4.4.Переходы через большие реки

Для преодоления больших рек используют в основном средние, большие  а иногда и внеклассные мосты.

К средним сооружениям относят мосты и путепроводы длиной до 100 м при отдельных пролетах в свету не более 42 м. В зависимости от рельефа местности на каждые 1000 км дороги приходится от 20 до 40 сооружений. Такие мосты строят, как правило, специализированные организации; используют типовые проекты унифицированных конструкций и обязательные технологические правила их возведения. Элементы (блоки), как и для малых искусственных сооружений, изготовляют на промышленных индустриальных предприятиях. Строительных площадок, связанных с постройкой временных вспомогательных сооружений, обычно не создают, ограничиваясь устройством подъездов и небольших складов. Продолжительность строительства, как правило, не превышает 2—3 месяцев.

К большим сооружениям относят мосты длиной свыше 100 м или с отдельными пролетами в свету больше 40 м. К внеклассным — мосты длиной больше 500 м или с пролетами в свету больше 120 м. Большие и внеклассные мосты обычно возводят на пересечении судоходных рек. При строительстве новых автомобильных дорог число больших и внеклассных мостов составляет от двух до шести на 1000 км. Индустриализация строительства мостов этой группы экономически целесообразна в несколько ином направлении, чем малых и средних. Большой объем работ, значительные размеры и масса отдельных элементов, влияние местных условий на выбор системы и конструкции моста часто приводят к индивидуальным решениям. В ряде случаев эти обстоятельства наряду с использованием постоянных промышленных предприятий оправдывают создание строительных площадок на каждом объекте с устройством временных сборно-разборных производственных и жилых сооружений, механизированных мостовых баз и полигонов.

Средние мосты длиной от 25 до 100 м и большие — oт 100 до 500 м строятся при пересечении железной дорогой значительных водных преград. Такие мосты состоят из пролетных строений 3, являющихся основанием для пути. Береговые опоры моста называются устоями 7, а промежуточные — «быками» 5. Опорами мост разделяется на пролеты. Пролетные строения укладывают на опоры через неподвижные 2 и подвижные 4 опорные элементы, которые позволяют пролетному строению несколько перемещаться при изменениях температуры и изгибаться под нагрузкой. При этом с одной стороны пролета устанавливают неподвижные, а с противоположной — подвижные опорные элементы. Длиной моста L называется расстояние между задними гранями его береговых устоев.

Рис.4.16. Схема моста: L — полная длина моста; lр — расчетный пролет; l1 +l2 +l3 — отверстие моста; ГВВ — горизонт высоких вод; ГМВ — горизонт меженных (средних) вод

Пролетные строения состоят из ферм, имеющих верхний и нижний пояса, на которые укладывают мостовое полотно. В зависимости от расположения мостового полотна (проезжей части) на уровне верхнего или нижнего пояса мост называют либо «с ездой поверху» (рис.4.17 а), либо «с ездой понизу» (рис.4.17 б). При пересечении железной дорогой многоводных рек обычно строят многопролетные мосты с ездой посередине (рис.4.17 в).

Рис.4.17. Конструкция мостов.

Материалы, применяемые для строительства таких мостов – это железобетон и металл. Основные системы таких мостов представлены ниже.

В современном мостостроении железобетонные мосты получи­ли широкое применение при малых, средних и даже весьма боль­ших пролетах. В них применяются разнообразные конструктивные решения и статические схемы: балочные, рамные, арочные и ком­бинированные.

Наибольшее распространение получили балочные мосты с ис­пользованием разрезных, неразрезных и консольных систем. Ба­лочные разрезные мосты (рис. 4.18, а) используют для перекрытия пролетов до 42 м. Неразрезные балочные мосты (рис. 4.18, б) при­меняют при пролетах от 33 до 147 м. Неразрезная система характе­ризуется большей жесткостью и меньшей деформативностью про­летного строения от временных нагрузок. Однако применение не­разрезной системы возможно при отсутствии осадки опор. Осадка опор в балочных неразрезных пролетных строениях может вызвать появление значительных дополнительных усилий и служить при­чиной разрушения моста. В настоящее время строители обеспечи­вают исключение осадки опор, что открыло широкие возможно­сти для применения неразрезных пролетных строений при раз­личных грунтовых условиях.

