Раздел 1. Сооружение уникальных мостов
Лекция №1. «Технологии сооружения уникальных мостов»
1. Задачи, содержание и метод изучения дисциплины, ее связь с другими дисциплинам учебного плана
Задачей дисциплины "Специальные вопросы проектирования и строительства транспортных объектов" является изучение конструктивных особенностей и технологических процессов при сооружении уникальных мостов - важнейших из объектов транспортной инфраструктуры. Содержание дисциплины - технологии строительства наплавных, разводных, висячих, вантовых, арочных мостов, а также мостов Северной строительно-климатической и сейсмической зоны, мостов на высокоскоростных железнодорожных магистралях. Метод изучения дисциплины - лекционный с проведением практических занятий.
Направления научно-технического прогресса в области мостостроения
Это принятие решений, обеспечивающих:
- уменьшение трудоемкости работ;
- уменьшение сроков производства работ;
- снижение стоимости объектов;
- повышение качества строительно-монтажных и проектных работ.
Лекция №2 «Строительство наплавных мостов»
Наплавной мост - это мост на плавучих опорах. История их применения уходит в глубокую древность. Известно, например, что персидский царь Ксеркс использовал плавучий мост через Геллеспонт при походе на греков еще в 480 году до н.э. Наплавной мост через Днепр был построен в Киеве в 1115 году при Владимире Мономахе.
Конструкция наплавных мостов
В наплавных мостах различают:
- речную часть, перекрывающую русло и состоящую из отдельных плавучих опор и пролетных строений, или из плавучих опор, соединенных между собой в мост-ленту;
- береговую часть (эстакада на жестких опорах);
- переходную часть, обеспечивающую плавный переход с береговой части на оседающую речную часть;
- поперечное закрепление наплавного моста, обеспечивающее предотвращение сноса моста течением и ветром;
- продольное закрепление речной части тросами за береговые якоря (от торможения подвижной нагрузки и ветра вдоль моста).
Рисунок 2.1. Схемы наплавных мостов (слева - на отдельных опорах, справа - мост-лента) 1- -береговая часть; 2 - переходная часть; 3 - речная часть; 4 – аппарель; 5 - продольное закрепление моста; 6 - поперечное закрепление; 7 – подходы к мосту
Основные элементы наплавного моста:
- плавучие опоры (понтоны. плашкоуты из понтонов, баржи);
- пролетные строения;
- проезжая часть;
- деформационные швы и шарниры между торцами элементов моста.
При невозможности сооружения наплавного моста на реках могут устраиваться паромные переправы, элементами которых являются буксируемый паром, пристани на берегах, средства передвижения парома и т.н. речную обстановку, устраиваемую в соответствии с «Правилами плавания по внутренним водным путям РФ».
Оценка наплавных мостов
Наплавные мосты сооружаются как под железную, так и автомобильную дорогу. Их достоинства по сравнению с капитальными:
- высокие темпы наводки;
- независимость от грунтовых условий;
- возможность быстрого восстановления;
Недостатки наплавных мостов:
- значительные деформации моста при проходе подвижной нагрузки;
- малые скорости движения по мосту (до 10 км/ч на железных дорогах до 30 км/ч на автодорогах);
- невозможность судоходства без устройства выводного пролетного строения;
- трудности эксплуатации при скорости течения более 2 м/с;
- необходимость в использовании специальных бригад при эксплуатации моста.
Область применения наплавных мостов:
- при ремонте капитального моста;
- при использовании моста как плавучих подмостей для подачи материалов и конструкций при строительстве капитального моста;
- в качестве постоянных сооружений при отсутствии ледохода и возможности устройства выводного пролетного строения для возможности пропуска судов;
- при слабых грунтах, когда сооружение капитальных опор технически сложно и экономически невыгодно;
- в осваиваемых районах.
Системы наплавных мостов
Ось наплавного моста по возможности назначается перпендикулярно направлению течения. Системы наплавных мостов применяются следующие.
- разрезная;
- шарнирная;
- неразрезная (может быть с выводным пролетным строением);
- мост-лента.
Их примеры приведены на рис. 2.2.
Рисунок 2.2. Системы наплавных мостов
Разрезная система наиболее (рис. 2.2,а) целесообразна при использовании больших плавучих опор как наиболее простая. В качестве плавучих опор, на которые опираются разрезные балки пролетных строений с проезжей частью, могут быть как отдельные понтоны и плашкоуты из них (например из понтонов КС или НЖМ-56), так и баржи, например, баржи-площадки грузоподъемностью 600-1500 т, каждая из которых может иметь длину до 60-75 м.
Шарнирная система (рис. 2.2,б), образуемая с объединением пролетных строений шарнирами, позволяет упростить наводку секций (паромов) и уменьшить осадку плавучих опор.
Неразрезная система (рис. 2.2,в), в которой все главные балки пролетных строений соединены жесткими стыками по всей длине речной части, целесообразны для применения при использовании плавучих опор грузоподъемностью в железнодорожных мостах менее 600 т, а в автодорожных - 150 т.
