Мосты со сплошностенчатыми арками

В пролетных строениях арочных мостов с ездой поверху надарочная конструкция включает стойки, опирающиеся на них надарочные прогоны и поперечные балки. Шаг стоек определяется условием минимального расхода металла на надарочную конструкцию и архитектурными соображениями. Наличие надарочных прогонов позволяет назначать оптимальное расстояние между поперечными балками не зависимо от шага стоек.
В пределах замковой части прогоны могут проходить над арками (рис. 8.6, а) или располагаться в их уровне (рис. 8.6, б, в). В первом случае упрощается конструкция проезжей части в середине пролета, во втором и третьем удается уменьшить строительную высоту пролетного строения в замке.

Возможно устройство надарочной конструкции и без надарочных прогонов. В этом случае к стойкам прикрепляют поперечные балки, на которые опираются продольные балки, поддерживающие мостовое полотно (рис. 8.7). Над арками в уровне проезжей части проходят горизонтальные элементы (ветровые пояса), являющиеся верхними продольными связями. Поэтому продольные балки необходимо устанавливать на поперечные ярусно. Об отрицательных особенностях такой этажной конструкции проезжей части говорилось в главах 3, 7.
При воздействии температуры длина арки изменяется, и ее узлы перемещаются по вертикали, так как пролет, определяемый расстоянием между центрами опорных узлов, остается неизменным. Надарочные прогоны и продольные балки проезжей части при этом деформируются вдоль своей оси. В результате верхние концы стоек смещаются относительно нижних концов, и в стойках возникают дополнительные напряжения. Они вызываются также совместной работой арок и надарочной конструкции. Если соединить стойки с арками и прогонами не жестко, а шарнирно, дополнительные напряжения в стойках возникать не будут. Во многих случаях достаточно только шарнирно соединить наиболее короткие стойки (см. рис. 8.6, о), находящиеся в местах, где дополнительные напряжения от указанных факторов оказываются наиболее высокими.

Стойки, кроме изгиба в плоскости арок, испытывают изгиб в поперечном направлении вследствие деформаций поперечных балок и из-за различного прогиба соседних арок под временной нагрузкой. Он возрастает с увеличением ширины моста и расстояния между соседними стойками. Для устранения дополнительных напряжений от изгиба не только в плоскости арок, но и в поперечном направлении, опирание стоек в мостах больших пролетов при большой ширине устраивают с шаровыми шарнирами, обеспечивающими возможность свободного поворота в любом направлении.
При сопряжении проезжей части на пролетном строении и опорах крайние стойки можно устанавливать вплотную к опорным узлам (рис. 8.8, а) или с помощью специальных переходных балок, опирающихся на крайние стойки и опоры (рис. 8.8, б). Первое решение, широко применяемое в автодорожных мостах, конструктивно наиболее простое. Однако оно имеет недостаток — различную величину вертикальных деформаций легких стоек и массивных опор от действия температуры и под нагрузкой. Это приводит к образованию в проезжей части «порога» у опор и увеличенному динамическому воздействию нагрузки, особенно железнодорожной. Поэтому в железнодорожных мостах сопряжение устраивают с помощью переходных балок (см. рис. 8.8, б).