В консольных системах (рис. 4.18, в) подвесные пролетные стро­ения пролетом l₁ опираются на консоли с вылетом l₂ основных пролетных строений. По распределению усилий консольные си­стемы близки к неразрезным, однако имеют меньшую жесткость и под нагрузкой дают переломы упругой линии в местах сопряже­ния подвесных пролетных строений с консолями. Вследствие ста­тической определимости консольной системы осадки опор не вызывают в пролетных строениях дополнительных усилий. Тем не менее мосты с использованием консольных систем в настоящее время не применяют в связи со сложностью узлов соединения подвесных и основных пролетных строений.

Рис. 4.18. Виды балочных (а—в) и рамных (г, д) мостов

Опоры неразрезных и консольных мостов вследствие размеще­ния на них по одной опорной части и центрального их загружения имеют меньшую ширину, чем опоры разрезных мостов.

Простейшие рамные системы мостов (рис. 4.18, г) применяют при пролетах 30... 60 м. Ввиду совместной работы пролетных стро­ений с опорами изгибающие моменты в пролетных строениях уменьшаются.

Это позволяет уменьшить строительную высоту пролетных строений. Весьма широкое распространение получают рамные мосты с наклонными стойками (рис. 4.18, д). Более широ­кое распространение получили мосты из Т-образных рам: рамно- балочные и рамно-консольные. Рамно-балочные системы (рис. 4.19, а) мостов получаются при шарнирном соединении рамных и под­весных пролетных строений. Пролеты l таких систем могут быть в пределах от 40 до 150 м. В ригелях Т-образных рам возникают толь­ко отрицательные изгибающие моменты, а в подвесных разрез­ных пролетных строениях — только положительные. Опоры этих рам от действия вертикальных нагрузок передают на основание вертикальную силу и изгибающий момент.

В рамно-консольных системах (рис. 4.19, б) Т-образные рамы шарнирно связаны между собой. Такие системы применяют для пролетов 60...200 м. Опоры мостов этой системы передают на ос­нование еще и горизонтальную силу. Консоли рам могут быть омоноличены, в этом случае получается многопролетная рамная си­стема с пролетами до 250 м.

Рассмотренные рамные системы представляется возможным возводить навесным бетонированием или навесным монтажом.

В России построены также мосты особой рамно-консольной системы (рис. 4.19, в), Т-образные рамы которых состоят из двух полуарок, связанных затяжкой в уровне проезжей части. Т-образ­ные рамы шарнирно связаны между собой в середине пролета. В мостах такой системы получены пролеты до 120 м.

При прочных грунтах в основании опор возможно применение мостов арочных систем (рис. 4.20, а). Арками железобетонных мо­стов перекрывались пролеты от 50 до 390 м. Опоры этих мостов воспринимают значительные горизонтальные составляющие ре­акций, что требует развития фундаментов. Сами арки работают преимущественно на сжатие, прочность железобетона в них ис­пользуется весьма эффективно.

Рис. 4.19. Рамно-балочная (а) и рамно-консольная (б, в) системы мостов

Рис.4.20. Мосты арочной (а) и вантовой (б) систем

В последние десятилетия в железобетонных мостах находят при­менение вантовые системы (рис. 4.20, б). Они имеют неразрезные железобетонные балки жесткости, поддерживаемые наклонными вантами, закрепленными на вершинах вертикальных пилонов. Ван­ты работают только на растяжение, они создают упругие опоры для балки жесткости, что облегчает ее работу. Пилоны работают в основном на сжатие. Пролеты мостов такой системы с железобе­тонными балками жесткости в настоящее время превысили 400 м.

