ВИСЯЧИЕ И ВАНТОВЫЕ МОСТЫ

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МОСТОВ

1.1. Терминология и классификация

Висячими называются мосты, в пролетных строениях которых главными несущими элементами являются растянутые гибкие криволинейные нити (кабели), поддерживающие с помощью подвесок балку жесткости и передающие усилия на пилоны (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схема висячего моста: 1 – нить (кабель); 2 – пилон; 3 – оттяжка; 4 – подвеска; 5 – балка (ферма) жесткости; 6 – анкерное устройство; 7 – опора (устой); 8 – опорные части балки жесткости; l₀ – пролет моста; l_бж – расчетный пролет балки жесткости; H_пл – высота пилона; f₀ – стрела провисания кабеля; d – длина панели

Вантовыми называют мосты, пролетные строения которых состоят из балок жесткости и поддерживающих их растянутых гибких прямолинейных элементов – вант, закрепленных на пилонах (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Схема вантового моста: 1 – ванты; 2 – пилон; 3 – оттяжка;
4 – подвеска; 5 – балка жесткости; 6 – анкерное устройство; 7 – опора; 8 – опорная часть балки жесткости

У висячих и вантовых мостов много общего (рис. 1.1 и 1.2): балка жесткости, пилоны, оттяжки, анкерные устройства, подвески. Основным их отличием является форма основного несущего элемента: если это криволинейная нить – мост висячий, если прямолинейные ванты – мост вантовый. Причем нити и ванты работают только на растяжение и представляют собой гибкие элементы (в редких случаях нити и ванты могут быть жесткими).

Классификация висячих мостов может быть произведена по следующим основным признакам, первые три из которых являются характерными для любых мостов, а остальные присущи только данным системам.

Признак 1 – по назначению моста. Выделяют висячие мосты – железнодорожные, автодорожные, совмещенные, городские, пешеходные, трубопроводные.

Признак 2 – по числу пролетов. Различают четыре типа висячих мостов – однопролетные (рис. 1.1), двухпролетные (рис. 1.3, а), трехпролетные (рис. 1.3, б) и многопролетные (рис. 1.3, г).

Наибольшее распространение получили одно- и трехпролетные системы, которые наилучшим образом перекрывают водные преграды.

Признак 3 – по материалу балки жесткости: металлические и сталежелезобетонные.

Признак 4 – по материалу несущей нити и подвесок:

- кабельные висячие мосты, имеющие нить, выполненную из стальных канатов или высокопрочной проволоки;

- ленточные висячие мосты с жесткими провисающими нитями из профильного металла;

- подвески выполнены из канатов, стальных тяжей круглого сечения (арматурная сталь), стального профиля.

Признак 5 – по восприятию распора:

- распорные мосты, у которых усилие в оттяжке передается на анкерное устройство (рис. 1.1);

- внешне безраспорные мосты, у которых распор воспринимается балкой жесткости (рис. 1.3, а, б).

Во внешне безраспорных системах балка жесткости работает на сжатие с изгибом, что требует увеличения ее поперечного сечения, а следовательно, расхода материала. Однако у данных систем отсутствуют весьма дорогостоящие анкерные устройства.

Признак 6 – по распределению нагрузки между нитью и балкой жесткости:

- гибкие висячие мосты, у которых изгибная жесткость балки настолько мала, что всю нагрузку практически несет гибкая нить, а балка жесткости является элементом проезжей части;

- комбинированные висячие мосты, у которых временная нагрузка распределяется между гибкой нитью и достаточно жесткой балкой.

Признак 7 – по геометрической схеме. На рис. 1.3 приведены наиболее распространенные типы пролетных строений. Типы пролетных строений (рис. 1.1, 1.3, а – г) относятся к классической системе «нить – балка», а на рис. 1.3, д – и – к системам повышенной жесткости, вертикальные прогибы которых в сравнении с системой «нить – балка» меньше на 30…50 %.

Рис. 1.3. Типы и системы висячих мостов: 1 – прямолинейные оттяжки; 2 – криволинейные оттяжки; 3 – дополнительные наклонные ванты; 4 – жесткие подвески; 5 – наклонные подвески (основные); 6 – обратные наклонные подвески; 7 – узел прикрепления кабеля к балке жесткости; 8 – дополнительные ванты-затяжки; 9 – балки жесткости; 10 – проезжая часть балки жесткости; 11 – кабель (гибкая нить)

Повышение жесткости висячей системы может быть достигнуто за счет:

- применения двух кабелей (рис. 1.3, д);

- прикрепления кабеля к балке жесткости в середине пролета или в третях пролета (рис. 1.3, е);

- постановки нисходящих дополнительных вант (слева) или жестких подвесок (справа) в крайних четвертях пролета (рис. 1.3, ж);

- использования наклонных основных подвесок (слева) или комбинации основных и обратных наклонных подвесок (рис. 1.3, и).

Указанные приемы увеличения жесткости однопролетных висячих мостов относятся в равной мере и к трехпролетным системам. При этом трехпролетные висячие мосты могут быть с подвешенными и неподвешенными боковыми пролетами, с разрезной и неразрезной балкой жесткости (рис. 1.3, б, в).

Типы пролетных строений, показанные на рис. 1.3, к, л относятся к гибким висячим системам, в которых отсутствуют балки жесткости, а проезжая (прохожая) часть уложена непосредственно на кабели (рис. 1.3, л) или с помощью подвесок подвешена к кабелям (рис. 1.3, к).

