Подбор, расстановка и расчет опорных частей металлических мостов

Прежде всего опорные части подбирают, исходя из назначения пролетного строения, его статической схемы, величины опорных реакций и перемещений опорных сечений, конструкции материала опор и пролетного строения. Важное значение имеют также расположение моста и пролетного строения в плане и профиле.
В общем случае при вычислении расчетных перемещений Δp опорных частей учитывают перемещения от изменения температуры Δt, усадки и ползучести бетона Δσ, временной вертикальной нагрузки Δвр, сил торможения Δт подвижного состава:

Перемещения от Δt определяют от нормативных перепадов температуры конструкции, равных амплитуде колебания температуры воздуха ΔT = Tmax - Tmin. За Tmin принимают среднюю температуру наиболее холодной пятидневки в районе строительства в соответствии с требованиями СНиП 23-01—99 «Строительная климатология» с обеспеченностью 0,98 для стальных и сталежелезобетонных пролетных строений. В качестве Tmax принимают среднюю температуру воздуха самого жаркого месяца по СНиП, увеличенную на 5 °C для сталежелезобетонных и на 10 °C — для стальных пролетных строений. При вычислении температурных перемещений коэффициент надежности по нагрузке принимают равным 1,2.
Нормативное перемещение от воздействия усадки и ползучести бетона Δσ учитывают по СНиП 2.05.03—84, принимая коэффициент надежности по нагрузке равным 1,1.
Перемещения от временной нагрузки определяют при загружении одного или двух примыкающих к опоре пролетных строений. При этом ее положение сохраняют и при вычислении перемещений от тормозных сил Δт, действующих в одном направлении. Коэффициенты надежности к временным нагрузкам принимают по нормам.
Как правило, для железнодорожных мостов применяются металлические опорные части: плоские, тангенциальные, секторные или катковые. Поскольку ширина пролетных строений не превышает 10...12 м, они снабжаются на одном конце неподвижными опорными частями, а на другом — подвижными в продольном направлении (рис. 10.12, а). При неразрезных пролетных строениях применяют аналогичную схему расстановки: на одной из центральных опор устанавливают две неподвижные опорные части, а на остальных — продольно-подвижные опорные части.

Выбирая расстановку опорных частей, необходимо иметь в виду, что в железнодорожных мостах при перемещениях, собирающихся с температурного пролета длиной более 100 м, рельсовый путь требует установки уравнительных приборов на подвижных концах пролетных строений. Поэтому нужно стремиться, с одной стороны, к уменьшению температурных пролетов рельсового пути, а с другой — к минимизации числа стыков пути, где требуются уравнительные приборы.
Городские и автодорожные мосты отличаются большим разнообразием ширины, плана и профиля. В первую очередь, это относится к эстакадам, путепроводам и транспортным развязкам, когда сложные по организации движения сооружения приходится вписывать в сравнительно ограниченное пространство. Становится необходимым располагать сооружения на кривых малых радиусов и с предельными величинами уклонов, использовать неразрезные пролетные строения большой или переменной ширины, применять нерегулярную разбивку сооружений на пролеты для сохранения сложных пересекаемых подземных и наземных инженерных коммуникаций и дорог. Эти обстоятельства определяют особенности подбора и расстановки опорных частей на городских и автодорожных мостах. Прежде всего, очень затруднено применение тангенциальных, секторных, валковых и катковых опорных частей. Естественно, прямые разрезные и неразрезные пролетные строения ограниченной ширины можно надежно и просто опирать и с помощью указанных металлических конструкций. К настоящему времени более экономичные опорные части скольжения с использованием синтетических материалов практически полностью заменили металлические в автодорожных мостах. Последние (тангенциальные, секторные, катковые) применяют, главным образом, при ремонте.
Действующими нормами допускается не принимать во внимание поперечные перемещения конструкции, если расстояние между опорными частями в одном сечении не превышает 15 м. Считается, что в этом случае возможные перемещения очень незначительны и не превысят неплотностей в швах опорных частей. В узких мостах опорные части располагают по аналогии с железнодорожными мостами: в одном сечении две неподвижные, в остальных — продольно подвижные (см. рис. 10.12, и).
При расстоянии более 15 м между центрами опорных частей, расположенных на одной опоре, необходимо учитывать температурные деформации пролетного строения поперек моста. В связи с этим опорные части устраивают по одной из схем, показанных на рис. 10.12, б, в.
На одной из опор может быть установлена шарнирно неподвижная опорная часть и опорная часть, обладающая подвижностью только в поперечном направлении (см. рис. 10.12, б). На другой устанавливают одну часть продольно подвижного типа, вторую обладающую продольной и поперечной подвижностью (двоякоподвижная). В связи со сложностью конструирования опорных частей последнего вида в качестве таковых применяют либо двухъярусные опорные части (с перемещениями поперек моста в нижнем ярусе и вдоль моста — в верхнем) или устанавливают продольно подвижные опорные части в диагональном направлении (см. рис. 10.12, в).
Такое решение обеспечивает равномерные перемещения конца пролета вдоль и поперек моста, но затрудняет перемещения, вызываемые неравномерным нагреванием конструкций солнечными лучами, а также их деформациями под временными нагрузками.
В широких неразрезных мостах опорные части располагают по полярно-лучевой схеме, учитывающей, главным образом, направление удлинений и укорочений под влиянием температуры, которые составляют большую часть суммарных перемещений (рис 10.12, г). При этом за полюс принимается неподвижная точка, которой может быть либо неподвижная опорная часть, если она одна в данном опорном сечении, либо середина между двумя неподвижными опорными частями. Больше двух неподвижных частей в сечении располагать не рекомендуется, т.к. установка их на одной поперечной оси вращения затруднительна. В результате одна из опорных частей может не включиться в работу на восприятие горизонтальных сил.
В кривых в плане сооружениях перемещения происходят в различных направлениях. Ho скользящие опорные части позволяют практически полностью решить возникающие при этом проблемы. При использовании той же полюсно-лучевой схемы за полюс принимается неподвижная опорная часть на устое. В остальных точках устанавливают всесторонне подвижные и линейно подвижные опорные части с направлением движения вдоль лучей и воспринимающие горизонтальные силы в поперечном направлении пролетного строения. Следует отметить, что при полюсно-лучевом опи-рании необходимо использовать деформационные швы, имеющие достаточную поперечную подвижность. Обязательным требованием является применение опорных частей, допускающих всесторонние повороты опорных сечений, поскольку широкие пролетные строения испытывают изгиб в поперечном направлении.
После выбора типа и конструкции опорных частей их проверяют и назначают размеры подферменных площадок, которые должны отвечать требованиям норм в зависимости от величины пролета и типа опорной части. Проверяют также расчетом на местные напряжения, соответствует ли прочность бетона давлению, которое передает опорная часть через нижнюю опорную плиту на подферменную площадку. Подферменные площадки армируют сварными сетками.
Опорные части рассчитывают поэлементно. При этом, как правило, пользуются формулами сопротивления материалов, несмотря на то, что элементы имеют сопоставимые размеры, и эти формулы достаточно условно отражают напряженное состояние элементов.
Как правило, расчет начинают с определения достаточности размеров в плане опорных плит (балансиров). Во всех типах опорных частей они зависят от наибольшего давления на кладку опоры. Проверка осуществляется расчетом на местное сжатие (смятие) с учетом п. 3.89, 3.90 СНиП 2.05.03—84 (при отсутствии косвенного армирования):