Мост-лента может устраиваться из понтонов, жестко соединенных между собой или из барж-площадок большой ширины (порядка 10-12 м). При этом баржи-площадки могут располагаться вдоль течения реки (рис. 2.3,а) с соединением их цепями или тросами по бортовым кнехтам. Мостовая переправа в этом случае достаточно надежна, но требуется много барж.
Рисунок 2.3. Схемы установки барж в наплавных автодорожных мостах-лентах:
а) - поперечная; б) – продольно-поперечная; в) «уступом» в разные стороны; г) «уступом» в одну сторону; д) продольная;
1 - переходная часть (трап); 2 - сцепные устройства между баржами; 3 – якорные закрепления
Меньше судов требуется при сооружении моста-ленты по схеме "уступом" (рис. 2.3, в,г), когда езда реализуется по диагонали грузовой палубы.
Как видно из рисунка, меньше всего судов требуется (по схеме рис. 2.4,д) с ездой вдоль судов.
Общими требованиями к мостам всех систем являются следующие:
1. Про дольные уклоны переходных пролетов железнодорожных наплавных мостов допускаются до 3 процентов, автодорожных - до 8 процентов (при длине переходных пролетов 24 м в железнодорожных мостах и 16 м автодорожных.
2 Вогнутые переломы профиля не должны быть более 0,05, а выпуклые - 0,04.
3. Ширина автопроезда при однополосном движении не менее 4,2 м, в двухполосных - не менее 6 м.
Мосты-ленты
Это мосты, состоящие барж или плашкоутов, объединенных между собой в единую конструкцию в виде ленты. При этом по верху барж может укладываться продольные балки пролетных строений, по концам которых устроены шарниры, к которым присоединяются переходные пролетные строения. Таким образом, мост-лента может устраиваться из трюмных барж и из барж-площадок, соединенных как с непосредственным контактом барж (при шарнирном соединении), так и с переходными пролетными строениями при зазоре между кормовой и носовой частями барж. В первом случае это мост-лента из судов разрезной системы из судов, во втором - просто мост-лента из судов. При этом достаточно просто может быть устроен пропуск судов, разводной пролет образуется, например, поворотом одной из барж на 90 градусов вокруг куста свай, с которым поворачиваемая в плане баржа соединена цепями. Мост-лента может устраиваться и из плашкоутов, собранных в непрерывную ленту при устройстве стыков понтонов на накладках и болтах.
Плавучие опоры и мосты-ленты могут устраиваться из плашкоутов, выполненных из инвентарных понтонов КС. Понтон КС представляет собой металлическую сварную коробку размерами 1,8х3,6х7,2 м (рис. 2.7), жесткий каркас, бортовые соединительные коробки и листовую обшивку толщиной 4–6 мм. Из понтонов образуются плашкоуты. Соединение понтонов – на болтах диаметром 27 мм. По боковым горизонтальным коробкам стыки осуществляются накладками, количество которых по длине понтона зависит от величины изгибающего момента и поперечных сил в сечениях плашкоута. Последний рассчитывается как пластинка на упругом основании.
Рисунок 2.7. Понтон КС–63 и схема допускаемых нагрузок на него:
1 – в центральных узлах шпангоутов по 38 тс; 2 – в бортовых узлах по 19 тс;
3 – в любой точке шпангоута по 3 тс; 4 – в крайних узлах шпангоутов по 22,5 тс
Подготовительные работы
Они включают:
- устройство стройплощадки;
- доставку материалов и оборудования;
- подготовку оборудования для устройства несущего кабеля и подвесок.
Сооружение тела пилона
Монтаж блоков металлического пилона может осуществляться башенными и стреловыми кранами. На рис. 5.2 приведен пример осуществленного Мостоотрядом-19 монтажа металлического А-образного пилона при массе блока до 25 т. Использовался башенный самоподъемный кран французской фирмы Potain МD-900 грузоподъемностью 32 т (при вылете стрелы 33 м) и 21,5 т (при вылете 42 м). Высота подъема крюка до 130 м при высоте ноги пилона 120,4 м. Нога пилона по высоте состоит из 16 коробчатых блоков трапециедального сечения при толщине стенок 20…40 мм. Монтажные горизонтальные стыки блоков на высокопрочных болтах.
Рисунок 5.2. Монтаж металлического пилона башенным краном
Другой пилон этого же моста монтировался Мостотрестом с помощью стрелового крана фирмы Либхер грузоподъемностью 350 т. Последовательность монтажа блоков этим краном приведена на рис. 5.4.
Рисунок 5.3. Очередность монтажа металлического пилона:
кран фирмы Либхер; 2 – нижний блок; 3 – основная стрела крана длиной 70 м; 4 – блок балки жесткости; 5 – вспомогательная опора; 6 – монтажная распорка; 7 – дополнительная стрела длиной 35 м; 8 – то же 42 м; 9 – то же 56 м; 10 – то же 63 м
Особенности сооружения балочно-вантовых железобетонных мостов В комплекс работ входит:
- сооружение пилонов;
- сооружение железобетонной балки жесткости;
- установка вант;
- регулирование в вантах усилий.
