Основные особенности и область применения арочных пролетных строений

15.06.2016

Основными несущими элементами в подобных мостах служат арки, передающие на опоры не только вертикальное давление, но и распор, а при отсутствии шарниров в опорных сечениях — также изгибающие моменты. Наличие распора и опорных моментов приводит к уменьшению изгибающих моментов в арке по сравнению с однопролетной балкой той же длины. В силу этого поперечные сечения оказываются меньшими, а перекрывающая способность — большей, чем для балочной системы.
Особенно значительно снижение расчетных изгибающих моментов в бесшарнирных арках, где также наиболее равномерно распределяются усилия по их длине (рис. 8.1). Это облегчает конструирование и позволяет найти более экономичное решение. В результате защемления пят арок в таких конструкциях повышается жесткость и уменьшаются прогибы под временной нагрузкой. Однако на опоры при этом, помимо вертикального и горизонтального давления арок, передаются изгибающие моменты. Бесшарнирные арки наиболее чувствительны к изменениям температуры, смещениям и неравномерным осадкам опор. Дополнительные усилия от действия этих факторов в бесшарнирных арках наибольшие.
Основные особенности и область применения арочных пролетных строений

Введение шарниров приводит к увеличению изгибающих моментов в арках (между шарнирами), но одновременно уменьшает дополнительные усилия от действия температуры, смещений и неравномерных осадок опор. Особенно значительно возрастают моменты в одношарнирных арках, для которых характерна наибольшая неравномерность распределения усилий по длине. Чувствительность к действию температуры и неравномерным осадкам опор в них снижается незначительно. Поэтому в строительстве металлических мостов одношарнирные арки не применяют. В двухшарнирных арках величины изгибающих моментов близки к моментам в бесшарнирной арке при заметном уменьшении дополнительных усилий от действия температуры и неравномерных осадок опор. Трехшарнирные арки вообще не чувствительны к этим факторам при относительно небольшом увеличении усилий по сравнению с двухшарнирными арками.
С увеличением числа шарниров возрастают прогибы и возникают переломы продольного профиля проезжей части на мосту под действием временной нагрузки, что приводит к увеличению динамического воздействия временной нагрузки. Особенно заметны переломы продольного профиля при наличии шарнира в замке. Поэтому в железнодорожных мостах подобного избегают. Трехшарнирные арки оказываются целесообразными в мостах под автодорогу и при недостаточно прочных грунтах в основаниях опор. Таким образом, в металлических мостах применяют преимущественно пролетные строения с двух- и трехшарнирными арками.
Основные особенности и область применения арочных пролетных строений

