Системы металлических пролетных строении

Наиболее простой системой пролетного строения является разрезная балка на двух опорах (рис. 1.9, а). Ясность статической работы, однозначность эпюры изгибающих моментов, удобства типизации и замены при ремонте делают эту систему наиболее распространенной в железнодорожных мостах. Применение в них цельнометаллических сплошностенчатых балок с ездой поверху рационально при длине l пролетов до 45—50 м. Высоту разрезной балки h назначают в пределах (1/15...1/20)l. Следовательно при увеличении длины пролета усложняется конструкция, условия ее изготовления и монтажа.
В автодорожных мостах такие конструкции с двутавровыми главными балками применяют при длине пролетов 30...60 м преимущественно в экстремальных условиях, например, в районах Крайнего Севера, где, в основном, возводят однопролетные мосты.

При длинах пролетов свыше указанных более рациональной становится разрезная балочная система с решетчатыми фермами, применяемая как при езде понизу (рис. 1.9, б), так и поверху. Высоту главных ферм согласуют с числом и длиной b панелей фермы и назначают в пределах H = (1/6...1/10)l.
Наибольшие пролеты мостов с разрезными решетчатыми фермами достигнуты в США на мостах в Честере (227,1 м, 1976 г.), Метрополисе (219,5 м, 1917 г.), Падука-Брукпоре (218,3 м, 1929 г.). Первые два моста железнодорожные, последний - автодорожный. Мосты с неразрезными фермами имеют большую перекрывающую способность по сравнению с разрезными: Фрэнсис Скотт Кей (США, 365,9 м, 1977 г.) и Астория (США, 375 м, 1966 г.), Тенмон-Кио (Япония, 300 м, 1966 г.). Первый из перечисленных — железнодорожный мост.
Применение неразрезной системы (рис. 1.9, в) позволяет снизить расчетный положительный момент по сравнению с разрезной балкой использовать более экономичные сечения и существенно увеличить перекрывающую способность балки. Одновременно увеличивается жесткость, обеспечивается плавность линии прогиба, улучшаются внешний вид, условия работы опор, создаются благоприятные условия для навесного монтажа и продольной надвижки пролетного ст роения. В этом случае назначают h = (1/30...1/40)l при l1 = (0,3...1,0)l. В железнодорожных мостах сплошностенчатые балки при длине пролетов свыше 50 м уступают решетчатым фермам по металлоемкости, условиям перевозки заводских блоков и монтажа, вследствие чего применяются крайне редко.
Устройство неразрезных балок постоянной высоты в автодорожных мостах ограничено по конструктивным соображениям пролетами до 150 м. При больших пролетах рационально использовать балки переменной высоты (рис. 1.9, г). Несмотря на удорожание изготовления и монтажа, такая конструкция имеет благоприятный внешний вид и более экономична по сравнению с балкой постоянной высоты при следующих значениях параметров:

