Арки с затяжкой

Арка с затяжкой — один из простейших видов комбинированных систем. Ее применение в большинстве случаев обусловлено более высокими архитектурными качествами по сравнению с балочными конструкциями. По расходу металла, стоимости и трудоемкости изготовления и монтажа она уступает балочным пролетным строениям. Поэтому при проектировании арки с затяжкой одна из важнейших задач состоит в упрощении заводского изготовления для уменьшения трудозатрат и стоимости. Примером ее решения может служит конструкция пролетного строения под двухпутную железную дорогу, разработанная институтом Проектстальконструкция (рис. 9.5, а).
Пролетное строение расчетной длины 113 м включает сквозную арку, крайние узлы нижнего пояса которой соединены затяжкой. Центры узлов верхнего и нижнего поясов расположены на концентрических круговых кривых радиусами соответственно 94,76 м и 88,558 м, а сами элементы поясов прямолинейные. Длина панелей верхнего пояса арки — 11м, нижнего — 10,28 м. Исключение составляют крайние панели, в которых стержни нижних поясов укорочены до 9,858 м для того, чтобы крайние портальные раскосы решетки арок оказались вертикальными. При такой конструкции поясов расстояния между подвесками изменяются от 7,914 м до 10,263 м.
В случае прикрепления поперечных балок к узлам примыкания подвесок к затяжке возникло бы большое число типоразмеров продольных и поперечных балок, а также узлов прикрепления элементов балочной клетки. Поэтому было принято решение о внеузловом прикреплении поперечных балок к затяжке. При этом 19 панелей проезжей части имеют длину 5,498 м, а две крайние — по 4,269 м.

Подобное прикрепление привело к возникновению в затяжке изгибающих моментов, что потребовало увеличить ее сечение (рис. 9.5, б). Высота затяжки принята равной высоте поперечных балок проезжей части, в ней имеются две ветви, связанные поперечными диафрагмами и планками. Для выравнивания усилий по длине затяжки и уменьшения положительных изгибающих моментов, преобладающих над отрицательными, точка пересечения оси нижнего пояса арки с опорным сечением смещена от оси затяжки на 200 мм вверх. Вследствие этого в затяжке возникают дополнительные отрицательные моменты, уменьшающие расчетные положительные от временной нагрузки.
Продольные связи по верхнему поясу арок идут по всей длине пролетного строения, связи по нижнему поясу не доведены до концов пролетного строения по условиям габарита. Усилия с нижней системы продольных связей передаются на опоры через наклонные портальные рамы, устроенные в плоскости крайних панелей нижних поясов. Арки объединены между собой радиальными поперечными связями.
Продольные связи проезжей части размещены в уровне низа затяжек. Тормозные рамы, передающие усилия с проезжей части на затяжки, образованы жестким прикреплением продольных связей, установленных в уровне затяжек, к нижним поясам продольных балок и устроены в четвертях пролета. Чтобы уменьшить изгиб поперечных балок в горизонтальной плоскости от удлинения затяжек, продольные балки в середине пролетного строения разрезаны.
Высота продольных балок балочной клетки — 1210 мм, поперечных — 1550 мм. Верхние пояса продольных и поперечных балок размещены в одном уровне, «рыбки» по нижним поясам продольных балок пропущены сквозь прорези в стенке поперечных. Последние прикрепляют к затяжкам с помощью уголков и горизонтальных фасонок. Для равномерного распределения нагрузки между обеими ветвями затяжки между ними в плоскости поперечных балок поставлены поперечные диафрагмы. Все элементы арок и подвески имеют Н-образное сечение.
При узловом прикреплении поперечных балок затяжка испытывает только растяжение от действия распора, и ее сечение может быть сравнительно небольшим. Однако при постоянных панели проезжей части и шаге подвесок длина панелей арок получается переменной. Примером может служить конструкция пролетного строения моста расчетным пролетом 100,48 м, запроектированная институтом Ленгипротрансмост для крупного железнодорожного моста (рис. 9.6).

Пролетное строение с ездой посередине имеет сквозную арку, расстояние между поясами которой изменяется от 3,5 м в замке до 14,11 м над опорами. Элементы арки и затяжка имеют коробчатое сечение, раскосы арочного заполнения — коробчатое и Н-образное, подвески — Н-образные. Шаг подвесок равен 6,28 м. Поперечные балки прикрепляются к подвескам и передают непосредственно на арки нагрузку проезжей части. Пролетное строение выполнено из стали 15ХСНД, масса металла конструкций — 460 т.
В рассматриваемых пролетных строениях возможно использование в качестве затяжки продольных балок и ортотропной плиты проезжей части. Примером служит пролетное строение моста через реку Майн в Германии (рис. 9.7). Каждая арка пролетного строения выполнена из двух труб диаметром 2000 мм и толщиной стенки 20 мм, связанных по всей длине продольной диафрагмой, поставленной по оси арки.

Стенки труб I усилены с внутренней стороны поперечными диафрагмами 2 и продольными ребрами жесткости 3. Диафрагмы 4, 5 имеются и с наружной стороны трубчатых арок и служат для прикрепления подвесок 6. Концы подвесок приварены непосредственно к ортотропной плите проезжей части, и с помощью продольных фасонных листов включают в работу шесть продольных балок проезжей части по всей ширине моста.
Как было отмечено, при использовании наклонных подвесок и большой собственной массе строения элементы решетки оказываются растянутыми, и их можно сделать гибкими. Такая конструкция применена на мосту под совмещенную нагрузку через морской залив в Дании (рис. 9.8). Главный пролет перекрыт пролетным строением типа арки с затяжкой расчетной длиной 248,4 м. Распор жесткой арки воспринимается проезжей частью, подвешенной к аркам на гибких наклонных стальных канатах.

