Основные типы и область применения сталежелезобетонные пролетные строения

15.06.2016

Железобетон и сталь в настоящее время — основные материалы пролетных строений капитальных мостов. Поэтому вполне естественно применение наряду с чисто железобетонными и металлическими также объединенных — сталежелезобетонных строений. В них бетон и сталь работают в единой конструкции, что позволяет при определенных условиях наилучшим образом использовать положительные качества каждого из материалов.
Можно выделить три основных фактора, обусловившие появление сталежелезобетона в мостах в середине XX в.
Первым из них стало резкое расширение применения железобетона в строительстве. Развитие его технологии, особенно сборного и предварительно напряженного, позволило значительно увеличить пролеты, вторгнувшись в область, ранее занятую целиком металлическими мостами. Преимуществом железобетона является значительно меньшая потребность в стали по сравнению с металлическими пролетными строениями. Он обладает большей стойкостью к атмосферным воздействием, не требует защиты от коррозии. Поэтому расходы на содержание железобетонных мостов меньше, чем стальных.
Вторым фактором эволюции мостостроения явилось совершенствование конструкций проезжей части мостов. Еще в 30...40-е гг. ХХ в. в автодорожных стальных мостах применяли деревянный настил или железобетонную плиту, работающих только поперек пролета на местные нагрузки. В железнодорожных мостах с ездой на балласте взамен подверженного интенсивной коррозии металлического настила стали применять железобетонное балластное корыто (рис. 5.1, а). В такой конструкции металлическая и железобетонная конструкции изолированы от воды, удаляемой из балласта через водоотводные трубки. Однако при этом вес пролетного строения существенно увеличивается, в связи с чем возрастают затраты металла на главные балки.
Основные типы и область применения сталежелезобетонные пролетные строения

Усовершенствование указанных конструкций стало возможным за счет жесткого соединения упорами железобетонной плиты с главными балками для совместной работы — плита используется в работе на сжатие верхнего пояса балки (рис. 5.1, б). Этим приемом можно существенно уменьшить площадь сечения верхнего пояса металлической балки, увеличить жесткость пролетного строения, т.е. снизить высоту балок в сравнении с без-балластной ездой. Металлоемкость сталежелезобетонных пролетных строений оказывается не выше, чем цельнометаллических.
Таким образом, в сталежелезобетонных мостах аналогично стальным пролетным строениям с ортотропной плитой используется принцип совмещения функций — в сплошностенчатых пролетных строениях с ездой поверху плита проезжей части работает поперек моста на местную нагрузку и одновременно является составной частью верхнего пояса главных балок, а также заменяет собой верхние продольные связи.
Третий фактор — это стремление рассматривать пролетное строение как единое пространственное целое, обеспечивать совместную работу плоскостных частей пролетного строения (главных балок или ферм, проезжей части и связей) и учитывать ее в расчетах. В стальных пролетных строениях начали отказываться от шарниров и разрывов, которые прежде устраивали для приближения действительной конструкции к упрощенной расчетной схеме. В практику широко вошли статически неопределимые системы, особенно комбинированные. Подобное стало возможным благодаря прогрессу строительной механики и вычислительной техники.
В большинстве сталежелезобетонных пролетных строений железобетон в составе главных балок или ферм первоначально использовали только в сжатой зоне, считая, что в растянутой он выключен из работы. Однако впоследствии развитие предварительно напряженных конструкций открыло возможность эффективного использования железобетона и в ней. В этих конструкциях реализуется возможность повышения трещиностойкости железобетонных элементов за счет их предварительного обжатия. Растягивающие напряжения воспринимаются преднапряженными стальными элементами (канатами или пучками высокопрочной проволоки).
Сталежелезобетонные пролетные строения, включая редко применяемые конструктивные формы, отличаются большим многообразием. Их можно классифицировать, например, по следующим признакам:
- по виду главных балок (ферм): сплошностенчатые одноплитные (рис. 5.2, а); сплошностенчатые коробчатые (рис. 5.2, б, в); pешетчатые; комбинированные — сплошностенчатые с решетчатыми (рис. 5.2, г...е);
- по наличию предварительного напряжения: без предварительною напряжения и регулирования усилий; с предварительным напряжением и регулированием без натяжения высокопрочной арматуры и с натяжением высокопрочной арматуры;
- по технологии устройства железобетонной плиты: со сборной пинтой; с монолитной плитой; со сборно-монолитной плитой;
- по внешней статической схеме: балочные разрезные (см. рис. 5.2, а); балочные неразрезные (см. рис. 5.2, б, в); балочные защемленныe; балочно-консольные; рамные; арочные; комбинированные (см. рис. 5.2, г...е);
- по расположению езды, с ездой поверху (см. рис. 5.2, а...г), понизу (см. рис. 5.2, ё) или посередине (см. рис. 5.2, д).
В решетчатых конструкциях сталежелезобетон может использоваться наряду с ездовыми поясами и в противоположных поясах.
Наиболее распространены сплошностенчатые одноплитные балочные разрезные и неразрезные пролетные строения с ездой поверху.
Основные типы и область применения сталежелезобетонные пролетные строения