При отсутствии пилонов балка жесткости сооружается на подмостях (или берегу с последующей продольной надвижкой по промежуточным опорам), после чего сооружаются пилоны, монтируются ванты, регулируются усилия в системе с использованием промежуточных опор.
При наличии пилонов для поддержания сооружаемой балки жесткости в процессе монтажа используются монтажные и рабочие ванты. Пилоны из монолитного железобетона сооружаются в скользящей или переставной опалубке. На рис. 5.4 показано сооружение монолитного железобетонного А-образного пилона в опалубке PERI. Характерно наличие временных металлических распорок между ногами пилона.
Рисунок 5.4. Сооружение железобетонного пилона
Методы сооружения балки жесткости из сборного железобетона приведены на рис. 5.5.
Конструкция кружал
Для сооружения арочных пролетных строений применяются стоечные, башенные и арочные кружала (рис. 6.1).
Стоечные кружала (рис. 6.1,а) – конструкции жесткие. Но они требуют большого расхода материалов и загромождают в процессе строительства русло реки (подмостовое пространство).
Башенные кружала (рис. 6.1,б), реализованные, например, на строительстве моста пролетом 228 м через Старый Днепр у Запорожья, позволяют обеспечить достаточно высокую жесткость и экономичность конструкций, однако требуют устройства (в случае преодоления водного потока) в русле реки достаточно материалоемких опор на мощных свайных фундаментах.
Арочные кружала (рис. 6.1,в) могут быть инвентарными, как, например, ИАК–60, или индивидуальной проектировки. Они выполняются из дерева (например, в виде жестких дисков) или из металла, причем могут быть трехшарнирными, двухшарнирными и бесшарнирными. Последние более жесткие, проще при монтаже (в случае, например, их навесной сборки), но требуют учета возникающих в них температурных напряжений.
Арочные кружала менее материалоемки, чем стоечные и башенные, но имеют меньшую вертикальную жесткость (более деформативны), что требуется учитывать при бетонировании путем определенной последовательности работ по бетонированию арок.
Монтаж арочных кружал (рис. 6.3) является сложной инженерной задачей, решение которой сходно с монтажом арочных пролетных строений металлических мостов
Способы монтажа арочных кружал:
а) навесной монтаж односторонний;
б) монтаж на временных опорах (полунавесной);
в) уравновешенный навесной монтаж;
г) наплавной монтаж (с доставкой в пролет кружальных арочных конструкций на плавучих опорах).
Рисунок 6.2. Кружала для бетонирования арочных пролетных строений:
а –стоечные, б – башенные, в – арочные
При навесном и полунавесном встречном монтаже металлических кружал используются передвижные деррик-краны, опирающиеся на телескопические стойки, позволяющие обеспечить горизонтальность нижней (опорной) площадки крана.
Рисунок 6.3. Схемы монтажа кружал:
а – в навес с полиспастами, б – в полунавес (с временными опорами в пролете);
в – уравновешенный монтаж; г –наплавной монтаж; 1 – лебедки, 2 – полиспаст,
3 – монтажная рама, 4 – трос, 5 – полуарка кружал, 6 – трос, идущий к анкеру, 7 – стойка переменной высоты, 8 – монтажный кран, 9 – секция кружал, 10 – трос, идущий к лебедке
Навесной монтаж кружал может осуществляться очередями: сначала монтируются средние плоскости кружал до их замыкания, затем к ним пристраиваются параллельные крайние плоскости. Если не принять специальных мер, то крайние плоскости кружал будут загружены меньше. Для равномерного загружения всех плоскостей кружал используют гидравлические домкраты, установленные в замке по средним плоскостям, после чего замыкают крайние, а затем и средние плоскости кружал.
При бетонировании арок надо исключить вредное влияние осадок кружал. Это достигается определенным порядком бетонирования арки – секциями: арка разбивается на участки (секции), сначала бетонируются они, затем замыкающие их "клинья".
Раскружаливание арок
После набора бетоном арки или свода достаточной прочности производится раскружаливание конструкции.
Раскружаливание арок – это процесс плавного введения их в работу путем постепенной разгрузки кружал.
Раскружаливание арки (свода) допускается при достижении бетоном клиньев 100%-й прочности.
До раскружаливания необходимо:
- в бетонной лаборатории определить фактическую прочность бетона арок испытаниями контрольных образцов;
- снять опалубку с боковых поверхностей и визуально освидетельствовать состояние бетона арок.
Осаживание (опускание) стоечных и башенных кружал ведется последовательно по направлению от середины пролета к опорам. При этом наибольшая величина перемещения арки в местах размещения приборов раскружаливания определяется с учетом упругого обжатия арки и упругой деформации кружал. Это связано с тем, что при снятии нагрузки кружала, освобождаясь, как бы приподнимаются вверх, а при дальнейшем раскружаливании происходит упругое обжатие бетона арки, т.е. приборы раскружаливания "работают", а зазора между аркой и кружалами не появляется.