Для обеспечения пространственной неизменяемости арочных пролетных строений, предотвращения потери арками устойчивости и восприятия поперечной нагрузки в них, подобно балочным конструкциям, устраивают системы связей (см. рис. 8.2, а, б).
В мостах с ездою поверху устанавливают нижние продольные связи между арками и верхние в плоскости проезжей части. При высоких арках нижние связи могут устраиваться в плоскости обоих поясов арок. В широких автодорожных мостах с жесткой железобетонной или ортотропной плитой проезжей части роль верхних продольных связей выполняет проезжая часть. При этом в ее уровне могут устанавливаться лишь монтажные связи, необходимые во время сборки надарочной конструкции. Поясами нижних продольных связей служат арки, верхних — надарочные прогоны, а при их отсутствии — специальные ветровые пояса, устанавливаемые в плоскости арок.
Поперечная нагрузка передается верхними продольными связями на арки в середине пролета, крайние стойки, объединенные поперечными связями, или непосредственно на опоры.
При устройстве поперечных связей между всеми стойками создаются наиболее благоприятные условия для передачи поперечной нагрузки, что позволяет отказаться от установки верхних продольных связей. Поперечная нагрузка с проезжей части будет передаваться с каждой панели поперечными связями на нижние продольные связи между арками. Однако при установке поперечных связей в плоскости всех стоек внешний вид моста ухудшается, так как решетки их связей при взгляде со стороны накладываются друг на друга, создавая неблагоприятное впечатления запутанности и загроможденности конструкции. Поэтому в городских и автодорожных мостах ограничиваются постановкой поперечных связей только в плоскости крайних стоек, наиболее близких к опорам.
В отдельных случаях в автодорожных мостах вообще отказываются от устройства поперечных связей. В этом случае поперечная горизонтальная нагрузка с верхних продольных связей может передаваться на опоры различными способами.
Можно передать ее через замок арки на нижние продольные связи между арками и далее на опоры моста. Имеется решение с жесткими рамами, образуемыми стойками и поперечными балками. Для обеспечения необходимой жесткости рам сечения стоек могут быть увеличены.

Горизонтальная поперечная нагрузка может быть передана верхними продольными связями непосредственно на опоры моста. Подобный способ использован на арочном мосту через реку Ниагара (США), высота стоек в котором достигает 44 м (рис. 8.9, а). Для этого диагонали крайней панели верхних продольных связей заведены в опору и закреплены от перемещений в поперечном направлении (рис. 8.9, б). При достаточной жесткости арок в автодорожных мостах возможен отказ и от нижних продольных связей с передачей всей горизонтальной нагрузки на опоры непосредственно арками.
В качестве примера одного из крупнейших в мире арочных мостов со сплошностенчатыми арками можно привести мост через водохранилище на реке Влтава в Чехии (рис. 8.10, а), перекрывающий зеркало воды одним пролетом. Для расположения пят арок выше горизонта воды, уменьшения расчетного пролета и получения приемлемой пологости стальных арок в качестве их опор использованы железобетонные консоли, заделанные в фундаменты. Пятовые шарниры установлены на концах консолей. Пролет арок составил 330 м при стреле 42,5 м. Однако при непосредственном опирании арок на опоры и устройстве пятовых шарниров выше зеркала воды арки оказывались слишком пологими, и потребовалось сооружение мощных устоев, способных воспринять возникающий при этом распор.