В последние десять лет в мировом мостостроении получают распространение экстрадозные железобетонные пролетные стро­ения (рис. 4.21, б), которые занимают промежуточное положение между традиционными железобетонными предварительно напря­женными пролетными строениями (рис. 4.21, а), возводимыми методом уравновешенного бетонирования (или монтажа) и ван- товыми пролетными строениями (рис. 4.21, в). Их основной осо­бенностью является внешнее расположение напрягаемой армату­ры и малое отношение высоты пилона к длине пролета (не более 0,1), что позволяет более эффективно, чем в вантовых пролетных строениях, использовать прочность материала напрягаемых эле­ментов, так как они используются только для обжатия пролетно­го строения.

Современные железобетонные мосты сооружают как монолит­ными, так и сборными. Монолитные мосты строят различными способами с использованием инвентарной металлической опалубки. Сборные мосты монтируют из элементов, изготовленных на заво­де или полигоне. Монолитные мосты более надежны, но темпы их строительства ниже, чем сборных. Применение сборных мостов позволяет увеличить темпы строительства, уменьшить трудоемкость работ.

Рис. 4.21. Экстрадозное (б) пролетное строение в сравнении с балочным (а) и вантовым (в)

В современном мостостроении пролетные строения металли­ческих мостов выполняют с использованием балочной, арочной, рамной, вантовой статических схем и их комбинаций.

Обычно пролетные строения металлических мостов выполня­ют с использованием балочной схемы, которая позволяет пере­крывать пролеты от 40 до 300... 550 м. Во всех видах балочных про­летных строений под воздействием вертикальных нагрузок на опо­рах возникают только вертикальные опорные реакции, что облег­чает устройство опор, особенно при их большой высоте. В бало­чных мостах главными несущими элементами могут быть сплош­ные балки или сквозные фермы. По статической схеме балочные мосты могут быть разрезными, неразрезными и балочно-консольными.

Разрезные балочные пролетные строения. В составе моста пере­крывают по одному пролету, каждый из которых работает незави­симо от других (рис. 4.22, а). При прочих равных условиях это тре­бует больших расходов металла, чем в неразрезных пролетных стро­ениях, работающих совместно. Кроме того, промежуточные опо­ры разрезных пролетных строений требуют обычно большего рас­хода материалов, чем опоры неразрезных пролетных строений из- за необходимости установки двух опорных частей на каждой про­межуточной опоре (см. рис. 4.22, а). В связи с этим разрезные про­летные строения обычно применяют для перекрытия относитель­но небольших пролетов, когда их недостатки не оказывают суще­ственного влияния на стоимость и металлоемкость моста.

Конструкция разрезных пролетных строений получается про­стой, легко поддается стандартизации. На работу этих пролетных строений возможные просадки опор не оказывают влияния.

Рис. 4.22. Основные системы (а —ж) металлических мостов: 1 — балка жесткости; 2 — пилон; 3 — вант; 4 — кабель

Неразрезные балочные пролетные строения. Перекрывают од­ной непрерывной конструкцией обычно три или более совместно работающих пролетов (рис. 4.22, б). Благодаря совместной работе абсолютные значения изгибающих моментов в неразрезных бал ках при прочих одинаковых условиях на 35...45 % меньше, чем в разрезных балках, что позволяет уменьшить расход металла.

Эко­номичность неразрезных пролетных строений нарастает с увели­чением пролетов, так как разгружающее действие соседних про­летов более всего проявляется от действия постоянной нагрузки, относительное влияние которой нарастает с увеличением проле­тов и доходит до 80... 90 %. Неразрезные балки весьма удобны при возведении моста методом продольной надвижки и позволяют осуществлять монтаж методом навесной сборки.

Жесткость неразрезных пролетных строений больше, чем раз­резных. Кроме того, они обеспечивают более комфортные усло­вия проезда, так как не имеют переломов проезжей части над промежуточными опорами и не требуют устройства над ними де­формационных швов.

Недостатками неразрезных балочных пролетных строений яв­ляются чувствительность к неравномерным осадкам опор и зна­чительные перемещения концов балок от изменения температу­ры, что требует применения более сложных опорных частей и де­формационных швов.