Для них характерна двухстадийная работа элементов:
• на первой производится монтаж металлоконструкций и устройство железобетонной плиты; здесь до объединения частей для совместной работы все постоянные и временные монтажные нагрузки воспринимаются металлической балкой;
• на второй железобетонная плита и стальная балка работают совместно на вторую часть постоянных нагрузок (вес мостового полотна) и временные нагрузки.
Усилия в стальной балке на двух стадиях суммируются, на них возможно предварительное напряжение и регулирование усилий.
Технико-экономические показатели сталежелезобетонных пролетных строений представляют интерес в сопоставлении с показателями железобетонных и стальных пролетных строений.
В железнодорожных мостах стальные и сталежелезобетонные пролетные строения свыше 30...35 м имеют существенно лучшие показатели, чем железобетонные. Ho при пролетах свыше 60 м стальные решетчатые становятся более рациональными.
Согласно зарубежным данным (США) по показателю расхода металла автодорожные сталежелезобетонные пролетные строения эффективны до пролета длиной 105 м. В нашей стране, с учетом применяемого предварительного напряжения, граничный пролет получается гораздо большим — 140 м, а с учетом приведенных затрат — обычно 110...120 м.
До сих пор считалось, что область малых пролетов (до 30...40 м) целиком принадлежит железобетону. Однако исследования отечественных инженеров (в частности, Санкт-Петербургской фирмы «Стройпроект») доказана эффективность сталежелезобетона с монолитной плитой и при малых пролетах. Отсюда следует, что рассматриваемый материал захватывает все большее пространство в мостостроении.
Сопоставление сталежелезобетонных пролетных строений с железобетонными представляет определенные трудности. Потребность в стали для сталежелезобетонных конструкций в 1,5...2 раза выше, чем для железобетонных, но объем бетона в первом случае почти не зависит от длины пролета, тогда как во втором этот показатель увеличивается с длиной пролета. Соответственно возрастает конкурентоспособность сталежелезобетона.
Таким образом, можно выделить следующие основные области рационального применения сталежелезобетона в мостах:
♦ железнодорожные мосты с ездой поверху пролетом 30...60 м, причем он может применяться и в меньших пролетах в условиях, затрудняющих применение как железобетонных, так и стальных пролетных строений;
♦ автодорожные и городские мосты с ездой поверху средних и больших пролетов (40...120 м) в условиях, определяющих рациональность применения сталежелезобетонной конструкции, в ряде случаев возможно применение сталежелезобетона и в малых пролетах (меньше 40 м).
Кроме того, в отдельных обоснованных случаях могут применяться мосты других систем с ездой понизу и посередине, имеющие железобетонную плиту проезжей части, полностью или частично включенную в работу несущей стальной конструкции.