Классификация вантовых мостов также осуществляется по семи основным признакам. Первые три из них аналогичны признакам висячих мостов: по назначению, числу пролетов, материалу балки жесткости (с добавлением балок из железобетона). Основное отличие состоит в том, что двухпролетные висячие мосты (рис. 1.3, а) практически не применяются, а аналогичные вантовые (рис. 1.4, б, е, и, л) являются одним из самых распространенных. Кроме того, вантовые мосты с числом пролетов более трех, как правило, не применяются.

Признак 4 – по материалу вант:

- мосты с гибкими вантами, изготовленными из канатов;

- мосты с жесткими вантами из канатов с оболочкой из предварительно напряженного железобетона;

- мосты с жесткими вантами, выполненными из проката.

Признак 5 – по восприятию распора:

- распорные вантовые мосты, обычно однопролетные (рис. 1.2, 1.4, а);

- безраспорные (вантово-балочные) мосты, получившие наибольшее распространение в последние 20…30 лет (рис. 1.4, б - л).

Признак 6 – по числу плоскостей вант. В вантовых мостах могут применяться одна или две плоскости вант в отличие от висячих мостов, у которых всегда две плоскости гибкой нити.

Признак 7 – по геометрической схеме. По этому признаку вантовые мосты делятся на три группы:

- решетчатые вантовые фермы (см. рис. 1.2), являющиеся распорными системами, имеющие схему расположения вант, обеспечивающую их постоянную работу на растяжение и геометрическую неизменяемость;

- вантово-балочные мосты, являющиеся безраспорными системами, геометрически не изменяемые за счет совместной работы вант с балкой (рис. 1.4, в – л);

- балочные мосты с вантовыми шпренгелями (рис. 1.4, м, н).

Рис. 1.4. Типы и системы вантовых мостов: 1 – оттяжки; 2 – ванты; 3 – балки; 4 – распорки

В зависимости от комбинаций расположения вант относительно пилонов и балки жесткости вантово-балочные мосты подразделяются на следующие разновидности:

- с радиальной системой расположения вант (система «пучок»), подразделением на лучевую систему (рис. 1.4, в) и радиально-лучевую (рис. 1.4, г);

- ярусно-параллельной системой расположения вант (система «арфа»), подразделением на симметричную, двухпилонную, трехпролетную схему моста (рис. 1.4, д) или несимметричную, однопилонную, двух-пролетную схему моста (рис. 1.4, е);

- ярусно-расходящейся системой расположения вант (система «веер»), подразделением на симметричную, двухпилонную, трехпролетную схему моста (рис. 1.4, ж) или несимметричную, однопилонную, двухпролетную схему моста (рис. 1.4, и);

- ярусно-сходящейся системой расположения вант (система «звезда»), подразделением на симметричную, двухпилонную, трехпролетную схему моста (рис. 1.4, к);

- смешанной системой расположения вант, например, «арфа – пучок – веер» (рис. 1.4, л).

1.5. Область и перспективы применения висячих
и вантовых мостов, их достоинства и недостатки

Висячие и вантовые мосты основное свое применение находят в области гигантских (150…500 м) и супергигантских (более 500 м) пролетов, где они не имеют конкуренции со стороны мостов других систем и чаще всего являются единственно возможными конструкциями.

Необходимость устройства пролетов гигантской и сверхгигантской длины возникает в следующих случаях:

1) при преодолении горных ущелий;

2) при перекрытии широких водных преград значительной глубины, с быстрым течением и сложными гидрологическими и геологическими условиями, когда требуется строительство сооружения большой длины и осложняется устройство промежуточных опор;

3) при переходе через водные преграды с интенсивным судоходством, ког­да требуется обеспечение больших (по ширине и высоте) подмостовых (судоходных) габаритов, что связано с применением высоких опор (40…60 м);

4) при переходе через железнодорожные пути в районе сортировочных станций и в других местах, где предъявляются жесткие требования к обеспечению габаритов, особенно в условиях городской застройки, где дополнительно возникает ряд архитектурных требований.

Практические и экономические возможности перекрытия пролетов висячими и вантовыми системами с металлическими балками жесткости и пилонами по сравнению с другими системами из металла можно проиллюстрировать данными табл. 1.2.

Таблица 1.2

Предельные пролеты мостов различных систем

Система моста	Пролеты, м
Разрезная балка Неразрезная балка Разрезная ферма Неразрезная ферма			–
Арочная Балочно-консольная Вантовая Висячая

Примечание. l_ПП – практически возможный предельный пролет; l_ЭП – экономически целесообразный предельный пролет; l_Д – достигнутые пролеты.

При этом для висячих и вантовых мостов можно рассматривать следующие диапазоны пролетов в зависимости от вида временной нагрузки (табл. 1.3).

Таблица 1.3

Рекомендуемые диапазоны пролетов

Висячие и вантовые мосты обладают рядом достоинств по сравнению с мостами других систем:

1) перекрытие сверхбольших пролетов (500…3500 м);

2) высокая экономичность, определяемая минимальным расходом материалов и стоимостью на 1 м² полезной площади моста;

3) использование кабеля или вант для монтажа балки жесткости без временных опор, что сокращает сроки, трудоемкость и стоимость строительства;

4) разнообразие систем и конструктивных форм пилонов обеспечивает архитектурно-эстетические достоинства и современный вид висячих и вантовых мостов;

5) «живучесть» этих систем в случае повреждения балки жесткости.

Если в обычной ферме выход из строя одного элемента, например, нижнего пояса, приведет к разрушению конструкции, то висячая система может эксплуатироваться при повреждении не одного, а нескольких элементов балки; это связано с тем, что балка жесткости не реагирует на введение шарниров (повреждение – это ослабление сечения, что ассоциируется с образованием шарнира).