Рисунок 6.6 Способы раскружаливания арок
а – опускание в пятах, б – опускание в замке, в – поднятие свода домкратами
В качестве приборов раскружаливания чаще всего используют деревянные клинья (при малых пролетах), песочницы и гидравлические домкраты.
Раскружаливание забетонированной арки (свода) на арочных кружалах производится после набора бетоном необходимой прочности в пятах или в замке различными способами (рис. 6.6).
При первом способе (когда приборы раскружаливания размещаются в пятах) распор сохраняется до конца опускания, это создает определенные неудобства, поскольку кружала зажаты и в них действуют усилия, что требует учета при демонтаже кружал.
Второй способ (опускание кружал в замке) более эффективен, чем первый. Песочницы горизонтально устанавливают в замке и распор постепенно передается на арки. Способ предпочтителен в 3-х шарнирной арке при пролетах до 60 м. К третьему способу относится раскружаливание домкратами, установленными в замке арки. В этом случае при работе домкратов арка плавно снимается с кружал, после чего на нее передается усилие от распора, а домкраты освобождаются. В арке, таким образом, создаются начальные усилия, обратные по знаку усилиям, возникающим от упругого обжатия, ползучести и усадки бетона, вследствие чего удается избежать в последующем провисания арки.
Раскружаливание – постепенное освобождение подмостей от веса забетонированного пролетного строения. Для этого существуют специальные приборы раскружаливания, обеспечивающие плавное включение в работу конструкций пролетного строения по всей ее длине после достижения бетоном не менее 70% проектной прочности. К ним относятся:
1). Клинья деревянные – при малых нагрузках, постепенно выбиваются.
2). Песочницы – стальные цилиндры с поршнями, через которые осуществляется передача нагрузки на подмости.
3). Домкраты (речные и гидравлические).
Рисунок 6.7. Приборы раскружаливания: а – клинья, б – песочница, в – домкраты
Клинья применяют при малых нагрузках и небольших величинах опускания. Песочницы наоборот – целесообразно применять при очень больших нагрузках и необходимости большого опускания.
Клинья должны быть промаслены. Осадка балки происходит при ударах по клину. Недостаток клиньев – не обеспечивается плавность раскружаливания. Песочницы обеспечивают большие величины осадок, но не допускается попадание (и замерзание) воды в песок. Песок должен быть чистый и сухой.
Домкраты должны иметь полукольца для закрепления отметки низа пролетного строения и последующего плавного раскружаливания.
Раскружаливание должно проводиться в определенном порядке в соответствии с ППР. Сроки раскружаливания балок должны указываться в проекте производства работ: бетон должен иметь прочность, достаточную для восприятия нагрузок от собственного веса. Перед раскружаливанием снимается опалубка с вертикальных стенок и плиты, освидетельствует комиссионно состояние бетона раскружаливаемого пролетного строения. Величину опускания над каждым прибором раскружаливания определяют по формуле
,
где 
– соответственно прогиб пролетного строения в точке "К" под действием собственного веса, упругое перемещение подмостей (отдача) в точке "К";
δ – запас для возможности отделения подмостей от пролетного строения (10–30 мм).
Вопросы для самостоятельной проработки:
1.Конструкция опалубки арок
2.Стыки секций
Виды и назначение кружал
Кружала бывают стоечные, подвесные и арочные (см. предыдущую лекцию)
Особенностью сборных арок является поперечное членение их на блоки, а при недостаточной грузоподъемности кранового имущества – расчленение арок коробчатого сечения на плоские блоки. Поэтому при применении сборных арочных конструкций необходимо ответить на принципиальные вопросы:
- выбор веса блоков;
- конструкция стыка блоков;
- выбор монтажного крана.
При сборке арок из блоков на кружалах
- сокращаются сроки строительства моста;
- возможно вести сборку арок в зимнее время, а летом выполнять только омоноличивание стыков.
К недостаткам можно отнести:
- необходимость в монтажных кранах большой грузоподъемности;
- большой объем работ по омоноличиванию стыков арки.
2. Технологическая последовательность работ по разным вариантам. Монтажные краны
Технологическая последовательность работ и монтажные краны определяются принятой технологией и иллюстрируется приведенными ниже рисунками.
Сооружение железобетонных арок на кружалах ведется при больших пролетах (100–200 м). Чаще всего при строительстве многопролетных арочных мостов на кружалах используются кабель-краны. Например, на строительстве арочного моста через р. Оку в 1961 г. применили кабель-кран грузоподъемностью 20 тс (рис. 7.1).
Выкладка блоков производится на всю длину пролета, причем загружение кружал должно быть равномерным. Очередность выкладки блоков определяется недопущением чрезмерных усилий в кружалах и недопущением чрезмерных усилий в арках и задается ППР. Омоноличивание блоков с предварительной сваркой выпусков арматуры и постановкой плоских арматурных каркасов производится также в определенной последовательности с целью избежать образования трещин в бетоне стыков. Главное требование при этом – равномерность загружения кружал.