Наибольшие пролеты неразрезных сплошностенчатых балочных пролетных строений достигнуты на автодорожных мостах через реку Саву (Югославия, 261 м, 1956 г.), Зообрюке (Германия, 259,1 м, 1966 г.) и Сан-Матео-Хэйуорд (США, 228,7 м, 1967 г.). Мост с рекордным для нашей страны аналогичным пролетом 200,4 м построен через реку Енисей в Красноярске в 1983 г.
Ранее уже говорилось об увлечении инженеров на рубеже XIX—XX вв. пролетными строениями балочно-консольной системы. В те годы опасались применять неразрезную систему из-за ее чувствительности к неравномерным осадкам опор. В силу статической определимости балочно-консольная система лишена этого недостатка. В го же время по затратам металла пролетные строения данной системы близки к неразрезным.
Эти обстоятельства способствовали большому распространению консольных ферм в конце XIX столетия, которыми были перекрыты рекордные пролеты балочной системы. В качестве ярких примеров можно привести мост через Фортский залив в Шотландии (1890 г.) пролетом 521,24 м и Квебекский мост в Канаде (1917 г.) пролетом 549 м. Ho и в наше время там, где требуется перекрыть сверхбольшие пролеты, интерес к этой системе не ослабевает: не так давно построены консольные мосты Минато (Япония, 510 м, 1974 г.), Комодор-Джон Бэрри (США, 501,2 м, 1974 г.) и Великий Новый Орлеанский мост (США, 480 м, 1958 и 1988 гг.), все они — автодорожные.
Балочно-консольную систему можно компоновать различными способами. На рис. 1.9, д приведен пример трехпролетной схемы с центральной подвеской, длина которой принимается в пределах a = (1/2,5...1/3)l. Остальные параметры соответствуют размерам неразрезных балок. Пролетные строения этого типа обычно выполняют с решетчатыми фермами, с ездой поверху или понизу, стремясь подчинить форму поясов очертанию эпюры изгибающих моментов в балке.
Арочная система, широко используемая некогда в каменных мостах, нашла применение и в XX в. в мостах из металла. Как известно, силы распора, действующие в пятах арки, вызывают в ее сечениях отрицательные изгибающие моменты. В связи с этим расчетные моменты в арке существенно меньше, чем в аналогичной балке. Поэтому арки более экономичны по затратам материала, а перекрывающая способность их весьма высока. Арочные мосты целесообразны в городах, так как обладают отличными архитектурными качествами.
Несмотря на наличие распора, применение арочной системы в металлических мостах имеет смысл при пролетах свыше 200 м, когда балочный мост становится слишком тяжелым. В существующих мостах стрела арки f изменяется в довольно широких пределах. Наиболее целесообразные ее значения: в железнодорожных мостах — f = (1/6...1/8)l, в автодорожных и городских — (1/8...1/10)l. Арки обычно двух шарнирные, с ездой поверху (рис. 1.9, е), понизу (рис. 1.9, ж) либо посередине (рис. 1.9, з), со сплошной стенкой (рис. 1.9, e,з) либо решетчатые (рис. 1.9, ж). Наибольшие в мире пролеты арочной системы зафиксированы в металлических мостах через реку Годж (США, 518,3 м, 1977 г.), пролив Килл ван Кулл (США, 510,5 м, 1931 г.) и в Сиднее (Австралия, 502,9 м, 1932 г.). Два первых — автодорожные, последний — под совмещенное (железнодорожное и автомобильное) движение.
Альтернативу пролетным строениям балочной системы (см. рис. 1.9, а—д) представляют комбинированные системы, составленные из простых систем (обычно балочных и арочных) или образованные введением дополнительных элементов в состав простых (рис. 1.9, и—о).
Конструкции комбинированных систем с использованием сплошностенчатых элементов весьма разнообразны. Одна из них — трехпролетная неразрезная балка, усиленная в зонах промежуточных опор подпругами в виде полуарок с вертикальными стойками (см. рис. 1.9, и) или с решетчатыми фермами (см. рис. 1.9, к). В диапазоне длины пролетов 150...250 м система несколько проигрывает по расходу стали балочным решетчатым фермам, но позволяет снизить объем кладки опор. Это обстоятельство в сочетании с архитектурными преимуществами системы делает ее весьма целесообразной в городских мостах. Ориентировочные значения параметров системы следующие: l1 = 0,55l; h = (1/50...1/60)l; H = 5h.
Хорошими архитектурными качествами обладают также системы в виде балок, усиленных арками по всей длине: с ездой поверху (см. рис. 1.9, л) или посередине (см. рис. 1.9, м). В этом случае l1 = (0,4...0,5)l, а стрелка арки принимается в пределах (1/3...1/5)l.
Другой пример комбинированной системы - сквозная ферма с жестким нижним поясом, предложенная профессором К.Г. Протасовым (см. рис. 1.9, н). Устройство жесткого нижнего пояса, способного воспринимать изгибающие моменты от внеузлового прикрепления поперечных балок проезжей части, позволяет применять треугольную решетку с наивыгоднейшей панелью фермы, не прибегая к дополнительным элементам в виде шпренгелей (подвески и стойки ставятся лишь в необходимых случаях). Данная конструкция наиболее распространена в железнодорожных мостах при следующих параметрах: l = 66...110 м; H = 1/7l; h = 1,5...1,8 м.
В автодорожных и городских мостах с пролетом 150...200 м применяется еще одна комбинированная система — гибкая арка с жесткой затяжкой (см. рис. 1.9, о). В этой системе (называемой также балкой Лангера) разрезная балка воспринимает рас-пор, создаваемый аркой, и внешне она представляет собой без-распорную систему. Арка может соединяться с балкой жесткости вертикальными стойками либо иметь решетчатое заполнение. Стрела арки: f = (1/6...1/7)l, при этом высоту балки жесткости стремятся делать не более 3,6 м. Такая система тоже менее экономична по сравнению с фермой, сложна в изготовлении и монтаже, но она имеет хорошие эстетические качества и перекрывает большие пролеты.
Рамные стальные мосты со сплошностенчатым ригелем представляют собой «красивую» систему с перекрывающей способностью до 250 м (например, система «бегущая лань» на рис. 1.9, п). Она может быть выполнена и с решетчатыми главными фермами (рис. 1.9, р). Ho рамные мосты сооружают довольно редко из-за сложной технологии монтажа, значительного распора на опорах и необходимости особой защиты подкосов от коррозии.