Указанные достоинства, в частности экономичность висячих и вантовых мостов, обусловлены следующими факторами:

- применением в основных несущих элементах высокопрочной проволоки, для которой расчетное сопротивление = 800…1000 МПа в 2–3 раза выше, чем у прокатного металла ( = 295…350 МПа);

- рациональным использованием этих материалов: кабели и ванты работают только на растяжение, действующее вдоль оси элемента; отсутствуют ослабления сечений кабеля и вант; в них почти нет концентраторов напряжений;

- меньшим сечением балки: ванты и подвески с кабелем служат как промежуточные податливые опоры; работа балки в этом отношении аналогична работе балки на упругих опорах.

Совокупность этих факторов обеспечивает экономию по расходу материалов на пролетное строение в 4…5 раз по сравнению с другими системами. С учетом более высокой стоимости высокопрочных материалов общий эффект от применения висячих и вантовых систем приводит к снижению строительной стоимости в 1,5…2 раза.

Распространению висячих и вантовых мостов препятствуют их недостатки:

1) малая вертикальная жесткость, которая является следствием:

– применения высокопрочных материалов с пониженным значением модуля упругости;

– геометрической изменяемости главных несущих элементов (кабелей) висячих мостов или провисания вант вантовых мостов;

– колебания отдельно каждого кабеля, так как между ними нет поперечных связей;

2) малая горизонтальная жесткость из-за малой ширины моста при существенной длине пролета; что на порядок меньше, чем у мостов других систем, где ;

3) повышенная чувствительность к динамической и ветровой нагрузке (динамическая и аэродинамическая неустойчивость). При больших пролетах балку жесткости висячего или вантового моста можно сравнить с натянутой струной, чувствительной к любым колебаниям;

4) значительный расход бетона на сооружение анкерных опор в случае применения распорной висячей или вантовой системы;

5) необходимость применения специальных мер по защите против коррозии элементов и их анкерных закреплений.

Висячие и вантовые мосты – это отражение современного и будущего уровня мостостроения. Дальнейшее совершенствование этих систем осуществляется по следующим направлениям:

а) развитию теории расчета (учет пространственного характера работы, сложнейших динамических и аэродинамических процессов; оптимизация параметров проектирования; широкое внедрение моделирования);

б) получению новых строительных материалов (полимеров для канатов, сверхпрочных сталей и бетонов) на основе достижений различных наук (химии, физики и др.);

в) разработке новой технологии монтажа кабелей длиной более 2000 м, сооружению пилонов высотой 200…250 м, фундаментов при глубине воды до 100 м, глубине погружения в грунт до 50 м;

г) повышению точности геодезических работ, переходящих при супергигантских пролетах в астрономические.

Для отечественной практики широкого применения висячих и вантовых мостов необходимо прежде всего преодолеть психологический фактор, а также отставание от мировой практики в опыте и техническом обеспечении строительства этих мостов.

1.2. Характеристика типов пролетных строений висячей
и вантовой систем и параметры их проектирования

1.2.1. Пролетные строения висячей системы

В зависимости от жесткости системы висячего моста они подразделяются на три группы:

1) гибкие висячие мосты;

2) висячие мосты с балкой жесткости классической системы;

3) комбинированные висячие мосты повышенной жесткости.

К гибким висячим мостам относятся однопролетные распорные системы, в которых отсутствуют балки жесткости (рис. 1.3, к) или при их наличии, высота балок соответствует условию: < 0,15 или < 0,01 , где – величина пролета, м; – стрела провиса кабеля, м.

Такая система обладает малой жесткостью, т. е. при движении по мосту временной нагрузки кабель меняет свою геометрическую форму, вызывая этим большие прогибы пролетного строения (рис. 1.5).

Прогибы ощутимо увеличиваются с возрастанием величины временной нагрузки по сравнению с постоянной.

Эта система статически изменяема и эксплуатируется при относительно небольшой временной нагрузке, которая не может вывести систему из равновесия (пешеходная, техническая).

Рис. 1.5. Схема деформирования висячей системы: 1 – деформированное положение кабеля; 2 – то же пилонов; 3 – то же балки жесткости; – перемещение верха пилонов; – вертикальная деформация кабеля; – то же балки; интенсивность временной нагрузки при загружении полупролета балки

Для уменьшения прогибов гибких висячих мостов можно использовать:

· увеличение постоянной нагрузки путем применения тяжелой проезжей части;

· постановку дополнительных наклонных вант от вершины пилона к узлам крайних четвертей проезжей части (см. рис. 1.3, ж).

К гибким висячим системам относятся также мосты-ленты (см. рис. 1.3, л), в которых отсутствуют второстепенные ненесущие элементы – поперечные балки, подвески и т. п.

Способы реализации таких мостов отличаются простотой. Сначала сооружаются массивные опоры с консолями, затем натягиваются канаты (несущие тросы) и бетонируется плита проезжей части в направлении от середины пролета к опорам или же монтируют ее из сборных элементов в той же последовательности.

Натянутую ленточную конструкцию моста (обжатую плиту) теоретически можно рассматривать как цепь, загруженную собственным весом. Цепную линию можно определить по уравнению:

(1.1)

где х – абсцисса при нулевой точке в вершине; q – интенсивность постоянной нагрузки; усилие в цепи; cosh – гиперболический косинус.