Монтаж арок полуарками (рис. 7.2) целесообразен для мостов сравнительно небольших пролетов. Монтаж осуществляется козловыми кранами большой грузоподъемности. Могут использоваться одновременно 2 крана или один кран с временной опорой. В общих случаях необходимо устройство подкрановых путей.
Полуарки замыкаются одновременно. Каждая должна быть рассчитана на монтажный период как двухконсольная балка, в связи с чем возможна постановка дополнительной арматуры.
Рисунок 7.1. Монтаж арок на кружалах
Монтаж арочных сводов с помощью плавучих опор (рис. 7.3) был применен при строительстве арочного моста через Енисей в Красноярске с пролетами по 150 м.
При скорости течения до 2 м/с была проведена уникальная операция по монтажу арок полуарками. Работа была отмечена Ленинской премией.
Навесной монтаж арок возможен по нескольким вариантам:
а) навесной односторонний монтаж арок с применением вант;
б) уравновешенный монтаж арки совместно с надарочным строением;
в) уравновешенный монтаж с применением расчалок.
При навесном монтаже арок необходимо устройство сухих жестких стыков между блоками, конструкция стыков требует совершенствования. Известные конструкции стыков. требуют большого расхода неинвентарного металла.
Рисунок 7.2. Монтаж арки полуарками
После регулирования положения блоков арки, осуществляемое с помощью фаркопфов, производится замыкание встречных консолей и омоноличивание стыков (рис. 7.4).
Рисунок 7.3. Монтаж сводов на плаву
Рисунок 7.4. Схема навесного монтажа арок а – уравновешенным способом совместно с надсводным строением: 1 – блок арки; 2 - фаркопф
Раскружаливание арок
Производится с использованием приборов раскружаливания, описанных в предыдущей лекции. При этом необходимо обеспечить плавное включение арок в работу, для чего в проекте производства работ должна быть определена последовательность включения в работу приборов раскружаливания.
Вопросы для самостоятельной проработки;
1. Типы стыков железобетонных блоков арок
2. Виды кабель-кранов
Подготовительные работы
а) Оборудуется стройплощадка с размещением на ней временных зданий и сооружений, необходимых для реализации принятой технологии монтажа. В любом случае на стройплощадке должны быть размещены временные здания и сооружения производственного, административно-хозяйственного, культурно -бытового назначения, сети и коммуникации, а при необходимости и помещения для временного проживания персонала.
К зданиям и сооружениям производственного назначения относятся проезды для доставки элементов металлоконструкций, помещения для передвижных электростанций или понижающих трансформаторов, котельные, компрессорные, площадки для укрупнительной сборки элементов, подкрановые пути, пути для подачи элементов под монтажные краны и др.
б) Производится доставка элементов пролетного строения на стройплощадку
в) Разгрузка и складирование элементов;
г) Очистка и правка элементов и деталей;
д) Укрупнение элементов металлоконструкций;
е) Подача элементов под монтажный кран
Подготовительные работы
- устройство плавучих опор;
- сооружение выкаточных пирсов;
- подготовка фарватера;
- подготовка катеров-буксиров;
- подготовка якорных устройств.
Подготовительные работы
Общие сведения о вечной мерзлоте
Вечномерзлые грунты, как правило, располагаются в северной строительно-климатической зоне (ССКЗ), к которой относят районы с расчетной температурой воздуха ниже tp= – 40оС. (Расчетной считается средняя температура наиболее холодных суток из 8 зим за 50 лет, при этом в случае, когда tp находится в промежутке – 40оС…- 50оС, ССКЗ считается зоной А, а при меньшей температуре – зоной Б.).
При расчетной температуре воздуха в интервале -30оС…- 40оС район относится к району с суровыми климатическими условиями.
Вечная мерзлота – это слой грунта, залегающий на некотором расстоянии от дневной поверхности, имеющий отрицательную температуру и находящийся в мерзлом состоянии более трех лет. Мощность слоя вечной мерзлоты составляет в полярных районах 300 м и более.
Сезонное промерзание представляет собой промерзание талых грунтов, имеющих среднюю годовую температуру выше 0°С. Слой сезонного промерзания подстилается немёрзлыми грунтами и образуется в результате теплового обмена при отрицательных температурах воздуха.
Подготовительные работы
Подготовительные работы включают ознакомление с требованиями проекта на строительство объекта и условиями на месте строительства. В геодезические работы входит:
- создание геодезической разбивочной основы для строительства;
- разбивка внутриплощадочных сооружений и временных зданий и сооружений (при их наличии);
- детальные разбивочные работы и геодезический контроль точности геометрических параметров возводимых сооружений и исполнительные съемки с составлением исполнительной геодезической документации по ним.
При строительстве моста исполнительный геодезический контроль работ возложен на строительную организацию на следующих этапах:
1) до начала работ по сооружению моста – путем контрольных измерений;
2) после разбивки опор (до возведения фундаментов опор);
3) после возведения фундаментов (до начала возведения надфундаментной части опор);
4) в процессе возведения тела опор – каждый этап в соответствии с проектом производства геологоразведочных работ (ППГР);
5) после возведения опор и разбивки осей подферменных площадок;
6) после установки опорных частей в проектное положение;
7) после установки пролетного строения на опорные части.
