Конструкция и особенности работы главных балок, проезжей части, связей

На первых порах автодорожные неразрезные пролетные строения выполнялись, в основном, с клепаными заводскими и монтажными соединениями, аналогичными применяемым в железнодорожных мостах. Назначение сечений балок, устройство ребер жесткости и связей, в основном, аналогичны железнодорожным элементам. В качестве мостового полотна использовали деревянный настил или железобетонную плиту с асфальтобетонным покрытием (рис. 4.3). Такая конструкция работает на изгиб только поперек моста от местных нагрузок, приложенных в пролете плиты между главными балками.

При большой ширине моста в его поперечном сечении, как правило, требуется несколько главных балок. В старых конструкциях их располагали в 2...3 м друг от друга, что определялось допустимым пролетом железобетонной плиты при работе ее на изгиб поперек моста. В этом случае плита проезжей части может быть уложена непосредственно на главные балки (рис. 4.4, а).
Для больших пролетов экономически выгодным может быть устройство меньшего числа балок (минимум двух), но более мощных. В этом случае две главные балки располагают на расстоянии 5...8 м друг от друга, применяя для поддержания проезжей части балочную клетку (рис. 4.4, б). Ho изготовление и монтаж таких конструкций усложняется. Одновременно с компоновкой поперечного сечения пролетного строения необходимо снижать объем кладки опор. Известны различные способы решения этой задачи (рис. 4.4, в).

В современных автодорожных мостах на смену конструкциям с двутавровыми несущими балками и плитой проезжей части, работающей только на местную нагрузку (см. рис. 4.3), пришли конструкции, в которых используется принцип совмещения функций. В данном случае он состоит в использовании проезжей части не только по ее прямому назначению, т.е. непосредственно воспринимать давление колес автомобилей, но и для других целей, а именно; как части верхнего пояса сплошностенчатой балки, а также верхних продольных связей. Для этого можно применять как железобетонную плиту проезжей части, включенную в совместную работу с главными балками, так и стальную ортотропную плиту. Совмещение функций дает экономичные решения, так как при этом исключаются верхние продольные связи, а плита проезжей части, входя в состав главных балок, позволяет уменьшить площадь их верхних поясов.
Рассмотрим наиболее распространенные в настоящее время конструкции пролетных строений со стальной ортотропной плитой. Высокая перекрывающая способность балочной сплошностенчатой неразрезной системы в значительной мере обеспечивается за счет применения особой конструктивной формы, представляющей собой тонкостенную коробчатую конструкцию. Ее достоинством является большая крутильная жесткость и рациональное использование металла, поскольку он сосредоточен, в основном, в поясах, где действуют максимальные нормальные напряжения от изгиба балки. Коробчатое тонкостенное сечение обладает высокой изгибной жесткостью, что позволяет существенно снизить высоту балок пролетного строения. Поперечные сечения коробчатых главных балок с ездой поверху приведены на рис. 4.5.