При небольшом провисе, наблюдаемом в мостах-лентах, цепная линия близка к круговой кривой или к параболе второго порядка. Следовательно, уравнение кривой может быть принято в виде (см. рис. 1.3, л):

, при 0 £ х £ 0,5 , (1.2)

где – провис цепи; – величина пролета.

Усилие S в цепи (канате) без учета предварительного напряжения для пролета можно выразить формулой

(1.3)

При предельно допустимом продольном уклоне для городских и автодорожных мостов i = 40 % наибольшее усилие в канате

(1.4)

Предельная величина провиса, ограничиваемая максимальным уклоном, приводит к значительному превышению расхода стали в мостах-лентах в сравнении с предварительно напряженными мостами других систем. Поэтому целесообразность применения мостов-лент определяется пролетами более 200 м.

Висячие мосты с балкой жесткости (см. рис. 1.3, а–г) состоят из перекинутого через пилоны кабеля и подвешенных к нему специальных жестких продольных балок или ферм, расположенных в уровне проезжей части. Эти балки (фермы) с опиранием на концах участвуют в работе висячей конструкции на временную нагрузку (работают на изгиб). Таким образом, система в виде кабеля, работающего совместно с балкой жесткости, в статическом отношении представляет собой комбинированную систему, в которой отсутствуют конструктивные меры против S -образного изгиба (см. рис. 1.5).

Комбинированные висячие мосты повышенной жесткости
(см. рис. 1.3, д–и) отличаются наличием балки жесткости, принятием конструктивных мер против S -образного изгиба и большим разнообразием схем.

Параметры проектирования однопролетных распорных висячих систем без балок жесткости (гибкие висячие системы) и с балками жесткости (рис. 1.6), а также трехпролетных безраспорных висячих систем с балками жесткости (рис. 1.7, а, б) устанавливаются в основном в зависимости от величины основного пролета .

Из общего условия проектирования и назначения размеров висячих систем устанавливается связь вида (, , , В, ) = j (), что представляет собой общую форму уравнения регрессии. Здесь является предиктором (аргументом) проектирования системы, а (, , , В, ) – предиктантами (функциональными признаками) системы.

На основании опыта проектирования и расчетно-теоретических исследований работы висячих систем предлагаются следующие частные решения по отдельным параметрам.

Рис. 1.6. Основные размеры однопролетного висячего моста

Рис. 1.7. Основные размеры трехпролетного висячего моста: а – с подвешенными к кабелю крайними пролетами; б – с неподвешенными к кабелю крайними пролетами

Очертание кабеля висячих систем принимается по квадратной параболе вида (рис. 1.6, 1.7):

· для основного пролета

при 0 £ £ 0,5 , tgg = 0; (1.6)

· для бокового пролета (криволинейная оттяжка)

при (1.7)

где – ординаты узлов кабеля; – расстояние от пилона до узла подвески (абсцисса). Ось абсцисс в обоих случаях принимается проходящей через вершины пилонов.

Угол наклона кабеля в любом пролете определяется из условия:

.

Для основного пролета: если = 0, то .

Ось абсцисс в этих случаях принимается проходящей через вершины пилонов. Принятые обозначения параметров приведены на рис. 1.6, 1.7.

Стрела провиса кабеля для основного пролета изменяется в пределах . Оптимальное значение и определяется прочностью материала (высокопрочной проволоки) кабеля (рис. 1.8). Однако, учитывая повышение прочности материала канатов, рекомендуется принимать стрелу и даже (для больших пролетов).

С увеличением стрелы провиса уменьшается усилие в кабеле, но возрастает деформативность моста. Для легких нагрузок (пешеходных, технических) стрела провиса может приниматься .

Стрела провиса кабеля (криволинейной оттяжки) в боковом пролете определяется из условия уравновешивания распоров основного и бокового пролетов и принимается . Длина крайних пролетов, подвешенных к кабелю, принимается Для крайних пролетов, не подвешенных к кабелю, £ 0,25 .

Возвышение кабеля посередине пролета над балкой жесткости:

- в мостах с вертикальными подвесками = (0,05…0,1) , но не менее 2,5…3 м;

- в мостах с наклонными подвесками = (0,2…0,25) ;

- в мостах с прикреплением кабеля жесткости = 0.

Высота балки жесткости принимается постоянной по длине моста и назначается в следующих пределах:

- при £ 500 м = (0,025…0,017) ;

- при 500 м < £ 1000 м = (0,017…0,0125) ;

- при £ 1000 м = (0,0125…0,005) .

В эскизных расчетах (на стадии рассмотрения вариантов) можно принимать = 0,01 + 0,5 м, где – основной пролет, м.

Оптимальную высоту балок жесткости можно рассматривать в зависимости от величины нагрузки следующим образом:

- для легких временных нагрузок вида пешеходной, технической и других = 0,15 ;

- для тяжелых временных нагрузок вида железнодорожной, совмещенной, городской = 0,25 .

При назначении высоты балки жесткости в висячих системах на стадии эскизного проектирования необходимо соблюдать обеспечение аэродинамической устойчивости c использованием критерия Д. Штейнмана

³ 0,001 (8,33 + 0,0033 ),

где – высота балки жесткости, при которой обеспечивается аэродинамическая устойчивость, м; – длина основного пролета, м.

К проектированию принимается наибольшая высота балки жесткости, полученная с использованием рассмотренных выше подходов.

Стрела строительного подъема D балки жесткости из условия компенсации прогиба от временной нагрузки, изменения температуры и ползучести канатов принимается:

- в однопролетных мостах D = 0,005 ;

- в трехпролетных мостах (при неразрезной балке) D = 0,005 ( + 2 ).