Размещение транспортных путей в одном уровне несимметрично, так как при симметричном расположении полос каждого направления движения автомобильного транспорта по обе стороны железнодорожного пути, создаются большие сложности для развязки железной и автомобильной дорог на подходах к мосту. Ho несимметричное расположение транспортных путей привело к значительной неравномерности распределения тяжелой железнодорожной нагрузки между арками: более 80 % передается ближайшей к железнодорожному пути арке, и только 20 % противоположной. Для лучшего вовлечения менее нагруженной арки в совместную работу с более нагруженной обе в средней трети объединены в единую конструкцию. Кроме того, арки наклонены друг к другу под углом 13° к вертикали. При этом расстояние между арками в замке составило 3,6 м, в то время как в уровне проезда оно равно 23 м.
Использование наклонных подвесок позволило избежать S’-образного прогиба пролетного строения и увеличить жесткость до требуемых для железнодорожной нагрузки значений. В случае вертикальных подвесок прогиб от временной нагрузки при принятых из условий прочности и устойчивости сечениях арок оказывался недопустимо большим — 67 см или 1/370 пролета. Поэтому подвески были наклонены в обоих направлениях под углом 55° к линии проезда.
Рассчитанные как раскосы балочной фермы с жестким верхним поясом, подвески имеют двузначные линии влияния с относительно небольшими отрицательными площадями. Работа на сжатие таких подвесок исключается, если сжимающее усилие от временной нагрузки, размещенной в пределах отрицательного участка линии влияния, не превышает растягивающего усилия от постоянной нагрузки, распределенной вдоль всего пролета. Интенсивность постоянной нагрузки от веса проезжей части со стороны железнодорожного пути оказалась для указанной цели недостаточной. Ее пришлось искусственно увеличить специальным балластом, состоящим из бетона и металлического лома, уложенным в 50 ящиков размером 1,25х1,9х0,4 м, которые прикрепляли между продольными балками железнодорожного пути. Это позволило исключить сжимающие усилия в подвесках и выполнить их гибкими из стальных канатов закрытого типа диаметром от 69 мм до 104 мм. Обе арки имели одинаковые габаритные размеры 1,9х3 м. Однако листы, составлявшие коробчатое сечение, со стороны железной дороги были толще, чем со стороны автопроезда.
Принятая конструкция арки с затяжкой и наклонными подвесками не имела S-образного прогиба, причем расчетный максимум в середине пролета составил всего 12,7 см или 1/1955 пролета.
В отдельных случаях может оказаться рациональным решение, при котором распор распределяется между затяжками и опорами моста. Интересные результаты были получены при разработке проекта нового Андреевского моста, конструкция которого описана выше.
При сечениях арки, подобранных из условий прочности и устойчивости, и независимо работающей проезжей части, расчетная величина прогиба от временной нагрузки составила 451 мм или 1/299 длины пролета, что было недопустимо. Увеличение сечений элементов арок незначительно сказывалось на уменьшении деформаций. Так, при повышении площади сечения верхнего пояса на 65 %, нижнего на 30 % прогиб уменьшился только на 20 %. При этом масса металла возросла на 120 т.
Чтобы уменьшить прогибы от временной нагрузки, было предложено заменить арочную систему комбинированной, объединив проезжую часть и продольные связи с арками. Однако это практически не сказалось на прогибах, они составили 449 мм. Одновременно продольные перемещения концов проезжей части на устоях при загружении временной нагрузкой, вызванные деформациями арок и перемещениями их узлов как по вертикали, так и по горизонтали, возросли и достигли 120 мм. Поэтому было решено дополнительно прикрепить шарнирно проезжую часть к устоям, что позволило не только полностью устранить продольные перемещения концов проезжей части, но и уменьшить прогибы в четыре раза, доведя их до 114 мм или 1/1184 длины пролета.
В конструкции использованы горизонтальные диафрагмы, объединяющие проезжую часть и арки и обеспечивающие включение проезжей части в совместную работу с арками. Диафрагма выполнена в виде двутавра и присоединяется к аркам по длине раскоса, расположенного под небольшим углом к горизонтали. Продольные балки расположены выше диафрагмы и прикрепляются к ней косынками, приваренными к диафрагме и присоединенными болтами к нижним поясам балок.
Анкерное крепление продольных балок на устоях запроектировано в виде болта-шарнира (рис. 9.9). Продольные усилия от постоянной нагрузки в анкерном закреплении не возникают, так как оно выполняется после монтажа конструкции. Величина распора, воспринимаемого анкерным закреплением каждой продольной балки от действия временной нагрузки, достигает 3200 кН. Распор, передаваемый на устои непосредственно аркой с учетом распора от постоянной нагрузки, составляет 25500 кН. Вертикальное усилие, воспринимаемое одним болтом-шарниром, равно 750 кН.

Арки с затяжками с ездою понизу могут быть также неразрезными, если нет опасности неравномерных осадок опор. На рис. 9.10, а показана схема моста под двухпутную железную дорогу через р. Даугаву в г. Риге с неразрезным пролетным строением типа арки с затяжкой. Жесткое объединение арок в смежных пролетах привело к уменьшению расчетных усилий в арках и затяжках и увеличению вертикальной жесткости пролетного строения. По сравнению с балочным неразрезным пролетным строением (рис. 9.10, б) принятый вариант требовал металла на 327,6 т больше. Однако благодаря описанным выше приемам типизации арок и некоторому увеличению сечения затяжки, допускающей внеузловое прикрепление поперечных балок проезжей части, оказался более простым и дешевым в изготовлении.