Для металлических пролетных строений размеры верхней подушки (балансира) определяют проверкой на смятие металла в опирании конца балки (фермы) на верхнюю подушку:

За поверхность смятия в балках принимается площадь опирания вертикальной стенки и опорных ребер жесткости. В фермах давление передается в основном фасонками опорных узлов.
В литых опорных частях (неподвижных, подвижных секторных, валковых или катковых) верхний балансир приближенно рассчитывают по схеме консоли, загруженной равномерно нагрузкой q = А/а от максимальной расчетной реакции опоры А, распределенной вдоль моста на длине а. Изгибающий момент в сечении балансира на расстоянии х от его края, определяется по формуле

Условие прочности на изгиб балансира в этом сечении при моменте сопротивления сечения W:

Нижние балансиры также рассчитывают по схеме консоли, но загруженной сосредоточенными усилиями от давления катков.
При тангециальном опирании верхнего балансира на нижний производится проверка сопрягаемых плоскости и цилиндра на смятие по формуле Герца

При сопряжении балансиров посредством цилиндрического шарнира проводится его проверка по давлению на диаметральную плоскость:

Круглые катки применяют диаметром от 130 до 350 мм, а срезанные — до 400 мм. Ориентировочно диаметр катков может быть намечен по эмпирической формуле dк = l + 130 мм (l берут в метрах) и проверен по напряжениям, отнесенным к площади диаметрального сечения:

При устройстве срезанных катков их толщина должна быть не менее δ/2 + 50 мм, где δ — наибольшее перемещение подвижной опорной части.
Между осями катков принимают следующее расстояние:

В скользящих опорных частях внешнее вертикальное усилие передается между элементами по площадям, что принципиально меняет расчетные схемы металлических элементов. В данных конструкциях они являются прокладками, сжатыми распределенным давлением. Это позволяет назначать их толщины конструктивно или исходя из расчетов узлов прикрепления, например, направляющих силовых бортов и планок, бортов стаканообразных элементов и т.п.
В случае применения скользящих опорных частей также проверяют их размеры в плане по прочности материала антифрикционного слоя. Так, максимальное давление на листовой фторопласт-4 в опорной части не должно превышать 40 МПа от расчетной нагрузки, включающей собственный вес, предварительное напряжение, усадку, ползучесть, температуру, временную вертикальную нагрузку, торможение и ветер. При действии только собственного веса, предварительного напряжения, усадки, ползучести и температуры максимальное давление не должно превышать 30 МПа. Для круглых листов фторопласта указанные величины могут рассматриваться как средние, а краевые напряжения не должны превышать 40 МПа при расчетном загружении по второму случаю и 60 МПа — по первому случаю.
При подборе скользящих опорных частей с фторопластовым антифрикционным слоем следует учитывать, что минимальное среднее давление на него не должно быть менее 10 МПа. При меньшем давлении существенно повышается коэффициент трения даже при положительной температуре.
Для тканых антифрикционных материалов типа «Даклен» с основой из нитей СВМ, наклеенных на стальную поверхность, разрушающие сжимающие напряжения составляют 130...150 МПа. Соответственно, в скользящих опорных частях с использованием таких материалов толщина слоя скольжения в плане не определяет размеры опорных частей, т.к. фактические напряжения по поверхности скольжения не превышают 30...35 МПа по условиям ограничения давления на бетон подферменных площадок.