Изготовление и приемку специальных вспомогательных сооружений и устройств (СВСиУ) для возведения опор необходимо осуществлять в соответствии с проектом и требованиями СП 70.13330.
Требования к мостам ВСМ
Сегодня в мировой практике принята следующая классификация железнодорожных линий, в зависимости от скорости движения поездов: до 140…160 км/ч – обычные железные дороги; свыше 161 и до 200км/ч – скоростные магистрали; свыше 200км/ч – высокоскоростные магистрали. К 2012 году ВСМ функционировали на территории Бельгии, Великобритании, Германии, Испании, Италии, Нидерландов, Франции, Швеции, США, Китая, Кореи и Японии общая длина их составляет около 15 000км.
К основным особенностям, учёт которых необходим при проектировании искусственных сооружений для ВСМ, следует отнести:
- уменьшенная по сравнению с действующими нормами нагрузка, в случае если магистраль строится специально для высокоскоростного пассажирского движения (поезда постоянного формирования с возможностью движения в обоих направлениях; кузова поездов из легких сплавов, композитных материалов; предельная нагрузка на ось 11 … 17тс; высокая удельная тяговая мощность 11 … 24 кВт на 1 т массы);
- повышенные по сравнению с обычными нормами требования по жесткости мостового сооружения (существенное уменьшение величин допустимых прогибов);
- необходимость учета аэродинамических воздействий для конструкций с ездой понизу и, особенно, к легким пешеходным мостам над железными дорогами;
- повышенные требования к деталям сопряжения мостов с подходными насыпями, которые должны обеспечить плавное изменение жесткости пути при движении поезда с насыпи на мост и обратно;
- повышенные требования к элементам верхнего строения пути на мостах и подходах (шпалы – железобетонные, моноблочные или двухблочные, с эпюрой 1666 шт. на 1 км; масса рельсов не менее 60 кг/пог.м, при этом – рельсы сваренные в плети «бесконечной» длины; рельсовые скрепления – пружинных типов);
- особые требования по радиусам горизонтальных кривых: при максимальной скорости 200 км/ч – рекомендованный R=2500 м (идеальный R=3500 м); при максимальной скорости 300 км/ч – рекомендованный R=5500 м (идеальный R=7000м);
- величина предельного уклона (в зависимости от рельефа местности, особенностей эксплуатации и подвижного состава) – пассажирское движение – 35 … 40‰, смешанное движение – 12 … 15‰;
- высокая интенсивность движения поездов (в частности максимальная частота движения высокоскоростных поездов в мире зарегистрирована на ВСМ «Токайдо» в Японии, она составляет – 15 отправлений в час);
- достаточно высокие стоимостные показатели (цена строительства 1км – 12 … 30 млн.?; стоимость годового обслуживания 1км – 70тыс.?; цена одного поезда (350 мест) – 20 … 25млн.?; стоимость обслуживание одного поезда – 1млн.? в год).
При этом принципиальных отличий в принципах проектирования основных несущих конструкций мостовых сооружений для ВСМ и для обычных железных дорог практически нет. Для организации скоростного движения поездов «Сапсан» и «Аллегро» по действующим трассам железных дорог РФ переустройства мостовых сооружений практически не потребовалось, т.к. они были запроектированы с достаточным запасом и требуемые жесткостные параметры обеспечивали.
В государствах, где сооружаются ВСМ (Япония, Франция, Германия, Италия и др.) ведутся интенсивные научно-исследовательские работы, посвященные отработке конструктивных и технологических решений искусственных сооружений на ВСМ. В связи с особенностями высокоскоростных магистралей (ВСМ), обусловливающими трассы с большими радиусами кривых в плане (до 5000–7000 м), малыми продольными уклонами (до 12,5‰) и возможным наличием плотной городской застройки возникает необходимость проектирования и строительства большого количества искусственных сооружений на ВСМ – путепроводов, виадуков, эстакад, мостов. В отличие от обычного, не скоростного, движения при высоких скоростях требуется использование мощного верхнего строения пути (в том числе на мостах) с бесстыковыми рельсовыми плетями большой длины (от входной стрелки одной станции до входной стрелки другой станции). Необходимость использования бесстыкового пути на мостах объясняется стремлением улучшить условия воздействия пути и подвижного состава, уменьшить на мосты динамические воздействия, обусловленные наличием рельсовых стыков, повысить комфортабельность проезда. Однако бесстыковой путь вносит существенные коррективы в работу искусственного сооружения по сравнению со звеньевым путем: при воздействиях температурных и силовых факторов мост начинает работать как единая система «мост–бесстыковой путь» (МБП), следовательно, становится возможным перераспределение усилий в элементах этой системы.