В поперечном сечении поставлены две сплошностенчатые коробчатые арки (рис. 8.10, б), оказавшиеся с учетом стоимости изготовления и монтажа экономичнее сквозных. Расстояние между осями арок составило 13 м. Между собой арки связаны двумя ярусами продольных связей в уровне верхнего и нижнего поясов, а также сквозными поперечными связями.
Сечение арок (рис. 8.10, в) составленоиз двух сварных двутавров высотой 5048 мм со стенкой толщиной 14 мм и поясами сечением 400х24 мм, объединенных горизонтальными пакетами поясных листов сечением 1400х22 мм. Число листов зависит от действующих усилий и меняется по длине арок от одного до трех. Из-за сложности сварки толстых листов пакеты прикреплены к двутаврам на заклепках. По высоте двутавры составлены из двух монтажных блоков. Каждая стенка арок укреплена пятью продольными ребрами жесткости из уголков сечением 150х100х10 мм. Три ребра приварены с внутренней стороны коробок, а два — с наружной для улучшения внешнего вида однообразной плоской лицевой поверхности высоких арок.
Стойки выполнены из стальных труб диаметром от 450 до 1000 мм с толщиной стенок от 10 до 14 мм и сопрягаются с арками и надарочными прогонами с помощью литых шаровых шарниров (рис. 8.10, г). Для уменьшения колебаний стоек от действия ветра, замеченных при монтаже, внутренние полости стоек заполнены гравием. Шаг стоек — 23,4 м.
Проезжая часть состоит из надарочных прогонов высотой 1750 мм, поперечных балок высотой 917 мм, расставленных с шагом 2,6 м, и железобетонной плиты толщиной 160 мм. При помощи жестких упоров плита включена в совместную работу со стальными поперечными балками, образуя сталежелезобетонную конструкцию проезжей части. Горизонтальная продольная нагрузка передается проезжей частью на арки в замке, поперечная — на арки в замке, оголовки арочных опор и устои.
Удачно применена сплошностенчатая арочная система в расположенном в центре Санкт-Петербурга Биржевом мосту через реку Малая Нева. Пятипролетный мост имеет симметричную схему разбивки с плавным увеличением длины пролетов к середине моста. Центральный пролет величиной 46 м перекрыт разводным строением раскрывающейся системы, работающим в наведенном положении по схеме трехшарнирной арки. Примыкающие к разводному стационарные, а также крайние пролеты длиной соответственно 40,8 м и 35,2 м перекрыты двухшарнирными арочными строениями. Их применение для перекрытия стационарных пролетов позволило сделать менее заметной большую толщину опор разводного пролета, размеры которых определились из условий размещения внутри опор противовесов.
Цельносварные арочные строения, перекрывающие стационарныепролеты по 40,8 м и 35,2 м, конструктивно одинаковы. В поперечном сечении поставлены четыре коробчатые арки. Размеры поперечных сечений крайних арок — 724х932 мм, средних — 832х955 мм. Проезжая часть включает поперечные балки, расставленные с шагом 5,8 м, продольные балки, установленные в плоскости арок, и железобетонную плиту толщиной 140 мм.
При установке стоек с шагом 5,8 м, равным расстоянию между поперечными балками, возникло бы зрительное несоответствие большого шага стоек с остальными пропорциями моста. Поэтому шаг 5,8 м принят только на средних арках, а на крайних (фасадных) устроены дополнительные (ложные) стойки, прикрепленные только к аркам своими нижними концами. Это зрительно уменьшило расстояние между стойками до 2,9 м и придало элементам пролетных строений пропорциональность, а силуэту моста законченную выразительность.
Роль верхних продольных связей в рассматриваемом примере выполняет железобетонная плита проезжей части. По архитектурным соображениям от нижних продольных и поперечных связей было решено отказаться. Необходимая пространственная жесткость пролетных строений и передача поперечной ветровой нагрузки на жесткие коробчатые арки обеспечиваются трехпролетными поперечными рамами, образуемыми стойками и поперечными балками. Для повышения жесткости рам узлы присоединения поперечных балок к стойкам усилены. Все заводские и монтажные соединения выполнены на сварке.
Широкое внедрение вычислительных средств, новых сварных заводских и монтажных соединений, технологических приемов изготовления и сборки создало предпосылки для разработки принципиально иных конструкций арочных мостов. В частности, за рубежом находят применение трубчатые арки, в отдельных случаях заполненные внутри бетоном. Трубчатое сечение, обладая одинаковым моментом инерции во всех плоскостях, является идеальным при работе на сжатие. Серьезный недостаток этих конструкций — сложность узловых соединений, что в частности препятствовало их применению в эпоху господства заклепочных соединений. Заметим, что первый в бывш. СССР трубчатый мост с алюминиевыми арками пролетом 32,7 м был сооружен в 1969 г. в Ленинграде через канал Грибоедова.

Примером конструкции из трубчатых арок может служить автодорожный мост в Чехии пролетом 67,5 м (рис. 8.11). Основным несущим элементом пролетного строения является стальная арка кольцевого сечения диаметром 900 мм и толщиной стенки 30 мм. Для повышения ее несущей способности и устойчивости внутренняя полость заполнена бетоном. Ось арки очерчена по дуге радиусом 74,45 м. Через 6 м на арку опираются наклонные стойки треугольного очертания, имеющие размер поверху, равный 4300 мм. Применение наклонных стоек позволило снизить распор и уменьшить размеры опор. Стойки поддерживают монолитную железобетонную плиту проезжей части.
В одном из вариантов проекта моста Милло через реку Тарн во Франции арочным пролетным строением со сталежелезобетонной трубчатой аркой перекрывается рекордный по величине пролет 602 м (рис. 8.12). Основным элементом конструкции служит стальная трубчатая арка диаметром 7200 мм. Имеющая сравнительно небольшую массу и достаточную несущую способность, стальная арка используется затем для бетонирования наружной железобетонной оболочки с доведением диаметра трубчатого комбинированного сечения до 8000 мм. Стойки и проезжая часть выполнены из железобетона.