Сплошной лист (нижняя ребристая плита) внизу балки одновременно выполняет роль нижних продольных связей. При этом образуется полностью замкнутое коробчатое сечение. Наряду с рациональной конструктивной формой такое решение позволяет осуществить герметизацию внутренней полости коробок и тем самым снизить эксплуатационные затраты. Кроме того, не требуется защищать от коррозии внутреннюю полость коробки. Простейшее из таких сечений в виде одной коробки представлено на рис. 4.5, а. Для повышения пространственной жесткости конструкции в ней устанавливают поперечные связи (диафрагмы). Иногда стенки коробки выполняют наклонными, что улучшает восприятие ветровой нагрузки, внешний вид пролетного строения и позволяет сузить опоры (рис. 4.5, б).
Нижнюю ребристую плиту устраивают в тех случаях, когда требуется обеспечить необходимый момент инерции и снизить положение нейтральной оси сечения главной балки. Иногда плиту располагают только в надопорных участках неразрезной балки. При отсутствии этого элемента в уровне нижних поясов устраивают продольные связи. В этом случае образуется незамкнутое сечение (рис. 4.5, в).
При увеличении ширины моста поперечное сечение пролетного строения можно формировать из нескольких коробок, соединенных между собой ортотропной плитой и сквозными поперечными связями (рис. 4.5, г). Это наиболее распространенный случай в отечественных автодорожных и городских мостах. В широких мостах возможна конструкция в виде двух коробок, достаточно удаленных друг от друга (рис. 4.5, д).
Число стенок в коробчатых сечениях назначается, в основном, исходя из их работы по касательным и главным напряжениям в опорных зонах на всех стадиях работы балки, но по экономическим соображениям предпочтение следует отдавать однокоробчатым сечениям (см. рис. 4.5, а).
Согласно принятой в России модульной системе, длины пролетов больших автодорожных мостов назначают, как правило, кратными 21 (10,5) м. Для разрезных пролетных строений длиной 42 и 63 м применяют поперечные сечения, подобные изображенным на рис. 4.5, в. Такое же сечение возможно назначать и в неразрезных строениях пролетом до 126 м. Ho, так как конструкция нижнего пояса в этом случае усложняется, при длине свыше 105 м целесообразно устройство нижней ребристой плиты (см. рис. 4.5, г).
Покрывающий лист ортотропной плиты работает в следующих условиях двухосного напряженного состояния:
- в составе верхних поясов балки продольного ребра (как балки, работающей на местную нагрузку между поперечными ребрами плиты) — на нормальные напряжения (сжимающие либо растягивающие). Напряжения в листе и ребре от общего изгиба коробчатой балки и от местного изгиба продольного ребра суммируются;
- в поперечном направлении — на местный изгиб под действием давления колес транспорта как пластина между продольными ребрами и в составе верхнего пояса поперечного ребра (при одноярусной плите), работающего на местную нагрузку между главными балками.
В автодорожных мостах обычно применяют одноярусную плиту с поперечными ребрами большей высоты, чем продольные ребра.
В зарубежной практике предпочтение отдают продольным ребрам коробчатого сечения с наклонными стенками из гнутых профилей. Поначалу ребра обрывали в местах пересечения со стенками поперечных ребер и приваривали к ним. Однако вскоре обнаружили массовые разрушения сварных швов именно в этих местах. В новых мостах коробчатые ребра пропускают сквозь стенки поперечных ребер через фигурные вырезы, сваривая продольные и поперечные ребра с полным проваром шва (рис. 4.6).

Исследованиями отечественных ученых были установлены неблагоприятные добавочные напряжения в элементах плиты от депланации сечений коробчатых ребер при их кручении. Поэтому в большинстве построенных мостов продольные ребра ортотропной плиты выполнены в виде открытого полосового профиля, пропущенные через фигурные вырезы в стенках поперечных ребер с приваркой к ним вертикальными швами.
Отметим также, что в цельносварных плитах зарубежных автодорожных мостов образуется целый ряд усталостных трещин в сварных стыках соединения поперечных ребер с главными балками. Поэтому в отечественных конструкциях ортотропных плит все монтажные соединения деталей приняты на ВПБ, за исключением лишь сварки продольных и поперечных стыковых швов покрывающего листа.
В отличие от железнодорожных мостов в автодорожных по условиям габарита невозможно использовать цельноперевозимые балки. Металлоконструкции пролетных строений выполняют сборными из монтажных элементов (блоков), изготавливаемых на заводе. Массу и размеры блоков назначают, исходя из возможностей использования имеющихся кранов и транспортных средств при перевозке и сборке конструкций.

Двухкоробчатая сборная конструкция включает монтажные элементы ортотропной плиты, главных балок, нижней ребристой плиты и поперечных связей (рис. 4.7). Кроме того, в комплект входят металлоконструкции смотровых ходов, ограждений проезжей части, карниза, перил. При такой компоновке все элементы поставляют на монтаж по отдельности. Снизить трудозатраты сборки и повысить темпы возведения пролетных строений позволяет применение транспортабельных коробчатых блоков полной заводской готовности (рис. 4.8).