Углы наклона прямолинейной оттяжки изменяются от 40 до 22°. При максимальные усилия в кабеле и оттяжке одинаковы; с уменьшением угла наклона усилия в оттяжке уменьшаются.

Высота пилонов устанавливается следующим образом:

– для береговых пилонов (однопролетные мосты, см. рис. 1.6)

(min) = + + D или = (1,1…1,15) ;

– для промежуточных пилонов (трехпролетные мосты, см. рис. 1.7)

(min) = + + + D + ; = (min) + ,

где – высота опорной части; – дополнительная высота пилона, требуемая по условию размещения верха промежуточной опоры.

Ширина висячих мостов (расстояние между осями балок жесткости поперек оси моста) принимается из условия обеспечения их достаточной горизонтальной жесткости в пределах .

Длина панели d (расстояние между вертикальными подвесками) зависит от пролета , интенсивности временной нагрузки, ширины габарита проезжей части и от условий монтажа.

Увеличение d приводит к сокращению числа узлов, но при этом возрастают усилия в подвесках и существенно утяжеляется проезжая часть, которая воспринимает местную нагрузку.

На уровне назначения предварительных размеров можно рекомендовать следующие диапазоны длины панели:

– для металлических балок жесткости при ³ 500 м d = 10…20 м;

– для сталежелезобетонных балок жесткости при < 500 м d = 5…10 м.

1.2.2. Пролетные строения вантовой системы

Из рассмотренных типов вантовых мостов наибольшее применение в последнее время получили вантово-балочные мосты как новая быстроразвивающаяся, прогрессивная конструктивная форма (см. рис. 1.4, б – л).

Вантово-балочные мосты в основном внешне безраспорные (имеют балочную систему) и характеризуются наличием балки жесткости (обычно неразрезной), поддерживаемой вантами и воспринимающей сжимающие усилия на расположенных под вантами участках. Вантово-балочные схемы применяют чаще всего с двумя или тремя существенно неодинаковыми пролетами. Пилоны (один или два) располагают над промежуточными опорами.

Обычно двухпилонная вантово-балочная схема (см. рис. 1.4, в – д, ж, к) экономичнее однопилонной (см. рис. 1.4, б, е, и, л). Однопилонная вантово-балочная схема может быть оправдана архитектурными соображениями, необходимостью двух больших неодинаковых или одинаковых судоходных пролетов и в некоторых других специфических случаях (например, по условиям обеспечения возможности навесного монтажа с одного берега).

Как было отмечено ранее (подразд. 1.1) при классификации вантовых мостов, по расположению вант различают следующие основные вантово-балочные схемы: радиальную (пучок), ярусно-расходящуюся («веер»), ярусно-параллельную («арфа»), ярусно-сходящуюся («звезда»). У каждой схемы есть преимущества и недостатки. Наибольшее распространение в настоящее время имеют схемы «веер» и «арфа» (см. рис. 1.4, д, ж), причем с большим числом вант (более 12 в пределах основного пролета). Такие схемы называют многовантовыми.

Увеличение числа вант способствует уменьшению массы балки жесткости, упрощению и унификации конструкции узлов закрепления вант и возможности ведения навесного монтажа моста. При расположении вант по типу «пучок» в них возникают неодинаковые усилия, усложняется конструкция крепления вант на вершине пилона, но обеспечивается несколько большая жесткость моста. При расположении вант по типу «арфа» или «веер» рассредоточенное закрепление вант по высоте пилона оказывается более простым, однако при этом возникают дополнительные изгибающие моменты в пилоне, причем меньшие – при расположении вант по типу «веер».

Ванты, закрепленные в сечениях над опорами – опорные ванты, уменьшают деформативность моста и разгружают балку жесткости
(см. рис. 1.4, б – д, ж, к).

Вантовые мосты устраивают, как правило, с воспринятым распором, при этом балки жесткости работают на сжатие с изгибом.

Параметры проектирования вантовых мостов назначаются исходя из условия, что все ванты должны работать только на растяжение при любом положении временной нагрузки.

Рис. 1.9. Линии влияния усилий в элементах вантово-балочной системы «пучок»

Тогда . Обозначив и , получим . В практике проектирования вантовых систем принимают , . Тогда

Предиктором (отправным параметром) назначения основных размеров вантового моста является величина основного пролета (рис. 1.10).

Рациональное соотношение пролетов в двухпилонной трехпролетной схеме находится в пределах / = (0,35…0,5) при = 0,4 ; для двухпролетных однопилонных схем (см. рис. 1.4, е, и, л) / = (0,2…1,0). Крайние ванты могут располагаться в пределах пролетов на расстоянии а = (0,25…0,5) от места опирания на опору.

Расчетная высота пилонов принимается равной:

- для двухпилонных схем вантовых мостов

- для однопилонных схем .

Строительная высота пилонов устанавливается из условий:

- для случая рис. 1.10, а + D;

- для случая рис. 1.10, б + D,

где – высота балки жесткости; D – высота строительного подъема, равная – высота опорной части; – дополнительная высота пилона, требуемая по условию назначения верха промежуточной опоры относительно уровня высокой воды (УВВ).

Рис. 1.10. Основные размеры трехпролетного вантового
моста: а – система «арфа»; б – система «пучок»

Высота балки жесткости принимается равной:

– для металлических балок = (0,0125…0,007) , причем = 0,0125 –для пролетов £ 200 м при небольшом количестве вант; = 0,007 – для пролетов ³ 500 м при большом количестве вант;

– для промежуточных значений пролетов – по интерполяции;

– для железобетонных балок жесткости = (0,025…0,01) .

