Принципы работы, компоновка и конструкции элементов сквозных и комбинированных балочных пролетных строений
|
Сквозными принято называть все пролетные строения, имеющие существенные просветы внутри контура главных ферм. Понятие комбинированной конструкции имеет много различных толкований, и общепринятого определения не существует. С нашей точки зрения комбинированными следует называть пролетные строения, имеющие главные фермы в виде изгибаемых элементов со сквозным усилением арками, подпругами, кабелями, решетчатыми фермами, вантовыми системами, шпренгелями, затяжками и т. д. Изгибаемыми элементами могут быть балки жесткости, жесткие пояса, расположенные в уровне проезда и воспринимающие внеузловую временную нагрузку, жесткие арки и т.д. Почти каждое комбинированное пролетное строение является одновременно сквозным (по всей длине или только на отдельных участках), но далеко не каждое сквозное пролетное строение является одновременно комбинированным. Сквозные и преимущественно сквозные комбинированные пролетные строения по характеру работы можно разбить на следующие основные группы: 1. Простые решетчатые (рис. 28.1,а) — сохраняющие неизменяемость при устройстве шарниров во всех узлах главных ферм и отличающиеся узловой передачей временных нагрузок на главные фермы; 2. Решетчатые комбинированные (рис. 28.1,б) — тоже сохраняющие неизменяемость при устройстве шарниров во всех узлах главных ферм, но имеющие неразрезной жесткий пояс в уровне проезда, воспринимающий внеузловую временную нагрузку на главные фермы; 3. Простые комбинированные (рис. 28.1, в) — имеющие изгибаемые элементы в виде балок жесткости либо жестких арок, сквозное усиление арками, подпругами, кабелями, шпренгелями, затяжками или над-арочным строением и не имеющие решетки между изгибаемыми элементами и элементами усиления; 4. Вантово-балочные комбинированные — имеющие балки жесткости и сквозное усиление вантами. Многие другие группы сквозных пролетных строений (рамные, распорные вантовые, гибкие висячие и т.д.) считать основными группами в настоящее время не следует.  В простых решетчатых пролетных строениях все элементы главных ферм работают преимущественно на осевые усилия (растяжение или сжатие); изгибающие моменты в элементах главных ферм невелики и возникают только от вторичных факторов (собственный вес элементов, конструктивные эксцентриситеты, жесткость узлов и т. д.). На местный изгиб от временной вертикальной нагрузки работает только проезжая часть. Преимущественное применение простые решетчатые пролетные строения балочной системы имеют при езде понизу. Простые решетчатые пролетные строения с ездой понизу применяют разрезными и неразрезными, в России в настоящее время — только с параллельными поясами, что облегчает заводское изготовление и навесной монтаж, хотя и вызывает некоторый перерасход стали. Решетка современных пролетных строений — треугольная с дополнительными стойками и подвесками при одинаковом угле наклона всех раскосов к поясам. При пролетах более 140 м применяют дополнительные шпренгели. Современные конструкции очень удобны для типизации и унификации. Характерные отношения высоты главных ферм к пролету в железнодорожных мостах составляют 1/5—1/7—1/9; в автодорожных мостах — 1/7—1/10—1/12. Здесь первые пределы относятся к разрезным пролетным строениям, а вторые — к неразрезным. Высота главных ферм определяется условиями экономии стали и унификации, в железнодорожных мостах — иногда условиями жесткости, в закрытых (имеющих верхние продольные связи) мостах небольших пролетов — высотой габарита проезда. Характерные углы наклона раскосов к поясам 45—60°. В решетчатых комбинированных пролетных строениях неразрезные жесткие пояса, расположенные в уровне проезда, интенсивно работают на осевые усилия и на изгиб от внеузловых вертикальных нагрузок, от прогибов главных ферм, от эксцентричного примыкания раскосов. Такой жесткий пояс является совмещением в одном элементе обычного пояса фермы и продольной балки проезжей части. Решетчатые комбинированные пролетные строения выгоднее по расходу стали, чем простые решетчатые, при езде поверху — для любых пролетов (поскольку позволяют полностью или частично исключить из пролетного строения балочную клетку проезжей части), а при езде понизу — для довольно широкого диапазона больших пролетов (в которых оптимальная панель