Принципы работы, условия применения, компоновка и особенности расчета распорных арочных мостов
|
Арочными называют мосты, имеющие в основе конструкции сжатые криволинейные или полигональные элементы дугообразного очертания, т. е. арки. В настоящей главе рассматриваются арочные мосты арочной (распорной) системы, в которых распор передается на грунт. Арочные мосты балочной (внешние безраспорной) системы, в которых распор воспринимается затяжкой, кратко рассмотрены ранее. Арочные распорные мосты (рис. 29.1) применяют с ездой поверху или посередине и крайне редко — с ездой понизу. В подавляющем большинстве случаев арочные пролетные строения относятся к простым комбинированным конструкциям, ибо не имеют решетки между арками и проезжей частью и испытывают S-образный изгиб при несимметричных загружениях временными вертикальными нагрузками. В арочных пролетных строениях с ездой поверху различают собственно арки и надарочное строение, включающее проезжую часть и стойки. Между арками и между элементами надарочного строения могут располагаться связи. Функции главных ферм могут выполнять либо только арки, либо арки, тесно взаимодействующие с надарочным строением. При езде посередине на части длины моста вместо надарочного строения есть подарочное строение.  Передача распора на грунт требует устройства весьма мощных опор (включая фундаменты и основания). Объемы и стоимость опор в арочном распорном мосту всегда больше, чем в балочном мосту тех же пролетов при аналогичных условиях. Особенно значительны увеличения объемов и стоимости опор в многопролетных арочных мостах, в которых к промежуточным опорам предъявляется требование воспринятия одностороннего распора, отвечающего разрушению одного из пролетов. Чтобы не увеличивать стоимость, при проектировании арочного моста большое значение имеет устройство и уменьшение объемов опор моста, с вписыванием их в профиль мостового перехода и грунтовые условия. Передача распора на грунт, т. е. по существу замена грунтом растянутого пояса балочной фермы, а также воспринятие всей или подавляющей части поперечной силы аркой, заменяющей не только сжатый пояс, но и раскосы соответствующей решетчатой балочной фермы, обеспечивает существенную экономию стали в арочном пролетном строении по сравнению с балочным в аналогичных условиях. Экономия эта составляет не менее 15—20% расхода стали в оптимальном балочном пролетном строении. Увеличение стоимости опор и уменьшение стоимости пролетного строения приводит к целесообразности применять в арочных мостах относительно большие пролеты, чем в балочных при аналогичных условиях. По той же причине арочные мосты несколько чаще делают однопролетными. Из-за весьма жесткой зависимости парам каждого арочного моста от профиля и грунтовых условий мостового перехода арочный мост всегда сугубо индивидуален. Типовых арочных металлических пролетных строений не существует. Необходимостью иметь хорошие грунты и относительно низкие опоры, а также отсутствием типовых проектов объясняется существенно более редкое применение арочных мостов. Арочные мосты применяют при благоприятном профиле перехода и хороших грунтах при необходимости иметь сравнительно большие пролеты. При самых благоприятных условиях арочные мосты могут быть целесообразными уже при пролетах 50 м, в большинстве же случаев они имеют пролеты более 100 м; при пролетах более 200 м арочные мосты становятся особенно конкурентноспособными. Верхний предел для пролета металлического арочного моста около 600 м. Арочные мосты красивы, и из эстетических соображений их сооружают иногда и там, где балочный мост был бы выгоднее. Арочные мосты часто строят в городах (например, много арочных мостов через р. Москву в Москве), а также для украшения живописных загородных ландшафтов. Особая область применения арочных мостов — горные условия, когда наличие скальных грунтов сочетается с отвечающим устройству арки рельефом. Распорные арочные мосты можно разделить на две группы — с гибкими арками (рис. 29.1, а, б) и с жесткими арками (рис. 29.1, в—е). Гибкая арка — полигональный сжатый стержневой элемент с малой изгибной жесткостью в плоскости фермы (определяемой условиями устойчивости на длине панели). Изгибающие моменты в гибкой арке незначительны, аналогичны изгибающим моментам в нежестком поясе любой комбинированной фермы. Значительные изгибающие моменты (обычно знакопеременные) возникают в балке жесткости, наибольшие моменты S-образного изгиба возникают в четвертях пролета при загружении временной нагрузкой половины пролета, как и в других видах простых комбинированных ферм (см. рис. 28.2). Жесткие арки могут быть сплошностенчатыми (криволинейными или полигональными) либо сквозными (решетчатыми). Жесткая арка работает на совместное действие осевого