С Т А Л
реклама
МОСТОИСПЫТАТЕЛЬНАЯ СТАНЦИЯ КУЙБЫШЕВСКОЙ Ж.Д. СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ ПРОЛЕТНЫЕ СТРОЕНИЯ и исстто ор ри ияя,, кко оннссттр рууккц ци ии и,, р раассппо ол ло ож жеенни иее ннаа д до ор ро оггее МАТЕРИАЛЫ К ЗАНЯТИЯМ ПО ТЕХНИЧЕСКОЙ УЧЕБЕ Составил Стрельцов А.С. САМАРА 2001 1. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ И ХАРАКТЕРНЫЕ ДЛЯ НИХ ПРОБЛЕМЫ Уже в конце XIX в. существовало мнение, что железные балки, облицованные бетоном по конструктивным соображениям или с целью увеличения огнестойкости, обладают увеличенной прочностью и жесткостью; в 1923 г. это было подтверждено проведенными в Англии испытаниями. Советские мостоиспытательные станции неоднократно отмечали, что при наличии монолитной железобетонной проезжей части на верхних поясах стальных балок прогибы и напряжения получаются значительно меньше расчетных. В 1929 г. Каугей и Скотт в Англии и в 1935 г. Фрейсине во Франции впервые высказали мысль о желательности применения объединительных деталей для надежного использования совместной работы железобетона и стали. В 1939 г. в Швейцарии были запатентованы балки системы «Альфа», отличающиеся приваркой к верхнему поясу арматурных спиралей для объединения железобетона и стали (рис. 1). Рис 1. Объединение стали и железобетона системы "Альфа" Первые сталежелезобетонные мосты с балками системы «Альфа» были построены в Нью-Йорке и в Швейцарии, а затем эти конструкции получили заметное распространение. В годы второй мировой войны в США для объединения железобетона и стали начали использовать гибкие упоры в виде отрезков швеллеров и двутавров и расширили применение балочно-разрезных сталежелезобетонных пролетных строений. Уже в 1944 г. Ассоциация ААSНО выпустила первые технические условия на их проектирование. С 1944 г. по инициативе Г. Д. Попова (Проектстальконструкция) автодорожные сталежелезобетонные мосты с жесткими упорами из уголков и облегченным верхним поясом начали применять в СССР. Уже в 1946 г. Проектстальконструкцией были выпущены первые типовые проекты объединенных пролетных строений со сварными балками из углеродистой стали, клепаными монтажными соединениями и монолитное железобетонной плитой для пролетов 21, 32,4 и 42,5 м и габарита Г7 под автомобильную нагрузку. Эти конструкции получили массовое распространение на автомобильных дорогах в послевоенный восстановительный период (Рис. 2). Характерная черта компоновки первых отечественных сталежелезобетонных пролетных строений — наличие в поперечном сечении четырех главных балок, расставленных на расстояния 1,8— 2,0 м. Столь частое расположение главных балок, объясняемое стремлением обойтись без балочной клетки и низкой маркой бетона, ведет к недоиспользованию материала стенок вследствие невозможности уменьшения их толщины по условиям изготовления. Такие конструкции обладали наибольшей простотой и наименьшей трудоемкостью, что было особенно важно в тот период, но это достигалось за счет перерасхода стали. Интересно отметить, что многие проектные организации далеко не сразу согласились с возможностью облегчения стального верхнего пояса при устройстве железобетонной проезжей части. Например, построенный в 1954 г. по проекту Гипротрансмоста крупный путепровод на платформе "Северянин" имел еще стальные балки симметричного сечения при наличии железобетонной плиты проезжей части. В конце 40-х и начале 50-х годов проектированием автодорожных сталежелезобетонных пролетных строений в СССР занялось много проектных организаций и в их числе — Дормостпроект, Киевский филиал Союздорпроекта, Укрпроектстальконструкция, Лентрансмостпроект, Трансмостпроект. На Украине было построено довольно много балочно-разрезных сталежелезобетонных пролетных напряженных перемещениями на временной опоре. строений, предварительно Рис 2. Типовое сталежелезобетонное пролетное строение 32,4 м (1946г.) Постройкой в 1954 г. моста через р. Москву у поселка Сосны в СССР началось широкое применение в сталежелезобетонных пролетных строениях низколегированной стали и сборной железобетонной проезжей части, включенной в совместную работу с главными балками автодорожных мостов. Главная идея сталежелезобетонных конструкций состоит в выгодном использовании работы бетона на сжатие; соответственно первые сталежелезобетонные пролетные строения были только балочно-разрезными сплошностенчатыми с ездой поверху. Однако уже на рубеже 40—50-х годов в СССР и других странах стали появляться неразрезные, шарнирно-консольные