В случае достаточно большой длины моста, особенно при большой высоте мостовых опор, при гибких опорах эстакад, а также на мостах больших пролетов в рельсах бесстыкового пути на мосту и подходах (при езде по безбалластному и балластному мостовому полотну) могут возникать значительные дополнительные напряжения, не учитываемые в нормах. Перенапряжения возможны и в элементах мостовых конструкций в силу связанности элементов системы МБП. Дополнительные напряжения возникают за счет сил сопротивления сдвигу по балласту (при балластном мостовом полотне) точек пролетных строений моста относительно рельсов бесстыкового пути при температурных и поездных воздействиях. В нормах Германии DS 899/59 величина дополнительных напряжений в рельсах пути пролетных строений с ездой на балласте, возникающих при деформациях пролетных строений от изменений температуры и действия сил торможения подвижного состава, ограничиваются. Нормами ограничиваются и деформации пролетных строений (углы поворота в профиле, углы в плане между смежными пролетными строениями).
Опыт Германии
В настоящее время, на высокоскоростных линиях акционерного общества «Германские железные дороги» (DВ АG) приобретают все большее признание рамные бесшарнирные мостовые сооружения со статически неопределимыми схемами пролетных строений (рис. 13.1). Такие конструкции обладают хорошими эксплуатационными качествами и долговечностью, в то же время они не требуют высоких расходов на содержание и эксплуатацию при сохранении эстетической привлекательности.
Одним из примеров здесь может служить путепровод Шеркондеталь через долину Шерконде, общей длиной 576,5м имеющий рамное пролётное строение с одной точкой фиксации на устое (рис. 13.2).
Рисунок 13.1 Рамные статически неопределимые пролётные строения с различными точками анкеровки
Рисунок 13.2 Общий вид путепровода
Очень важным для несущей способности сооружения, а также для выбора технологии бетонирования пролетного строения и опор является сведение к минимуму деформаций от усадки и ползучести бетона, вызываемых последствиями предварительного напряжения и изменения температуры пролетного строения.
Удачными техническими решениями характеризуется конструкция путепровода Унструтталь полной длиной 2668м с путями, расположенными на высоте 50м над уровнем земли в долине. Путепровод является крупнейшим железнодорожным железобетонным предварительно напряженным мостовым сооружением в Европе. Конструкция состоит из четырех неразрезных десятипролетных секций. Длина секции 580м; на этой длине отсутствуют какие-либо стыки и опорные части. В середине каждой секции находится арочный анкерный пролет, в замковом сечении которого арка жестко объединена с коробчатым пролетным строением, что гарантирует его закрепление от перемещений в продольном направлении (рис. 13.3). Расстояния между арками по длине путепровода определяли в зависимости от величины деформации рельса и от конструкции рельсовых скреплений.
Рисунок 13.3 Арочный анкерный (тормозной) пролет путепровода Унструтталь. Разделительная промежуточная опора
Все промежуточные опоры (общим числом 41 шт.) выполнены в виде очень гибких стенок, которые придают балке пролетного строения жесткость в поперечном направлении, однако в продольном направлении они остаются достаточно гибкими при температурных деформациях пролета.
Пролетное строение представляет собой коробчатую железобетонную предварительно напряженную балку. Такую конструкцию до этого уже широко применяли на большом числе мостовых сооружений DB.
Оригинальным примером проектирования и строительства многопролётного сооружения может служить путепровод Гензебахталь, который представляет собой рамную статически неопределимую конструкцию, в которой продольные деформации отдельных секций путепровода ограничили установкой специального анкерного пролета, располагающегося по центру каждой секции (рис. 13.4). Длина путепровода составляет 1012м, высота над землей от 9 до 19м. Рамные секции путепровода имеют длину до 112м, что объясняется желанием уменьшить нагрузку на промежуточные опоры и полностью исключить постановку уравнительных приборов. Возведение конструкции с неразрезной железобетонной плитой под мостовое полотно, непрерывно проходящее над всеми опорами, явилось большим достоинством как в отношении безопасности движения, так и в связи с сокращением объема работ по обслуживанию пути.
Рисунок 13.4 Конструктивная концепция рамного моста, состоящего из нескольких стандартных модулей
Напряжения в рельсах, возникающие от нагрузок при торможении или от силы тяги, в основном зависят от продольной жесткости пролетного строения. Продольная жесткость анкерного (тормозного) пролета обеспечена с учетом специфики работы железобетона в виде тонкостенной диафрагмы, забетонированной между соседними стойками. При этом, стремясь подчеркнуть ажурность конструкции, толщину диафрагмы сделали меньшей, чем диаметр стойки, благодаря чему при взгляде вдоль моста на тормозную опору зритель не видит диафрагму. Вследствие существенных колебаний высоты путепровода над землей тормозные силы, действующие на конструкцию, меняются в широком диапазоне. Для того чтобы попытаться выровнять их воздействие на элементы конструкции, проектировщики регулировали тормозные усилия, меняя расстояния между стойками, которые объединены диафрагмами, в пределах от 10 до 12м (рис. 13.5).