Длина панелей зависит от материала балки жесткости, вида нагрузки (легкая, тяжелая), количества вант и может приниматься по следующим рекомендациям:

– для металлических балок жесткости при > 200 м и небольшом количестве вант 15 м £ d £ 50 м, причем для легких нагрузок d = 30…50 м, для тяжелых – d = 15…20 м.

– для железобетонных балок жесткости 5…15 м £ d £ 30 м.

Число панелей в пределах основного пролета , определяющее количество вант, принимается равным:

– для небольшого количества вант = 5, 7, 9, 11;

– для многовантовых систем > 13.

Углы наклона вант к горизонту = 25…65° определяются минимальной величиной вертикальных перемещений узла d (рис. 1.11). Для вант-оттяжек (распорные системы) = 35…45°.

Ширина вантовых мостов принимается в пределах В = (0,01…0,02) .

1.3. Основные элементы пролетных строений,
их конструкция и материалы

1.3.1. Кабели и подвески висячих мостов

Кабели висячих мостов могут быть двух типов:

– из витых канатов заводского изготовления (рис. 1.12);

– из параллельных проволок (рис. 1.13).

Рис. 1.12. Типы витых канатов: а – витые спиральные канаты одинарной свивки; б – витые спиральные канаты двойной свивки (многопрядные); в – закрытые канаты; 1 – отдельные проволоки; 2 – пряди; 3 – защитная фасонная проволока; – диаметр кабеля

Канаты, образующие кабель, могут располагаться (рис. 1.14):

– свободно в одном или в нескольких горизонтальных рядах;

– свободно в нескольких вертикальных рядах;

– в виде сплошного пучка круглой, шестигранной или прямоугольной форм.

Для образования формы кабеля применяются узловые и промежуточные жесткие обжимные хомуты (муфты).

Рис. 1.13. Кабели из параллельных проволок: а – пучок проволок круглой формы;
б – пучок проволок шестигранной формы; в – пучок проволок прямоугольной формы; 1 – отдельные проволоки; 2 – обжимные хомуты для образования формы кабеля (узловые и промежуточные)

Рис. 1.14. Кабели из витых канатов: а – при однорядном расположении канатов;
б, в – при многорядном расположении канатов; г, д – при пучковом расположении;
1 – отдельные канаты; 2 – обжимные хомуты (муфты); Ф_К – диаметр каната; Ф_КБ – диаметр кабеля; а_КБ, h _КБ – размеры кабеля

Исходным материалом для формирования обоих типов кабеля является высокопрочная стальная проволока d = 2,5…7 мм с пределом прочности 1000…1800 МПа. В процессе производства проволоку подвергают термической и холодной обработке, что придает ей высокие механические свойства. Одновременно на проволоку наносят антикоррозийное покрытие, чаще всего цинковое.

Витые канаты заводского изготовления разделяются на три вида:

· витые спиральные канаты одинарной свивки (см. рис. 1.12, а); образуются из проволок, оси которых имеют форму простой спирали, навитой вокруг центральной проволоки.

· витые спиральные канаты двойной свивки (многопрядные)
(см. рис. 1.12, б); формируются из спиральных канатов небольшого диаметра (прядей). Одна прядь (сердечник) располагается в центре, а остальные по спиральным линиям;

закрытые канаты (см. рис. 1.12, в) имеют несколько наружных слоев из фасонных проволок z-образного и клиновидного сечений. Закрытые канаты обладают более плотной структурой, «замок» из фасонных проволок исключает доступ влаги и агрессивных веществ внутрь каната. Гладкая поверхность облегчает их перевозку, монтаж и защиту от коррозии

Подвески в висячих мостах изготовляются из одиночных (сдвоенных) витых канатов, применяемых для формирования кабеля (см. рис. 1.12), а также из стальных тяжей круглого сечения, для которых используется арматурная сталь класса A-I диаметром до 40 мм. Подвески из арматурной стали применяются для временных висячих мостов небольших пролетов и легкой нагрузки.

Для защиты рассмотренных типов витых канатов от атмосферной агрессии применяются следующие меры:

- оцинковка проволок (и другие гальванические покрытия);

- заполнение полостей между проволоками полимерным составом или синтетическим каучуком (под большим давлением: 60…80 атм.);

- пропитка каната растительным (льняным) или нефтяным маслом с добавлением графита (смесь должна попасть во все промежутки между проволоками);

- использование поливинилфторидных лент и полиэтиленовых труб (заполненных или незаполненных);

- покрытие каната нейлоновой оболочкой, усиленной стекловолокнистой сеткой;

- обмотка несколькими слоями стеклоткани с последующей обмоткой лентой из нержавеющей стали толщиной 0,5 мм;

- применение покрытия в виде эпоксидной смолы с цинковым порошком;

- промазывание прядей кабеля водоустойчивой пастой из свинцового сурика с последующим окрашиванием;

- окрашивание красками, содержащими свинец.

Перечисленные выше меры должны обеспечивать несущие канаты (в составе кабеля, подвесок, вант) по всей их длине, а также в зонах анкеровки, как минимум, двумя системами надежной защиты от коррозии. Внутренний барьер – смазки, защитные чулки или гальванические покрытия – должен полностью предохранять всю длину каната и участки анкеровки. Наружный барьер – неметаллические материалы, полиэтиленовые трубы, поливинилфторидные и другие обмоточные материалы.

1.3.2. Ванты вантовых мостов

Ванты вантовых мостов могут быть двух типов: гибкие и жесткие.