Арки могут конструироваться сплошностенчатыми и решетчатыми (сквозными). Последние широко применяли раньше для перекрытия средних и больших пролетов. Преимущества сплошностенчатых арок (рис. 8.2, а, б) — относительная простота конструкции и изготовления, небольшое число стыков определили их предпочтительность в современных условиях. Величина пролетов, перекрытых в настоящее время сплошностенчатыми арками, превысила 300 м, разработаны проекты мостов с такими конструкциями, перекрывающими пролеты свыше 600 м.
Поперечное сечение арок при небольших пролетах принимается Н-образным, при средних и больших — коробчатым, и в отдельных случаях — кольцевым (трубчатым). Для повышения жесткости сплошностенчатых арок иногда их защемляют в опорах, переходя к бесшарнирной схеме. При относительно небольшой их жесткости дополнительные напряжения от изменения температуры и осадок опор не достигают значительных величин.
Мосты с решетчатыми арками (рис. 8.2, в, г) сложнее по конструкции и более трудоемки в монтаже, чем со сплошными стенками. Однако при значительных пролетах и тяжелой временной нагрузке они оказываются более экономичными по расходу металла. Кроме того, жесткость сквозных арок выше вследствие большей их геометрической высоты, чем сплошностенчатых. Поэтому сквозные арки применяют для перекрытия больших пролетов не только в автодорожных, но и в железнодорожных мостах. Мосты с решетчатыми арками устраивают шарнирными, так как высокая жесткость сквозных арок при защемлении пят в опорах приводит к значительным усилиям в них от изменения температуры и неравномерных осадок опор.
Криволинейность арки, основного несущего элемента, определяет необходимость устройства специальной конструкции для поддержания проезжей части. Наиболее благоприятно в конструктивном и архитектурном отношениях расположение проезжей части в уровне верха арок (см. рис. 8.2, а, б). При этом в пролетном строении удается рациональным образом скомпоновать арки, надарочную конструкцию и проезжую часть, а также понизить положение пят арок и тем самым уменьшить неблагоприятное воздействие распора на опоры моста.
Езда поверху, однако, не всегда возможна из-за необходимости обеспечить требуемый подмостовой габарит при фиксированных отметках проезда на мосту и на подходах. Это вынуждает переходить к конструкциям с ездой посередине (см. рис. 8.2, в) или понизу (см. рис. 8.2, г). Переход к расположению езды в пониженном уровне может быть также вызван недостаточным просветом между уровнем воды или верхом подмостового габарита и проезжей частью для размещения арок допустимой пологости. Увеличение стрелы арки понижением ее пят ограничено, так как пяты арки должны возвышаться над наивысшими уровнями воды и ледохода.
При езде понизу или посередине проезжая часть, соединенная с арками, препятствует их деформациям, работает как затяжка и воспринимает распор. Для предотвращения этого на участке проезжей части и в ветровых связях, расположенных ниже арок, могут устраиваться разрезы.
Считается, что по архитектурным качествам арочные мосты с ездой понизу или посередине уступают строениям с ездой поверху. Арки, возвышаясь над проезжей частью и разбивая ее на изолированные полосы, уменьшают полезную ширину мостового полотна, стесняют движение, ухудшают обозрение. Неблагоприятное впечатление производит нависающие над проезжей частью конструкции связей. Поэтому применение арочных мостов с ездой понизу или посередине для городских мостов требует тщательного архитектурного продумывания и сопоставления с вариантами других систем.
В целом расход металла в арочных мостах, как показывает опыт проектирования, оказывается меньшим, чем в балочных мостах, особенно при больших пролетах (длиной свыше 200...250 м). При оценке рациональности применения арочных мостов, помимо расхода металла на пролетные строения, необходимо учитывать и другие факторы.
Арочные пролетные строения значительно сложнее балочных конструкций. Длины и сечения их элементов зависят не только от перекрываемого пролета, но и от стрелы арки, которая может меняться в широких пределах, а также от очертания оси свода. Поэтому типизация конструкций затруднена, и сооружение их ведется в основном по индивидуальным проектам. Большое число элементов и стыков, разнообразие типов сечений, длин и иных геометрических характеристик усложняет изготовление арочных конструкций на заводах.
Наличие распора приводит к увеличению размеров и материалоемкости опор арочных мостов по сравнению с балочными, особенно при неблагоприятных грунтовых условиях. В отдельных случаях приходится отказываться от применения арочной системы.
При сооружении арочных мостов требуется более высокая точность изготовления и монтажа, так как отклонение от проектных размеров в геометрии арок может привести к существенным изменениям усилий в системе.
Характерной особенностью арочных пролетных строений является S-образный прогиб при несимметричном загружении временной нагрузкой, особенно заметный при применении современных марок сталей, прочность которых используется полностью.
Вследствие указанных особенностей арочные мосты под железнодорожную нагрузку при малых и средних пролетах уступают балочным и даже при хороших грунтовых условиях применяются редко. При пролетах свыше 150...200 м и при благоприятных грунтовых условиях в основании опор влияние недостатков арочных мостов становится менее заметным, что повышает их конкурентоспособность с другими системами.
Применение арочных сооружений в городах, особенно в железнодорожных мостах, также является предпочтительным в силу их высоких архитектурных качеств. Ярким примером этого служат два однотипных моста через Москва-реку в Лужниках — Краснолужский и Андреевский. Пологие серповидные арки делают их силуэты легкими и прозрачными. Интересен также Большой Каменный мост, перекрывающий Москву-реку легкими сплошными пологими арками с ездой поверху.
Пологость арок в мостах, характеризуемая отношением f/l, влияет на расход материалов на пролетные строения и опоры, а также на внешний вид, и колеблется в широких пределах, примерно от 1/2,5 до 1/18. В большинстве случаев она изменяется более ограниченно — от 1/6 до 1/10. В железнодорожных мостах минимальный расход металла соответствует пологости примерно 1/5. Пологие арки, как правило, выглядят лучше крутых, однако при этом увеличивается распор, что приводит к усложнению и удорожанию опор. Кроме того, пологие арки более чувствительны к температурным воздействиям. Чем по-ложе арка, тем больше вертикальные перемещения ее замка при изменениях температуры и большее влияние имеет изменение кривизны арки.
Очертание оси арки при заданном пролете и стреле целесообразно задавать из условия минимума добавочных моментов в сечениях арки, которые возникают от несовпадения оси арки с кривой давления. Так как очертание кривой давления зависит от положения временной нагрузки на пролетном строении, то абсолютного совпадения достигнуть невозможно. Поэтому на практике стремятся обеспечить наименьшие отклонения оси арки от крайних положений кривой давления, возникающих при загружении временной нагрузкой каждого из полупролетов, принимая за среднее положение кривой давления кривую, полученную при загружении всего пролета постоянной и половиной временной нагрузки. В металлических мостах, материал которых одинаково хорошо работает на восприятие осевых сил и изгибающих моментов, отклонение оси арки от оптимального очертания не существенно. Поэтому ось арки можно очертить по кривой давления только от постоянной нагрузки.
При равномерно распределенной нагрузке кривая давления имеет форму квадратной параболы. Однако из-за ее переменной кривизны затрудняется унификация узловых соединений, а в сквозных арках — унификация длин элементов решетки. От этого недостатка свободны арки, очерченные по круговой кривой, что объясняет их широкое применение наряду с параболическими. В то же время круговые арки уступают параболическим по расходу металла. Утяжеление тем больше, чем более заметно отклонение очертания оси от квадратной параболы. При пологих арках это различие незначительно, и очертание оси арок по круговой кривой может быть вполне оправданным.
Если ось арки очерчена по кривой давления от собственного веса, изгибающие моменты в ней вызываются только временной нагрузкой. Поэтому сечения арок в железнодорожных мостах должны быть более жесткими и иметь большую высоту, чем в автодорожных. Вместе с тем отклонение высоты сечения арок от оптимальной мало сказывается на расходе металла. Это позволяет в известных пределах варьировать высоту сечения, назначая ее из архитектурных соображений или условий изготовления, транспортировки и монтажа.
В многопролетных арочных мостах каждый пролет может перекрываться отдельной аркой, работающей независимо от других (рис. 8.3, а). Чтобы облегчить работу промежуточных опор в данном случае, распор от постоянной нагрузки, передающийся на промежуточные опоры от смежных пролетных строений, стараются уравновесить. Однако от временной нагрузки, находящейся в одном пролете от опоры, на промежуточные опоры будет действовать неуравновешенный распор. Поэтому опоры многопролетных арочных мостов при прочих равных условиях всегда массивнее и дороже промежуточных опор балочных мостов.
Основные особенности и область применения арочных пролетных строений