Ортотропную плиту разделяют на монтажные блоки длиной по 8...11 м и шириной 2...2,5 м (рис. 4.9). Средние блоки плиты (если их больше одного) объединяют на месте в укрупненный монтажный блок.
Поперечные ребра плиты прикрепляют к поперечным ребрам жесткости вертикальных стенок главных балок через болтовые стыки с шагом 2...3 м (см. рис. 4.8, 4.10). Продольные и поперечные монтажные стыки покрывающего листа выполняют автоматической сваркой (вначале оформляют поперечный стык). В этом же месте может быть плавный переход от одной толщины покрывающего листа к другой. Затем сваривают покрывающий лист продольными швами встык с верхними поясными листами; в конце швов оставляют недовары (роспуски) длиной 1 м, завариваемые после установки следующего блока плиты.

Фрикционные стыки продольных ребер оформляют после сварки поперечного стыка покрывающего листа (рис. 4.11). В связи с работой продольных ребер как неразрезных балок стыки целесообразно устраивать в 1/3...1/4 пролета ребра. Поэтому поперечные стыки главных балок и ортотропной плиты могут и не совпадать (см. рис. 4.7, 4.11).
Из соображений унификации и технологичности покрывающий лист ортотропной плиты и поясные листы балок, с которыми он стыкуется, желательно устраивать постоянной ширины и толщины по всей длине пролетного строения. Лист нижней ребристой плиты может иметь переменную толщину, а ее продольные ребра обычно выполняют более мощными и с большим шагом, чем продольные ребра в ортотропной плите.
При сборных коробках нижняя ребристая плита поступает с завода блоками длиной 8...11 м, в которых имеются только продольные ребра. Листы плиты стыкуют на монтаже поперечным швом, приваривают внахлест сверху к нижним поясам главных балок. Затем приваривают вручную или полуавтоматом поперечные ребра к листу плиты и к поперечным ребрам главных балок. В месте поперечного стыка плиты в продольные ребра вваривают вставки того же сечения длиной 0,4...0,5 м.
Двутавровые главные балки обычно выполняют несимметричного сечения с более развитым нижним поясом. При постоянном сечении верхнего пояса и высоте балки момент инерции сечения в целом можно регулировать за счет изменения размеров нижних поясных листов и нижней ребристой плиты.
Как известно, металл в стенках изгибаемых двутавровых балок используется нерационально. Поэтому стенки стремятся делать из достаточно тонких листов (12...20 мм). Чтобы обеспечить местную устойчивость тонкой стенки, ее подкрепляют продольными и поперечными ребрами жесткости (рис. 4.12). В неразрезных балках особое внимание следует обращать на обеспечение местной устойчивости стенки в зонах, примыкающих к промежуточным опорам, т.к. здесь одновременно действуют максимальные нормальные, касательные и местные напряжения.

Ребра жесткости могут быть односторонними или двухсторонними. Шаг поперечных ребер жесткости необходимо увязывать с размещением стыков главных балок и поперечных ребер ортотропной плиты. Продольные ребра стенки должны быть непрерывными, их пропускают сквозь вырезы в поперечных ребрах, но чаще всего поперечные ребра в стыках с продольными прерывают. Во избежание пересечения продольных и поперечных ребер их можно располагать по разные стороны стенки. В местах болтовых стыков стенки продольные ребра перекрывают накладками из уголков.

Из эстетических соображений в коробчатых балках полной заводской готовности все ребра жесткости расположены внутри коробки, снаружи имеются только кронштейны для крепления поперечных ребер консольных блоков ортотропной плиты (рис. 4.13).

Сварные монтажные соединения блоков главных балок являются наиболее экономичными, поскольку не требуют дополнительных крепежных деталей, подготовка их на заводе минимальна. Для крупноразмерных балок в отечественной практике наибольшее распространение имеет стык, разработанный в Институте электросварки им. Е.О. Патона (рис. 4.14). В соответствии с заданным строительным подъемом монтажные блоки главных балок разворачивают относительно друг друга. Затем производится пригонка по месту вставок в стенку, верхний пояс и продольные ребра. Механизированная сварка всех швов выполняется при помощи специальных автоматов.
Однако следует отметить, что сварные монтажные стыки сложно устраивать при навесном монтаже конструкций. Кроме того, даже при сварке на стапеле трудно выдержать строительный подъем конструкции, т.к. из-за сварочных деформаций балки в около-шовной зоне образуются остаточные сварочные напряжения.