главных ферм оказывается значительно больше оптимальной панели проезжей части, но устройство шпренгельной решетки нецелесообразно и предпочтительно устройство жесткого пояса). Для езды поверху решетчатые комбинированные пролетные строения имеют хотя и не широкое, но существенно большее распространение, чем простые решетчатые пролетные строения, а для езды понизу — меньшее распространение. Это объясняется усложнением изготовления и унификации при неодинаковом устройстве верхних и нижних поясов и некоторыми трудностями осуществления примыканий решетки к жесткому поясу. Решетчатые комбинированные пролетные строения применяют с параллельными поясами (при примерно таких же основных геометрических параметрах, что и в простых решетчатых пролетных строениях) и многих других очертаний, в частности сегментного очертания для балочно-разрезных пролетных строений с ездой понизу. Высота жесткого пояса составляет обычно 1/6—1/12 длины панели главных ферм. Зависимость мощности жесткого пояса от длины панели главных ферм свидетельствует, что основной его функцией является обычно работа на местный изгиб. На работе противоположного пояса наличие жесткого пояса почти не отражается. Работа решетки в решетчатой комбинированной конструкции заметно облегчается по сравнению с простой решетчатой конструкцией в связи с воспринятием жестким поясом местной нагрузки и части поперечной силы, что является одной из причин экономичности решетчатых комбинированных ферм. В целом работа решетчатых комбинированных ферм близка к работе простых решетчатых ферм, практически одинаковы и показатели вертикальной жесткости. Линии прогибов решетчатых комбинированных ферм имеют такой же характер, как и линии прогибов аналогичных простых решетчатых ферм, но отличаются более плавным очертанием. Однако работа простых комбинированных пролетных строений коренным образом отличается от работы решетчатых комбинированных и простых решетчатых конструкций. Балка жесткости простой комбинированной фермы, внешне сходная с жестким поясом решетчатой комбинированной фермы, имеет другие функции, поскольку жесткость ее необходима для неизменяемости фермы, не имеющей решетки. Соответственно в балке жесткости простой комбинированной фермы возникают во много раз большие изгибающие моменты, чем в жестком поясе решетчатой комбинированной фермы тех же размеров и очертаний. Высота балки жесткости зависит уже не от длины панели фермы (расстояния между стойками или подвесками), не имеющей здесь большого значения, а от пролета и составляет 1/40—1/60 его длины. При загружении одной из половин пролета простой комбинированной фермы или при установке временной нагрузки вблизи четверти пролета линия прогибов и эпюра изгибающих моментов в балке жесткости получаются на длине этого пролета двухзначными — балка жесткости на части его длины выгибается вверх, происходит S-образный изгиб (рис. 28.2). Соответственно вертикальная жесткость простого комбинированного пролетного строения существенно меньше, чем простого решетчатого или решетчатого комбинированного, а по расходу стали простое комбинированное пролетное строение из-за тяжелой балки жесткости менее экономично, чем простое решетчатое или решетчатое комбинированное пролетное строение.  Простые комбинированные пролетные строения балочной системы применяют с ездой понизу, поверху и посередине с главными фермами переменной высоты (в виде балок, усиленных гибкими арками, подпругами или кабелем, а также в виде жестких арок с затяжками). Применение этих конструкций ограниченное. Ho простые комбинированные конструкции часто предпочтительны по сравнению с более выгодными балочными решетчатыми пролетными строениями тех же очертаний в связи с лучшими эстетическими качествами. Отсутствие решетки придает внешнему виду простого комбинированного пролетного строения легкость и выразительность. Кроме того, простые комбинированные конструкции несколько проще при изготовлении. Компоновка поперечного сечения комбинированного пролетного строения с ездой поверху мало отличается от компоновки поперечника сплошностенчатого пролетного строения. При езде понизу сквозные и комбинированные пролетные строения имеют обычно две главные фермы. В последние годы применяются автодорожные пролетные строения с ездой понизу с устройством одной или трех главных ферм (с размещением фермы на разделительной полосе).  