и комбинированные сталежелезобетонные пролетные строения, в которых часть железобетонной плиты оказывалась растянутой. Вначале в таких пролетных строениях только исключали растянутый бетон из расчетной схемы, не осуществляя никаких конструктивных мероприятий. Потом некоторое применение (главным образом за рубежом) получили так называемые «организованные швы» для действительного исключения отдельных участков железобетонной плиты из работы на растяжение. Вскоре появились также преднапряженные сталежелезобетонные пролетные строения сначала с предварительным выгибом стальных балок, а в конце 50-х годов с натяжением высокопрочной арматуры. Однако первоначальной задачей преднапряжения в сталежелезобетонных мостах была почти повсеместно только экономия стали, . причем часто в ущерб срокам возведения, трудоемкости и общей стоимости сооружения в деле. Только с обострением проблемы трещиностойкости железобетона (в частности, в связи с переходом на преимущественное применение низколегированных сталей в мостовых конструкциях) и после постановки этой проблемы на строгие научные основы предварительное напряжение начали рассматривать как один из способов обеспечения поперечной трещиностойкости железобетонной плиты. В середине 50-х годов появились также двухплитные (с двумя железобетонными плитами) коробчатые пролетные строения, но серьезного распространения они не получили. Широко начали применять затем коробчатые поперечные сечения большепролетных конструкций, но нижние плиты (или обе плиты) стали делать стальными ортотропными (ребристыми). В 50-х годах стали применяться решетчатые сталежелезобетонные пролетные строения с ездой поверху с включением железобетонной плиты в совместную работу с верхними поясами главных ферм, а также сквозные пролетные строения с ездой понизу с включением железобетонной плиты в совместную работу с поперечными или продольными балками проезжей части. В последующем уточнение расчетов таких пролетных строений выявило некоторые трудности с размещением упоров и обеспечением трещиностойкости железобетонной плиты, что явилось одной из причин ограниченного их применения. Со второй половины 50-х годов преобладающим средством объединения стали и железобетона в большинстве зарубежных стран оказались гибкие цилиндрические упоры с головками, отличающиеся исключительно малой трудоемкостью приварки их сварочным пистолетом (Рис. 3). Это обстоятельство явилось одной из многих причин продолжения широкого применения за рубежом монолитной плиты, для которой эти упоры наиболее удобны. В СССР такие упоры не получили применения. Необходимость экономии стали заставила возвратиться в конце 50-х годов к поперечным сечениям преимущественно с двумя главными балками в соответствии с принципом концентрации материала. Рис. 3 В этом направлении соревновались две проектные организации: Киевский филиал Союздорпроекта предлагал не вводить балочную клетку проезжей части и перекрывать увеличенное расстояние между главными балками железобетонной плитой увеличенной толщины (Рис. 4а); Проектстальконструкция предлагала опирать железобетонную плиту не только на главные балки, но и на продольную балку проезжей части (прогон), опертую, в свою очередь, на сквозные поперечные балки, совмещенные с поперечными связями (Рис. 4б). В 1957 и 1961 гг. Киевским филиалом Союздорпроекта (СДП), а в 1959 г. Проектстальконструкцией были выпущены серии типовых проектов разрезных и неразрезных автодорожных сталежелезобетонных пролетных строений для пролетов в свету от 40 до 80 м (для габаритов Г-7). В пролетных строениях Киевского филиала СДП железобетонная проезжая часть (сборная или монолитная) опиралась только на стальные главные балки, расставленные на 5 м. В связи с этим железобетонная плита имела по оси моста увеличенную толщину — 24 или 22 см, хотя к краям плиты толщина уменьшалась, достигая 17 см. В пролетных строениях Проектстальконструкции расстояние между главными балками было равно 5,8 м. Наличие прогона, уменьшающего вдвое пролет железобетонной плиты, позволило уменьшить ее толщину до 14 см. Снижение собственного веса плиты привело к уменьшению расхода стали на пролетное строение, в результате чего приняли решение Проектстальконструкции. Пролетные строения 1959 г. вскоре были ею частично перепроектированы на габарит Г-8 и автомобильную нагрузку Н-30 по СН 200-62. Компоновка Проектстальконструкции в 60-х годах была использована Ленгипротрансмостом при разработке типовых проектов, реализуемых на заводах