель-

ных состояний, созданному советскими учеными под руководством профессоров

Н.С. Стрелецкого, А.А. Гвоздева, В.М. Келдыша, Г.Г. Карлсена, Г.К. Евграфова.

Под предельными понимают состояния, при которых конструкция перестает

удовлетворять предъявляемым к ней в процессе эксплуатации требованиям, за-

данным в

соответствии с назначением и ответственностью сооружения. Разделя-

ют две группы предельных состояний:

первая − по несущей способности или непригодности к эксплуатации;

вторая − по непригодности к нормальной эксплуатации.

К предельным состояниям первой группы относятся общая потеря устойчиво-

сти формы сооружения, потеря устойчивости ее положения, вязкое, хрупкое, ус-

талостное или иного

характера разрушение; разрушение под совместным воздей-

ствием силовых факторов и неблагоприятного влияния внешней среды; резонанс-

ные колебания, приводящие к невозможности эксплуатации.

К предельным состояниям второй группы относятся состояния, затрудняющие

нормальную эксплуатацию конструкций или снижающие их долговечность вслед-

ствие появления недопустимых перемещений (прогибов, осадок, углов поворота),

колебаний, трещин.

Нормальной считается эксплуатация, осуществляемая

без ограничений и без

внеочередного ремонта в соответствии с условиями, предусмотренными в задании

на проектирование.

Расчет конструкций должен гарантировать их от возможности наступления

любого из двух групп предельных состояний.

Для любого элемента конструкции любое из первой группы предельное со-

стояние не наступает, если наибольшее возможное усилие в элементе N

max

не бу-

дет превосходить наименьшее значение его несущей способности R

min

max min

≤

Левая часть неравенства зависит от нагрузки, действующей на конструкцию

расчетной схемы и размеров конструкции, а правая часть − от прочности мате-

риала, формы и геометрических размеров поперечного сечения элемента конст-

рукции (рис. 2.2 , 2.3).

Нагрузки, действующие на конструкцию, характеристики прочности материа-

ла, из которого изготовлена конструкция, геометрические размеры элементов

конструкции не являются

строго определенными величинами, им свойственна

статистическая изменчивость.

Степень их изменчивости наиболее полно оценивается кривыми распределе-

ния (см. рис. 2.2). Ось ординат − число случаев (частота), при которых наблюда-

лись данная нагрузка или прочность, которые отложены по оси абсцисс. При оп-

ределенной частоте рассматриваемая величина имеет некоторое среднее значение.

От этого среднего значения имеются отклонения как к большим, так

и к меньшим

значениям этих величин. По характеру кривой судят о степени изменчивости рас-

сматриваемых величин: если кривая вытянута вдоль оси ординат (кривая 1), то

величина обладает малой изменчивостью, если кривая пологая (кривая 2), то рас-

сматриваемая величина имеет большую изменчивость.

Рис. 2.2. Кривые распределения нагрузок

или прочности материалов

Рис. 2.3. К выбору нормативного

сопротивления материала

Статистический характер значений прочности материалов и нагрузок на со-

оружения учитывается на основе анализа соответствующих кривых распределе-

ния путем введения нормативных и расчетных их значений.

Нормативные значения временных нагрузок на мосты устанавливаются СНиП

2.05.03-84* и были рассмотрены выше. Для постоянных нагрузок они принима-

ются по проектным размерам конструкции и средним значениям

удельного веса

материала. Действительная постоянная, а тем более временная нагрузка может

отказаться иной, чем принятая нормативная нагрузка Расчетные нагрузки P опре-

деляют умножением нормативной нагрузки P

на коэффициент надежности по на-

грузке γ

, учитывающий возможные отклонения нагрузки в неблагоприятную сто-

рону (большую или меньшую):

γ .

Коэффициент надежности по нагрузке γ

при расчете мостов устанавливается

нормами [3] с учетом ее изменчивости (для постоянных нагрузок в п. 2.10*, для

временных нагрузок в п. 2.23*, для прочих временных нагрузок в п.

2.32*).

При одновременном действии нескольких расчетных нагрузок расчет произво-

дят с учетом их неблагоприятных сочетаний. Коэффициенты сочетаний η, учиты-

вающие уменьшение вероятности одновременного появления расчетных нагрузок

принимают по справочному приложению 2 [3].