сжатия, изгибающих моментов (преимущественно S-образного изгиба) и поперечных сил. В мосту с жесткими арками в уровне проезжей части либо имеют элементы пренебрежимо малой по сравнению с арками изгибной жесткости, либо все же устраивают балку жесткости. В последнем случае моменты S-образного изгиба распределяют между арками и балкой жесткости пропорционально их изгибным жесткостям. Металлические мосты с жесткими арками могут быть бесшарнирны-ми, двухшарнирными и трехшарнирными (см. рис. 29.1). В прошлом, в период недоверия к надежности оснований и к работе статически неопределимых систем, часто применяли статически определимые трехшарнирные арки. Сейчас их применяют очень редко, в случаях монтажа подъемом целых полуарок. До недавнего времени основной схемой для металлических арочных мостов была двухшарнирная; бесшарнирную схему избегали в связи с увеличенными температурными, напряжениями. Однако уточненные исследования показали, что температурные напряжения имеют действительно определяющее значение только для особенно жестких сквозных (решетчатых) бесшарнирных арок. Для менее высоких сплошностенчатых арок бесшарнирная схема рациональна. Применение решетчатых арок в последние годы сократилось, но они продолжают возводиться двухшарнирными. В России для автодорожных и городских мостов пролетами до 200 м в последние десятилетия жесткие арки уступили место гибким как более простым и не менее экономичным конструкциям. При больших пролетах, а также в железнодорожных мостах гибкие арки получаются неконструктивными, и по-прежнему должны применяться жесткие арки. Их продолжают строить во многих зарубежных странах. Основным параметром арочного моста является стрелка арок. Отношения стрелки к пролету изменяются в очень широких пределах (1/2—1/18). Крайние цифры, ограничивающие этот диапазон, используются редко. При езде поверху наиболее употребительны отношения стрелки к пролету 1/7—1/8 и при езде посередине — 1/5—1/6. Ось арки (или кривую центров узлов полигональной арки) прочерчивают обычно по дуге окружности, что упрощает конструкцию, ибо все элементы арок могут иметь одинаковую геометрию, или по параболе, что обеспечивает уменьшение изгибающих моментов в арке или балке жесткости. Жесткие арки назначают либо постоянной высоты, либо серповидного очертания (см. рис. 29.1), при котором высота арки уменьшается к пятам на протяжении крайних четвертей пролета. Высота сечения сплошностенчатой жесткой арки составляет, как правило, 1/50—1/70 пролета в автодорожных и городских мостах и 1/40—1/50 пролета в железнодорожных мостах. Высота сквозных решетчатых арок существенно больше. Для числа арок в поперечном сечении моста характерны те же закономерности, что и для числа балок в балочных мостах. Наиболее характерны мосты с двумя арками. В весьма широких мостах и при небольших пролетах возможны многоарочные конструкции. При гибких арках число балок жесткости делают иногда вдвое большим числа арок, размещаемых вне плоскостей балок жесткости для упрощения монтажа. Устройство связей в арочном пролетном строении должно обеспечивать несмещаемость всех узлов арок и конструкций проезда. Продольные связи устраивают вдоль арок и (в зависимости от наличия и устройства плиты проезжей части) вдоль проезжей части (или балки жесткости). Горизонтальные нагрузки, приходящиеся на проезжую часть, должны быть переданы либо специальными устройствами на устои, либо поперечными связями стоек на арки. При сквозных арках продольные связи устраивают обычно и вдоль верхнего и вдоль нижнего пояса арки. При езде посередине связи по аркам включают рамные порталы для пропуска габарита проезда. Устройство проезжей части в значительной степени зависит от наличия балки жесткости. Расчеты арочных пролетных строений выполняют чаще всего по линиям влияния, построенным на основе решения статически неопределимой задачи для плоской линейно деформируемой расчетной модели. При жестких арках напряжения в них вычисляют с помощью линий влияния соответствующих ядровых моментов. Для предварительного назначения основных сечений можно пользоваться следующими весьма приближенными формулами:  то необходимо учитывать в расчетах геометрическую нелинейность работы распорного арочного пролетного строения. Деформации пролетного строения в этих случаях заметно увеличивают изгибающие моменты и прогибы, по сравнению с вычисленными по линиям влияния. В расчетах арок, являющихся сжатыми или сжато-изогнутыми стержнями, важна проверка общей устойчивости, выполняемая по свободным длинам, равным: из плоскости арки — расстоянию между узлами соответствующих связей; в плоскости арки для гибкой арки — расстоянию между узлами примыкания стоек или подвесок, соединяющих арку с балкой жесткости; в плоскости арки для жесткой арки — согласно. |