При устройстве только одной главной фермы вся проезжая часть оказывается на консолях; при этом на всю ширину проезжей части устраивают пространственную коробчатую балку жесткости, хорошо сопротивляющуюся кручению. Железобетонная или стальная ортотропная плита проезжей части в комбинированных пролетных строениях может заменять одну из плоскостей продольных связей также, как в сплошностенчатых конструкциях. При езде понизу устройству обычных поперечных связей между главными фермами мешает габарит проезда. Поэтому устраивают поперечные рамы (в частности, портальные рамы), слагающиеся из поперечной балки проезжей частей, вертикальных или наклонных элементов главных ферм и верхнего жесткого ригеля (в закрытых мостах), чаще всего сквозного. Проезжая часть в комбинированных пролетных строениях с ездой поверху не отличается от проезжей части сплошностенчатых пролетных строений, поскольку плиту проезжей части или поперечины мостового полотна можно непосредственно опереть на главные фермы. Для простых решетчатых пролетных строений с ездой понизу, поверху или посередине необходимо устройство балочной клетки, состоящей из поперечных балок (панель между поперечными балками равна панели главных ферм) и опирающихся на них продольных балок, на которые, в свою очередь, опирается мостовое полотно или плита проезжей части. Оптимальная панель такой проезжей части не превышает 4—5 м (рис. 28.3, а). При панели, достигающей 11 м и более, неизбежен значительный перерасход стали на продольные балки. В решетчатых комбинированных и простых комбинированных пролетных строениях с ездой понизу или посередине между поперечными балками проезжей части всегда можно назначить оптимальное расстояние, выгодно перекрываемое непосредственно железобетонной или стальной ортотропной плитой. Проезжая часть при этом значительно проще и экономичнее (рис. 28.3, б). Железобетонную или стальную ортотропную плиту проезжей части в комбинированных пролетных строениях следует включать в совместную работу с главными фермами так же, как в сплошностенчатых пролетных строениях. Однако эффект совместной работы получается здесь несколько меньшим (особенно при железобетонной плите) в связи с большей переменностью и знакопеременностью усилий в плите. Сквозные и комбинированные пролетные строения состоят из линейных, плоскостных и иногда пространственных элементов, соединяемых в узлах. К линейным относятся все элементы простых решетчатых главных ферм и большинство элементов комбинированных главных ферм, а также элементы связей. К плоскостным элементам обычно относятся балки и плиты проезжей части, жесткие пояса решетчатых комбинированных ферм, балки жесткости и жесткие арки простых комбинированных ферм, разного рода диафрагмы и т. д. Примером пространственного элемента может быть коробчатая балка жесткости.  Сквозные и комбинированные главные фермы пролетных строений мостов в подавляющем большинстве случаев конструируются как тяжелые фермы, имеющие двухветвевые линейные элементы с относительно тяжелыми вертикалами и более легкими горизонталами и другими соединительными элементами. Наиболее употребительные типы сечений линейных элементов главных ферм — коробчатые и Н-образные (рис. 28.4,а). Коробчатые элементы обладают большой жесткостью против продольного изгиба в обеих плоскостях (т. е. весьма экономичны в сжатых элементах) и хорошими эксплуатационными показателями. Н-образные элементы отличаются высокой технологичностью изготовления. Плоскостные балочные элементы (балки проезжей части, балки жесткости, жесткие пояса) — одностенчатые, характеризуются относительно мощными горизонталами и более тонкими вертикалами (рис. 28.4, в). Узлы простых решетчатых ферм отличаются простотой, так как соединяются сходные элементы. Сложнее специфические узлы комбинированных ферм, в которых двухветвевые элементы соединяются с одностенчатыми, причем при различных принципах распределения материала в сечениях. Сечения линейных элементов связей (рис. 28.4, г) очень разнообразны. Наибольшее распространение имеют уголковые, тавровые, двутавровые, двухшвеллерные, крестовые, трубчатые сечения, крепящиеся по концам одной плоскостью (к фасонкам, ребрам и т.д.). В связи с ограниченной предельной гибкостью выбор более или менее жесткого типа сечения определяется в значительной степени свободной длиной элемента. |