Гибкие ванты изготовляют аналогично кабелям висячих мостов из спиральных, многорядных или закрытых витых канатов или из параллельных проволок (см. рис. 1, 12, 1.13, 1.14). Учитывая прямолинейность вант, наиболее рационально проектировать их из пучков параллельных проволок.

компаунд). Формы образования вант из таких канатов аналогичны формам образования кабеля из витых канатов (рис. 1.15, б).

Рис. 1.15. Гибкие ванты из канатов и прядей (стрендов) с параллельным расположением проволок: а – канаты с параллельными проволоками; б – пример форми­ро­вания ванты из канатов; в – прядь; г – формирование ванты из прядей; 1 – отдельные проволоки ф_ПР = 5 мм; 2 – защитные оболочки; 3 – заполнение антикоррозийным составом; 4 – канат; 5 – прядь

Жесткие ванты представляют собой канаты или пучки проволоки, окруженные железобетонной оболочкой (обоймой) с последующим инъектированием внутренней полости цементным раствором под давлением 60…100 атм. (рис. 1.16, а, б), либо стальные элементы из прокатного металла (рис. 1.16, в).

Рис. 1.16. Жесткие ванты: а – ванта круглой формы; б – ванта прямоугольной формы; в – сечения вант из прокатного металла; 1 – канаты; 2 – ж.б. обоймы; 3 – анкеры; 4 – крышка; 5 – отверстия для нагнетания; 6 – цементный раствор; 7 – двутавровое сечение ванты; 8 – коробчатое сечение ванты

Сборная обойма, состоящая из секций (блоков) длиной 2…3 м, омоноличивается с канатами, и создается предварительное натяжение вант усилием, равным усилию от временной нагрузки. Это позволяет заранее выбрать вытяжку вант и снизить момент в балке жесткости (примерно в 1,5 раза), а также повысить жесткость всей системы.

Жесткие ванты применимы в железнодорожных мостах, так как они имеют большую площадь поперечного сечения, большую продольную жесткость, что уменьшает вертикальные прогибы сооружения, а также в мостах, где возможна интенсивная коррозия металлических элементов.

1.3.3. Анкеры кабелей, подвесок и вант

Концевые крепления (анкеры) кабелей, подвесок и вант обеспечивают силовую взаимосвязь канатных (стержневых) элементов с другими жесткими частями сооружения – балками жесткости, пилонами, фундаментами.

Для закрепления концов указанных элементов применяют в основном два типа анкеров: стаканные и конусные.

Рис. 1.17. Виды анкеров стаканного типа: а – стаканный анкер с проушиной; б – упорный стаканный анкер; в – стаканный анкер для подвесок – тяжей; г – стаканный анкер с наконечником; 1 – канат; 2 – защитная трубка; 3 – втулка; 4 – стакан; 5 – проволоки;
6 – концы проволок; 7 – упорное кольцо; 8 – заглушка; 9 – заполненные полости;
10 – проушина; 11 – отверстие для болта-шарнира; 12 – подвеска в виде тяжа;
13 – нарезки; 14 – гайка; 15 – прилив стакана; 16 – наконечник

1.3.4. Балки жесткости в висячих и вантовых мостах

Балки жесткости выполняют несколько важнейших функций:

- воспринимают временную нагрузку и усилия от нее передают на кабель или ванты;

- работают в составе всей системы (висячей или вантовой), увеличивая ее жесткость в вертикальной плоскости;

- воспринимают распор во внешне безраспорных конструкциях.

Балки жесткости работают на изгиб и сжатие (растяжение) от вертикальной и горизонтальной нагрузок, на кручение от внецентренно приложенной нагрузки и от аэродинамических воздействий.

Учитывая многообразие конструктивных форм балок жесткости, принято в практике их проектирования подразделение, прежде всего, по материалу с выделением металлических, железобетонных и сталежелезобетонных балок (рис. 1.18, 1.19).

Металлические балки жесткости классифицируются:

- по типу поперечного сечения: двутавровые, коробчатые, круглые;

- по характеру работы в составе пролетного строения: раздельные и общие.

Раздельные балки представляют собой элементы, расположенные
в нескольких плоскостях и объединенные или ортотропной плитой
(рис. 1.18, а, б), или поперечными балками (рис. 1.18, г). Не смотря на постановку нижних продольных связей балки образуют открытые снизу конструкции с относительно малой крутильной жесткостью.

Рис. 1.18. Конструкции металлических и сталежелезобетонных балок жесткости: а – раздельные балки жесткости двутаврового сечения; б – раздельные балки жесткости коробчатого сечения; в – общие балки жесткости; г – балки жесткости с балочной клеткой; д – общие сталежелезобетонные балки жесткости; е – раздельные сталежелезобетонные балки жесткости; 1 – плоскость вант (кабеля); 2 – раздельные балки жесткости; 3 – ортотропная плита (покровный лист, поперечные и продольные ребра); 4 – поперечные балки; 5 – продольные балки; 6 – полотно проезда (железобетон); 7 – железобетон, объединенный с металлическими балками; 8 – продольные и поперечные связи; 9 – консоли

Общая балка жесткости (рис. 1.18, в), имеющая коробчатое сечение с вертикальными или наклонными стенками (угол наклона a ³ 60), представляет собой единый элемент, поддерживаемый вантами или подвесками и обладающий большой крутильной жесткостью. Балка этого вида работает как пространственная конструкция в отличие от раздельных балок, работающих в одной плоскости.