Стыки главных балок на ВПБ (рис. 4.15, а) требуют довольно высокой точности изготовления на заводе и наиболее невыгодны по расходу металла. Их применение может быть оправдано особыми условиями (районы Крайнего Севера), где сварка при низких температурах крайне нежелательна, и др.
Болтосварной (комбинированный) стык (рис. 4.15, б) представляет собой промежуточное решение между двумя рассмотренными типами монтажных соединений. В таких стыках по сравнению с чисто болтовыми сокращаются расход металла (на 17...20 %) и трудозатраты заводского изготовления. Применение их вместо цельносварных стыков позволяет монтировать конструкцию навесным способом. При монтаже внавес в болтосварном стыке вначале стыкуют стенку на парных вертикальных накладках и затягивают болты. Далее заваривают стыки поясов сварочным автоматом под флюсом на медной, керамической либо иной подкладке, для чего в стенке имеются овальные технологические вырезы. Первой вваривают компенсационную вставку верхнего пояса, затем накладывают поперечный шов нижнего пояса. После этого устанавливают прокладки в технологические вырезы и накладки на них, затягивают болты.

Недостаток такой технологии в том, что при начальной затяжке болтов стенки на проектное усилие с последующей сваркой поясов возникает напряженное состояние стыка от деформаций при усадке сварных швов. Ho это вынужденная мера при навесном монтаже. При сборке стыка на стапеле в случае продольной надвижки пролетного строения порядок иной: вначале сваривают поясные листы, затем затягивают болты на проектное усилие, что дает свободу усадки сварных швов поясов. Цельные коробчатые блоки стыкуют аналогично. При этом в верхнем поясе коробки компенсационную вставку не делают, а устраивают технологический припуск с обрезкой его по месту при сборке.
При переменной высоте балки (см. рис. 4.2, в) либо при высоте балки свыше 3,6 м возникает необходимость устройства продольного монтажного стыка стенки (рис. 4.16, а). Стык может выполняться различными способами. Обычно его делают на парных накладках и ВПБ. Для пропуска накладок в поперечных ребрах жесткости оставляют проемы, которые перекрывают накладками в виде одиночных или парных уголков (для большей жесткости).
В рассматриваемом случае возможны и другие решения, например, выполнение блока ортотропной плиты, расположенного над стенкой, с повышенным продольным ребром. Его высота должна быть не менее высоты поперечных ребер плиты. На монтаже повышенное продольное ребро соединяют с верхним поясом балки продольным стыком (рис. 4.16, б). При этом части коробки (главные балки) могут быть выполнены в виде L-образных блоков.

В опорных зонах коробок устраивают сплошностенчатые диафрагмы, которые играют роль домкратных балок (при установке опорных частей под стенками коробки) либо поперечных опорных балок, если опорные части ставят по осям коробок с целью экономии кладки опор и количества опорных частей. При наличии нижней ребристой плиты ее продольные ребра пропускают сквозь вырезы в стенке диафрагмы. Диафрагмы (домкратные балки) могут быть одностенчатой двутавровой или коробчатой конструкции, их прикрепляют к опорным ребрам жесткости главных балок на накладках и ВПБ (рис. 4.17, а). Диафрагмы изготавливают на заводе в виде отдельных монтажных блоков, включающих части нижней ребристой плиты.

По длине пролета через 6...12 м между главными балками устраивают поперечные связи. Ферма связей выполняется в виде единого сварного монтажного блока из одиночных, сдвоенных уголков, прокатных или сварных тавров. Для обеспечения независимой работы ортотропную плиту и связи выполняют раздельными. Плоские сварные фермы связей присоединяют ВПБ либо на монтажных болтах, а затем на сварке — к поперечным ребрам жесткости стенок (рис. 4.17, б). Внутри коробок поперечные связи в виде уголков или тавров приваривают к поперечным ребрам балок и фасонкам нижней ребристой плиты.
При незамкнутом коробчатом сечении (см. рис. 4.5, в) появляется необходимость в нижних продольных связях. В основном они помогают работе пролетного строения на кручение, но в значительно меньшей степени работают на горизонтальные нагрузки.
Неразрезные сплошностенчатые пролетные строения с ортотропными плитами возведены в нашей стране на большом числе автодорожных и городских мостов с пролетами длиной от 60 до 200 м. Приведем примеры наиболее значительных сооружений, построенных в 70—80-е гг. прошлого века по проектам Ленгипротрансмоста и других организаций.