В современных условиях, когда освоена технология создания надежных опор для опор мостов в разнообразных условиях, не­разрезные балочные пролетные строения нашли широкое приме­нение, особенно при перекрытии больших пролетов (от 60 м и выше).

Балочно-консольная система. По своей работе близка к нераз­резной, так как шарниры ставят в зоне нулевых моментов нераз­резных балок (рис. 4.22, в). Эта система статически определима, в ней не возникают дополнительные усилия в случае просадки опор. Она занимает промежуточное положение по своим свойствам меж­ду разрезными и неразрезными балочными пролетными строени­ями. Но она имеет и ряд недостатков, присущих именно ей. Она более чувствительна к динамическим воздействиям временной нагрузки из-за переломов профиля и шарниров, расположенных в пролете. Устройство сопряжения консольных частей с подвес­ными пролетными строениями осложняет и удорожает конструк­цию моста, а в эксплуатации приносит значительные осложне­ния. Эти недостатки сильно ограничивают ее применение. При возрастающей конкурентоспособности неразрезных пролетных строений строительство металлических мостов балочно-консоль- ной системы стало большой редкостью, в основном в виде ферм для перекрытия пролетов, близких к 500 м.

Арочные металлические мосты. В качестве основных несущих элементов пролетных строений имеют арки (рис. 4.22, г). Арки являются распорной системой. При действии на них вертикальных нагрузок на опоры передаются не только вертикальные, но и го­ризонтальные воздействия (распор), что уменьшает усилия в арке, уменьшает расход материала на нее, но увеличивает воздействие на опоры, что усложняет их конструкции. Применение арочных металлических пролетных строений становится рациональным при очень хороших грунтовых условиях и в случаях, когда арки хоро­шо вписываются в продольный профиль перехода, не вызывая большого увеличения работ по созданию подходов к мосту. Наи­лучшим образом этому соответствуют горные условия. Металли­ческие арочные мосты возводят также в городах по архитектур­ным соображениям.

Рамные пролетные строения. В металлических мостах приме­няют в основном в переходах через большие овраги или в путе­проводах (рис. 4.22, д). Для путепроводов особенно важна воз­можность создания конструкций с малой строительной высотой и высокой жесткостью из-за совместной работы ригеля и стоек. Как и арочная система, рамная является распорной и поэтому требует хороших грунтовых условий или массивных опор. Отно­сительно сложная конструкция узлов сопряжения ригелей со стойками рам снижают применимость рамных металлических мостов.

Вантовые мосты. Имеют в качестве главных несущих элемен­тов пролетных строений балки жесткости и ванты, подвешива­ющие ее к пилонам, являясь как бы упругими опорами (рис. 4.22,е). Обычно вантовые пролетные строения перекрывают два или три пролета. Они хорошо соответствует строительству методом на­весного монтажа.

Вантовые пролетные строения обычно применяют для пере­крытия пролетов от 150...200 м. Рекордным пролетом для ванто­вых мостов является в настоящее время пролет 890 м, реализован­ный в трехпролетном вантовом мосте Татара общей длиной 1480 м, построенном в Японии в 1999 г.

Висячие металлические пролетные строения. Используются для перекрытия самых больших пролетов — 2000...3 000 м (рис. 4.22,ж).           Основным несущим элементом в висячей системе служит ка­бель. Для увеличения жесткости висячей системы устраивают не­разрезную балку жесткости. В 1998 г. в Японии был введен в эксп­луатацию крупнейший висячий мост Акаси-Кайке с тремя проле­тами общей длиной 3 910 м. Он соединяет острова Хонсю и Сико­ку, имеет средний пролет с рекордной длиной 1 990 м и пилоны высотой 298 м. Балка жесткости этого моста, рассчитанная на во­семь автомобильных полос, поддерживается двумя кабелями диа­метром 1,1 м.

Кроме основных систем в металлических мостах применяют также комбинированные системы. Обычно комбинированная си­стема создается из балочной усилением ее гибким арочным по­ясом, который позволяет значительно уменьшить изгибающие моменты в балке. Использование комбинированных систем позволяет сэкономить металл.