Общая балка жесткости может состоять из сплошностенчатых балок и сквозных ферм, объединенных в пространственную конструкцию не только ортотропной плитой проезжей части, но и нижними жесткими продольными связями или нижней ортотропной плитой.

Ортотропная плита обычно состоит из листа настила, продольных плоских или пространственных ребер высотой 300…400 мм, поставленных с шагом 300…500 мм, а также поперечных ребер высотой, равной (0,07…0,17) В_Б, размещаемых вдоль пролета с шагом 2500…4000 мм. Кроме функций проезжей части (восприятие местной временной нагрузки) ортотропная плита выполняет также функции верхнего пояса балки жесткости и верхних продольных связей.

Рис. 1.19. Конструкции железобетонных балок жесткости: а – раздельные балки жесткости; б, в – общая балка жесткости; г – хребтовая балка жесткости; 1 – плоскости вант (кабеля); 2 – балка жесткости; 3 – поперечная балка; 4 – плиты;
5 – хребтовая балка; 6 – пролетные строения; 7 – консольная балка-диафрагма

- Применение металлических балок жесткости целесообразно для висячих мостов, так как связано со снижением их веса

Железобетонные балки жесткости также можно разделить на два вида: раздельные (рис. 1.19, а) и общие (рис. 1.19, б – г) с вертикальными или наклонными стенками.

Кроме того, их подразделяют еще на четыре класса по характеру передачи усилий от вант или подвесок на балку жесткости [4].

С этой точки зрения более простыми являются конструкции, у которых плоскости вант (кабеля) совпадают с осями главных балок – класс А
(рис. 1.19, а) или со стенками балки жесткости – класс Б (рис. 1.19, б). Для конструкций балок жесткости, у которых плоскости вант (кабеля) не совпадают с осями балок и стенок, приходится устраивать дополнительные элементы в виде жестких консольных балок-диафрагм – класс В (рис. 1.19, в).

Особое место занимает конструкция железобетонной балки жесткости в виде хребтовой главной балки коробчатого сечения, к которой присоединяются консольные пролетные строения (рис. 1.19, г). Количество плоскостей вант в этом случае может быть равным одной или двум наклонным плоскостям.

Железобетонные балки жесткости целесообразны для вантовых мостов при относительно небольших пролетах – 100…250 м, так как они хорошо воспринимают большие сжимающие усилия от вант.

Сталежелезобетонные балки жесткости (рис. 1.18, д, е) позволяют объединить достоинства металлических (небольшой собственный вес) и железобетонных (высокая жесткость). Они применяются для висячих и вантовых систем при пролетах 200…300 м.

1.4. Пилоны висячих и вантовых мостов

Конструкции пилонов висячих и вантовых мостов весьма разнообразны, в связи с чем возникает необходимость их классификации по следующим признакам:

- по расположению в пределах моста;

- статическим схемам, определяющим жесткость пилонов;

- материалу;

- конструктивной форме пилонов поперек оси моста;

- типу сечения стоек пилона;

- расположению балок жесткости.

По расположению в пределах моста пилоны подразделяются на береговые и промежуточные. Береговые пилоны применяются для распорных, однопролетных висячих и вантовых мостов (рис. 1.20, а, б). Береговые пилоны опираются на устои, промежуточные – на промежуточные опоры.

Рис. 1.20. Разновидности пилонов по расположению: а, б – береговые пилоны висячих и вантовых мостов; в, г – промежуточные пилоны висячих и вантовых мостов; 1 – береговые пилоны; 2 – промежуточные пилоны; 3 – устои для пилонов и промежуточные опоры; 4 – устои для опирания балок жесткости

По материальному исполнению пилоны проектируются железобетонными или металлическими. Опыт строительства висячих и вантовых мостов показывает, что при пролетах более 300…350 м целесообразнее оказываются металлические пилоны, а при меньших пролетах – экономичнее железобетонные. Преимущество металлических пилонов заключается в индустриальности изготовления и удобстве монтажа. Железобетонные пилоны могут быть сборными или монолитными.

По статическим схемам пилоны можно подразделить на жесткие, полугибкие и гибкие (рис. 1.21).

Жесткие пилоны (рис. 1.21, а) выполняют, как правило, из железобетона (бетона). Они хорошо работают на внецентренное сжатие при несимметричном загружении пролетного строения, не имеют продольных перемещений верха пилонов, так как опирание кабеля осуществляется с помощью подвижных опорных частей. Применяются при их высоте Н_П £ 40 м.

Полугибкие пилоны (рис. 1.21, б) выполняются железобетонными или металлическими. Горизонтальное перемещение вершины пилона в продольном направлении осуществляется за счет изгиба и поворота пилона. Применяются эти пилоны при пролетах менее 250…300 м.

Рис. 1.21. Статические схемы пилонов: а – жесткие пилоны; б – полугибкие пилоны; в – гибкие пилоны; Ж – жесткое закрепление пилона в опоре; ШНП – шарнирно-неподвижное опирание пилона на опору и кабеля (вант) на пилон; ШП – шарнирно-подвижное опирание кабеля (вант) на пилон

Гибкие пилоны (рис. 1.21, в) выполняются, как правило, металлическими. Горизонтальное перемещение верха пилона осуществляется за счет изгиба пилона. Применяются пилоны при пролетах более 250…300 м.

По конструктивной форме поперек оси моста пилоны характеризуются большим разнообразием (рис. 1.22). Выбор той или иной формы устанавливается исходя из длины пролета (основного), определяющей высоту пилона и усилия в нем, ширины моста, количества вант (подвесок) и характера их расположения.

Поиск по сайту: