Общая характеристика пролетных строений комбинированных систем и рамных мостов

Пролетные строения комбинированных систем могут образовываться двумя основными способами: объединением обычных (простых) систем; введением в состав простой системы дополнительных элементов. Примеры комбинированных систем первого типа: сочетание балки с аркой, балки со сквозной фермой, балки с арочным шпренгелем. Системы второго типа могут образовываться, например, введением в обычную арку затяжки, соединяющей опорные узлы.
Обычно такие системы не имеют преимуществ по сравнению с простыми системами, в том числе и с балочной, по расходу металла. Они более сложны по конструкции, более трудоемким является их монтаж. Тем не менее они находят применение в ряде случаев, так как архитектурно весьма выразительны. Поэтому им отдают предпочтение в городских условиях.
Наиболее распространены комбинированные системы, в которых сочетаются балочная и арочная системы, причем и балки, и арки могут быть как сплошностенчатыми, так и сквозными. В случае езды понизу образуется система, в которой распор арки воспринимается балкой. Тогда по характеру воздействия на опоры система внешне работает как балочная безраспорная. Это позволяет значительно уменьшить стоимость опор, особенно возводимых на недостаточно прочных грунтах, по сравнению с арочной системой. Свойства системы, внешний вид, характер работы арки и балки во многом зависят от соотношения жесткости ее компонентов.
Если выполняется соотношение EIа/EIб > 80...100, т.е. жесткость на изгиб арки значительно превышает жесткость балки, то балка в основном работает на восприятие распора арки и называется затяжкой, а система — аркой с затяжкой (рис. 9.1, а, б). Наличие арки определяет сохранение в такой конструкции особенности распорных арочных систем — S-образного прогиба при несимметричном загружении временной нагрузкой. Работа арки и ее конструкция мало отличаются от обычных арочных мостов. Ho масса пролетного строения по сравнению с арочным распорным увеличивается из-за дополнительного расхода металла на устройство затяжек. Кроме того, уменьшение распора из-за деформаций затяжки приводит к увеличению изгибающих моментов и утяжелению самих арок. Мала экономия металла и по сравнению с балочными конструкциями.
Если затяжку расположить несколько выше опорных узлов, получится пролетное строение с ездой посередине (рис. 9.1, в). Такая конструкция по архитектурным соображениям была принята при строительстве большого разводного железнодорожного моста через реку Неву в Санкт-Петербурге, сооруженного в 1912 г. В 1988 г. на его втором пути был возведен новый мост, аналогичный по системе и внешнему виду. Немалую роль в этом сыграли соображения архитектуры.

Если сечение затяжки увеличивать, развивая ее в высокую, жесткую балку, то арку можно облегчить, сделать гибкой, способной воспринимать только продольную сжимающую силу. При соотношении моментов инерции балки и арки EIб/EIа ≥ 80...100 поперечная сила и изгибающий момент воспринимаются в основном балкой. При этом возникает новая система, называемая гибкой аркой с жесткой затяжкой или аркой с балкой жесткости (рис. 9.1, г).
Жесткая балка, работающая на изгиб и растяжение, дает возможность внеузлового прикрепления балок проезжей части и тем самым оптимизации балочной клетки по минимуму массы. При средних пролетах наличие арки позволяет облегчить сечение балки, сделать ее, например, двутавровой и упростить изготовление, особенно в сварном варианте. Наличие балки жесткости облегчает монтаж при надвижке и сборке на отдельных опорах крупными блоками. В такой конструкции арка работает только на сжатие, поэтому ее элементы делают прямолинейными.
При достаточно прочных грунтах в основаниях опор может оказаться выгодным применение балки, усиленной снизу гибкой аркой, передающей распор на опоры (рис. 9.1, д). В данной конструкции распор не передается на балку жесткости, а моменты меньше, чем в простой балке такого же пролета, что позволяет сделать более экономичным сечение балки. Расход металла на балку можно дополнительно уменьшить, если передавать ее вес на арку через временные монтажные шарниры. Наличие балки жесткости позволяет осуществить внеузловое прикрепление элементов проезжей части. Система обладает благоприятным внешним видом.
Вместе с тем из-за S-образного прогиба арки опорные реакции балки жесткости могут быть знакопеременными, поэтому ее опорные закрепления должны воспринимать отрицательные опорные реакции. Следует отметить, что такой прогиб при расположении временной нагрузки на части пролета требует проверки прогибов арочных комбинированных систем. Это ограничивает, но не исключает их использование в железнодорожных мостах.
Комбинация балки жесткости и арки в трехпролетной безраспорной системе с ездой поверху приведена на рис. 9.1, е, посередине - на рис. 9.1, ж. Последнее решение может оказаться рациональным в случае недостаточного строительного просвета.
При одинаковых пролетах, высоте моста и нагрузке рас-пор, передаваемый на балку жесткости при езде посередине меньше, чем при езде поверху. Однако конструкция пролетного строения сложнее, обладает уже описанными ранее недостатками решетчатых систем с ездой понизу и посередине.
Распространены комбинированные системы, получаемые усилением неразрезных балок над промежуточными опорами подпругами в виде полуарок (рис. 9.1, з). На приопорных участках они передают распор на балку. Арки увеличивают высоту конструкции в зоне действия максимальных отрицательных моментов над промежуточными опорами, сокращая объем их кладки. Одновременно увеличение жесткости в зоне действия отрицательных моментов приводит к некоторому уменьшению положительных моментов в пролетах.
Характер деформации пролетного строения в рассматриваемой системе определяется особенностью деформации арки при ее несимметричном загружении, из-за чего балка жесткости также имеет S-образный изгиб. В ней действуют изгибающие моменты разных знаков с преобладанием положительного момента вследствие деформаций подвесок и продольных деформаций арки (рис. 9.2, а). Чтобы уменьшить расчетные положительные моменты, можно прикрепить арку к балке жесткости с эксцентриситетом относительно ее оси. Благодаря этому распор будет вызывать в балке жесткости отрицательные моменты, выравнивающие в ней расчетные изгибающие моменты (рис. 9.2, б).

Особенностью системы является возможность регулирования внутренних усилий с целью оптимизации напряженного состояния и получения минимального расхода металла. Так, при строительстве в г. Омске моста через реку Иртыш (1978 г.) неразрезные балки надвинули в пролет, затем поддомкратили их на временных опорах. После этого деформированное состояние было зафиксировано с помощью арочных подпруг (рис. 9.3). Искусственное создание в конструкции изгибающих моментов обратного знака позволило уменьшить расчетные изгибающие моменты при наиболее невыгодном положении временной нагрузки.
Неразрезные балки можно усилить и при помощи решетчатых ферм с криволинейным нижним поясом (рис. 9.4, а). Это позволяет облегчить работу балки на действие поперечной силы. Кроме того, использование решетчатых подпруг благоприятно при навесной сборке пролетных строений.

Комбинированная система, предложенная профессором К.Г. Протасовым, состоит из фермы с треугольной решеткой, нижний пояс которой выполнен в виде жесткой балки. Она способна воспринимать изгибающие моменты от внеузлового прикрепления поперечных балок проезжей части (рис. 9.4, б). В такой конструкции, как и в арке с жестким нижним поясом, можно выбрать независимо оптимальные размеры как панели треугольной решетки фермы, так и панели проезжей части, не используя дополнительные элементы в виде подвесок, стоек и шпренгелей.
Если в ней применить ферму с полигональным верхним поясом, то получится система (рис. 9.4, в), внешне похожая на изображенную на рис. 9.1, г, но имеющая иные статические свойства и характер работы. В такой системе исключается S-образный прогиб от загружения временной нагрузкой части пролета, характерный для арок, что повышает ее жесткость. Можно добиться изменения высоты фермы по закону изменения изгибающих моментов в балке. Тогда усилия в панелях верхнего пояса по его длине будут почти постоянны.

Очертание оси арки по параболе приводит к относительно небольшим расчетным усилиям в раскосах. Это облегчает конструирование узлов, элементов решетки и верхнего пояса. Если постоянная нагрузка существенно выше временной вертикальной, что характерно для большепролетных автодорожных мостов, большинство раскосов решетки оказываются растянутыми при любом положении временной нагрузки, что позволяет выполнить их гибкими. Недостатком системы является различная длина элементов решетки и наличие переломов верхнего пояса во всех узлах, что затрудняет стандартизацию длин элементов решетки и усложняет конструкцию узлов.
К комбинированным системам второго типа относятся также все современные висячие и вантовые мосты, в состав которых, как правило, входит балка жесткости, но в данном учебнике они не рассматриваются.