Мостовой переход через реку Северную Двину в г. Архангельске (общей длиной около 5 км) включает стальное неразрезное пролетное строение через правую протоку реки по схеме 105+5х147+105 м габаритом Г17+2х1,5 м. В его поперечном сечении — две замкнутые коробки (рис. 4.18, а). Материал основных конструкций низколегированная сталь марок 15ХСНД и 10ХСНД. На данном мосту впервые в отечественной практике была осуществлена продольная надвижка с одного берега пролетного строения длиной 946,4 м и массой 8,4 тыс. т. Для этого посередине каждого пролета устраивали по одной вспомогательной опоре. Аналогичным образом было возведено стальное пролетное строение городского моста через реку Волгу в г. Астрахани по схеме 2х90+3х148+2х90 м общей длиной 805 м, шириной 25,17 м, общей массой 8,1 т (рис. 4.18, б).
Городской мост через реку Енисей в г.Красноярске включает неразрезное пролетное строение по схеме 80,16+130,26+200,4+110,22+100,2+93,52+86,84+60,12 м полной длиной 861,72 м. На мосту устроен рекордный для России пролет длиной 200 м, но для этого понадобилось выполнить коробчатую балку над опорой данного пролета высотой свыше 9 м с устройством двух продольных стыков стенки и мощными ребрами жесткости (рис. 4.19). В остальных пролетах высота коробок постоянная — 3,6 м. Масса металла пролетного строения (стали 15ХСНД и 10ХСНД) 14,4 тыс. т. Пролетное строение возведено навесным способом.

Интересным решением является мост-метро через реку Обь в г. Новосибирске. Стальное неразрезное пролетное строение моста по схеме 7х128 м выполнено в виде одной коробки размерами 8,7х6,4 м, внутри которой по двухъярусной ортотропной плите проложены два пути метрополитена (рис. 4.20). Масса металла (сталь 15ХСНД) — 6197 т. Пролетное строение смонтировано продольной надвижкой.
В качестве недостатка моста-метро можно отметить то, что в таком решении неэффективно используется верхняя ребристая плита, которую можно было бы задействовать в качестве второго яруса для проезда автотранспорта, т.е. превратить мост в совмещенный. Этот принцип использован в пролетных строениях моста через реку Иртыш в г. Омске по схеме 108+3х144+108 м (рис. 4.21).

Расход металла (в тоннах на 1 м2 площади) пролетных строений рассматриваемого типа при длине пролетов 105...147 м составляет: главных балок — 0,1...0,15; ортотропной плиты — 0,15...0,2; нижней ребристой плиты — 0,05...0,1; поперечных диафрагм и связей — 0,01...0,02; всего — 0,35...0,42.
Мировой рекорд длины пролета неразрезных сплошностенчатых пролетных строений был поставлен еще в 1956 г. и по сей день не превзойден — мост через реку Саву по схеме 75+261+75 м на автомагистрали Белград-Земун (рис. 4.22). Конструкция, в основном, сварная, нижний пояс в виде клепаного пакета листов максимальной толщиной 238 мм, сталь с пределом прочности 520 МПа. При такой, казалось бы, нерациональной схеме трехпролетной неразрезной балки принят порядок монтажа, при котором пролетное строение собирали в боковых пролетах на подмостях, а в среднем — внавес от опор к середине. Таким образом, к моменту замыкания средний пролет был перекрыт двумя консолями по 130 м, и изгибающий момент в середине пролета от собственного веса отсутствовал. Сечение в середине пролета воспринимает вторую часть постоянной нагрузки и временную нагрузку. На крайних опорах установлены опорные части, воспринимающие отрицательные опорные реакции.