Освободить промежуточные опоры арочных мостов от действия распора, облегчить и удешевить их можно, объединив арки в неразрезную систему. Для этого концы арок смежных пролетов соединяют шарнирно, не соединяя (рис. 8.3, 6) или соединяя (рис. 8.3, в) арки поверху. Способы опирания на промежуточные опоры показаны на рис. 8.4. При таком решении на промежуточные опоры передается только вертикальное давление, и они могут иметь те же размеры, что и опоры балочных мостов. Однако при этом распор в арках снижается, а изгибающие моменты возрастают, что вызывает развитие поперечных сечения элементов арок и приводит к увеличению расхода стали.
Основные особенности и область применения арочных пролетных строений

Воздействие распора при сохранении достоинств арочных мостов можно уменьшить, использовав консольную систему. Удачным примером такого решения является Троицкий мост через Неву в Санкт-Петербурге, построенный в 1903 г. (рис. 8.5). Центральный пролет моста расчетной длиной 99,29 м перекрыт трехшарнирным арочно-консольным пролетным строением с консолями по 27,97 м, а крайние пролеты длиной по 56,65 м балочно-консольными конструкциями с консолями по 22,68 м. На концы консолей арочной и балочных конструкций опираются балочные подвесные пролетные строения длиной 33,26 м. Распор арок передается на промежуточные опоры, но величина его благодаря разгружающему действию консолей меньше, чем при однопролетной схеме. Использование арочно-консольной системы позволило получить экономичную конструкцию моста, отличающегося высокими архитектурными качествами.
Основные особенности и область применения арочных пролетных строений