Минтрансстроя до настоящего времени. Рис. 4. Типовые автодорожные сталежелезобетонные пролетные строения 42,5 м конца 50х годов В целом 50-е годы явились периодом наиболее интенсивного и многогранного развития конструктивных форм сталежелезобетонных пролетных строений. Развитие конструктивных форм сопровождалось разработкой теории их действительной работы, методов расчета и норм проектирования. Через 11 лет после выхода первых американских норм ААSНО в Западной Германии в 1955 г. были выпущены DIN 1078. Нормы ААSНО серьезно корректировались и переиздавались в 1957 и 1961 гг. и продолжают периодически дополняться и совершенствоваться в данный период. В СССР долгое время не было норм на проектирование сталежелезобетонных мостов, и проектировщики пользовались преимущественно книгами Е. Е. Гибшмана, издававшимися в 1952 и 1956 гг. Обстановка в этом отношении изменилась коренным образом в 1962—1965 гг., когда была выпущена большая серия нормативных документов различных уровней (СН 200-62, СНиП II-Д.7-62, технические указания ВСН 92-63) и комментирующая их монография Н. Н. Стрелецкого «Сталежелезобетонные мосты». В Великобритании первые нормы на проектирование сталежелезобетонных мостов (СР 117, ч. 2) вышли только в 1967 г. В ФРГ действующие DIN 1078 многократно дополнялись и совершенствовались. Наиболее современные положения проектирования сталежелезобетонных мостов в СССР отражены в подготовленном в 1980 г. проекте СНиП II-43. Нормы других стран мира повторяют, как правило, положения, содержащиеся в нормах перечисленных ведущих стран. Методы расчета сталежелезобетонных пролетных строений непрерывно развиваются на основе выполняемых исследований и наблюдений. Во всем мире несомненна тенденция к усложнению методов расчета, что, к сожалению, снижает производительность труда проектировщиков. Нейтрализовать этот недостаток должны автоматизация расчетов и внедрение оптимизационных методов в режимах человек—машина, однако, несмотря на несомненные успехи, развитие этих направлений в общем отстает от реальных потребностей проектировщиков. На современном этапе одной из ведущих для дальнейшего развития конструктивных форм сталежелезобетонных пролетных строений считается проблема сокращения сроков, снижения трудоемкости и ликвидации сезонности устройства железобетонной проезжей части с одновременным предотвращением случаев расстройства ее соединений при эксплуатации. Задача состоит прежде всего в создании сборной железобетонной проезжей части, монтируемой столь же легко и быстро в любое время года, как и стальные конструкции пролетных строений. Решение этой проблемы связано с внедрением новых видов соединений в проезжей части — высокопрочных болтов, болтоклеевых, с применением закладных деталей в плитах и монтажной сварки, обжатых клеевых стыков плит и т. д. В настоящее время объединение железобетона и стали высокопрочными болтами получило уже заметное распространение. Резервы для улучшения показателей .железобетонной проезжей части имеются также в направлении укрупнения ее блоков с соответствующим изменением технологии монтажа вплоть до монтажа сталежелезобетонными блоками или установки сталежелезобетонных пролетных строений целиком. Характерным направлением современного развития сталежелезобетонных пролетных строений является также все возрастающая типизация и унификация конструкций. Наибольшего развития это направление получило в нашей стране, где подавляющее большинство сталежелезобетонных пролетных строений для автодорожных мостов малых и средних пролетов и практически все сталежелезобетонные пролетные строения для железнодорожных мостов возводятся по типовым проектам. По индивидуальным проектам сооружаются у нас сталежелезобетонные конструкции автодорожных мостов больших пролетов (свыше 84 м), весьма широких автодорожных и городских мостов и некоторые другие конструкции. В зарубежных странах отдельными фирмами или в общегосударственном масштабе типизируется постепенно все большее число сталежелезобетонных конструкций. Например, в США типизированы сталежелезобетонные пролетные строения мостов и путепроводов малых пролетов, в ГДР — средних пролетов. Несколько препятствует типизации все возрастающее количество мостов кривых и косых в плане. 2.4. ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЕ ПРОЛЕТНЫЕ СТРОЕНИЯ Применение железнодорожных сталежелезобетонных мостов началось в СССР с 1949 г., когда 18 клепаных пролетных строений пролетами от 27 до 42 м было установлено на Львовской ж. д. в Карпатах. Железобетонное балластное корыто с ребрами высотой до 60 см было включено в совместную работу с клепаными балками наклонными арматурными анкерами, которые приваривались после установки балок в пролет. Однако первые попытки применения сборной проезжей части в железнодорожных сталежелезобетонных мостах ознаменовались расстройством ее соединений. В связи с этим были проведены обширные исследования с отработкой рекомендаций по обеспечению выносливости соединений. В 1958 г. на одной из железнодорожных строек Казахстана было сооружено 14 опытных пролетных строений, и после этого сборная проезжая часть завоевала прочные позиции также в железнодорожных сталежелезобетонных мостах. Эксплуатация этих пролетных строений показала необходимость особых расчетов и конструктивных мер для предупреждения раскрытия трещин от температурных и усадочных воздействий. В начале 50-х годов было установлено большое количество сталежелезобетонных железнодорожных пролетных строений Проектстальконструкции пролетами до 33,6 м с уголковыми жесткими упорами на Львовской ж. д., а также на переходах по плотинам Волгоградской и Куйбышевской ГЭС1. Следует отметить двухъярусные пролетные строения Трансмостпроекта на мостах через реки Оку и Сылву с пролетами 56,4 м, отличающиеся применением пологих арматурных анкеров, и первое сварное цельноперевозимое сталежелезобетонное железнодорожное пролетное строение Лентрансмостпроекта пролетом 31,4 м с обычными наклонными арматурными анкерами. В 1954—1955 гг. Гипротрансмост начал проектирование типовых унифицированных железнодорожных .сталежелезобетонных пролетных строений 23; 27; 33,6; 45; 55 и 66 м с ездой на балласте, ориентированных на широкое применение и в значительной степени — на замену прежних стальных пролетных строений с ездой поверху на деревянных поперечинах. Было установлено, что железнодорожные сталежелезобетонные пролетные строения с ездой поверху обеспечивают ряд преимуществ: повышают долговечность мостового полотна и стальных верхних поясов; сокращают в несколько раз эксплуатационные расходы; обеспечивают однородность пути на мосту и подходах; увеличивают безопасность движения; безопасны в пожарном отношении; обеспечивают возможность применения пролетных строений на уклонах и на кривых с радиусом порядка 300 м. Увеличение долговечности верхних поясов при укладке на них железобетонной плиты вместо деревянных поперечин объясняется защитой поясов от коррозии и устранением многократно повторных перенапряжений при изгибе полок от неравномерного опирания на них поперечин, что приводит к появлению усталостных трещин, особенно в сварных пролетных строениях с широкими поясами. При устройстве железобетонной плиты упрощается и улучшается стальная конструкция для пролетов более 40 — 45 м: отпадает необходимость в балочной клетке при езде поверху, неопределенно работающей совместно с главными балками и подверженной в связи с этим частым расстройствам. За счет , удаления балочной клетки расход стали для этих пролетов уменьшается на 20—25%. Кроме того, сокращается примерно вдвое расход лесоматериала и отпадает необходимость в дефицитных мостовых брусьях, получаемых из круглого леса больших диаметров. За счет включения плиты увеличивается вертикальная и горизонтальная жесткости, что позволяет понизить высоту пролетного строения, соответственно уменьшив высоту насыпи, и сократить расстояние между главными балками, соответственно уменьшив ширину опор. Первые типовые пролетные строения были клепаными. Их конструктивной особенностью явилось двухъярусное решение клепаной стальной части для пролетов 45,55 и 66 м. Чтобы не превзойти предельной толщины проклепки в стыках нижнего пояса, в этих пролетных строениях потребовалось нежелательное увеличение высоты конструкции, стальная часть которой была составлена по высоте из двух пространственных блоков (Рис. 5). Каждый пространственный блок состоял из двух элементов главных балок с одним поясом и половиной стенки в каждом элементе и из неизменяемой системы продольных и поперечных связей. Со стороны, противоположной поясу, в блоке устраивали окаймляющие уголки, образующие фланец, используемый для стыкования с другим блоком. Уменьшение горизонтальных колебаний нижнего пояса и увеличение общей горизонтальной жесткости обеспечивала дополнительная система продольных связей, расположенная на середине высоты стальных балок. 1 Мост по водосливной плотине Куйбышевской ГЭС 103-104 км четного пути по схеме 38*22,9 м.