Рисунок 13.5 Объединение стоек промежуточных опор диафрагмами для восприятия поперечных и продольных деформаций пролетного строения
Пролетное строение путепровода выполнено в виде двухбалочной предварительно напряженной железобетонной конструкции для пропуска двух железнодорожных путей. Высота Т-образных балок постоянна и равна 2,08м. Балки монолитно объединены с круглыми железобетонными стойками диаметром 1м на концах неразрезных секций и диаметром 1,1м – в середине секции (рис. 13.6).
Рисунок 13.6 Характерные поперечные сечения путепровода
Опытом применения описанных выше конструкций было доказано, что рамные сооружения со статически неопределимыми пролетными строениями демонстрируют надежную работу даже при сильно изменяемых значениях исходных данных.
Особое значение для железнодорожного моста, предназначенного под высокоскоростную нагрузку, имеет уточнение параметров динамических нагрузок. Для мостов с пролетами длиной более 40м динамическая нагрузка оказывает довольно малое воздействие из-за большой массы и значительной жесткости пролетного строения. Когда же на длине одного большого пролета может разместиться более одного состава, ясно выраженного гармоничного воздействия динамической нагрузки не происходит. С другой стороны, малые пролеты длиной до 25м требуют очень внимательного расчета и проектирования параметров конструкции, чтобы исключить возникновение резонанса при проходе поезда.
Европейские модели высокоскоростных железнодорожных составов, начиная от HSLM А1 и до А10, отличаются одна от другой, в основном, расстоянием между колесными парами. Это приводит к широкому разбросу критических частот возбуждения, необходимых для динамических расчетов. При скоростях, превышающих 250км/ч, этот широкий разброс частот приводит к возникновению опасности резонанса, выходящего из-под контроля, что при меньших скоростях удавалось регулировать, в основном, посредством повышения первой резонансной частоты и неэкономичного и нежелательного увеличения высоты пролетного строения.
Рамные и бесшарнирные мостовые конструкции, в принципе, не представляют собой ничего нового, однако следует признать, что их экономичность, эстетическая привлекательность, функциональность, надежность, живучесть и долговечность очевидны. Такие сооружения не требуют сложных мероприятий по обслуживанию. Несмотря на скромные размеры поперечных сечений их элементов, указанные сооружения имеют высокую жесткость.
На скоростных железных дорогах Германии нашли применение и сооружения других систем. Так, интересным техническим решением является конструкция трехпролетного неразрезного пролетного строения моста через р. Майн в Нантенбахе на двухпутной скоростной линии Ганновер – Вюрцбург по схеме 83,2+208,0+83,2м (рис. 13.7 и 13.8). Пролётное строение моста выполнено с использованием сталежелезобетонной решетчатой системы с ездой поверху, так как здесь намного проще включить плиту в работу пояса, чем при езде понизу.
Интерес к применению решетчатых балок вызван тем, что в отличие от сплошностенчатых стенка здесь представляет собой набор дискретных элементов, работающих на осевые силы, что дает экономию стали. Эффективное включение плиты проезжей части в работу сжатых поясов дает дополнительную экономию; кроме того, железобетонная плита может полностью заменить собой пояса фермы. Такая система более жесткая, чем цельнометаллическая ферма, что позволяет уменьшить расстояния между осями верхнего и нижнего пояса.
Неразрезное пролетное строение моста в Нантенбахе имеет простую треугольную решетку с криволинейным нижним поясом ферм. Помимо устройства в верхнем поясе железобетонной плиты, включенной с ним в совместную работу, в приопорных зонах ферм устроены сталежелезобетонные плиты, усиливающие нижние сжатые пояса главных ферм.
Рисунок 13.7 Общие виды моста через Майн в Нантенбахе (Германия)
Рисунок 13.8 Мост через Майн
а – общая схема; б, в – поперечные сечения в пролете и на средней опоре; г – фрагмент нижнего пояса главной фермы в зоне среднего опорного узла; д – разрез А – А
Опыт Испании
Мост через реку Арройо-Лас-Пьедрас – первый сталежелезобетонный мост, предназначенный для пропуска составов ВСМ в Испании. Пролетное строение представляет собой неразрезную многопролетную балку по схеме: 50,4+17×63,5+44+35м (рис. 13.9). На момент окончания строительства в 2008 году он был рекордным по длине пролетов такого типа. Высота промежуточных опор моста превышает 93м.
В основу проекта пролетного строения сталежелезобетонного виадука под скоростную железную дорогу в Испании положена традиционная конструкция из двух сплошностенчатых балок с приданием им характеристик, близких к тем, которыми обладает стальная коробчатая балка. Эффект объединения металлических балок сборно-монолитной плитой в зонах действия отрицательных изгибающих моментов в данном случае имеет место на всей длине балок пролетного строения, увеличивая его крутильную жесткость, необходимую для восприятия динамических нагрузок конструкцией при проходе по ней подвижного состава, эксцентрично расположенного на одном пути.
Рисунок 13.9 Общие виды и схема моста
Поперечное сечение пролетного строения составляют две сплошностенчатые балки, объединённые сверху железобетонной плитой. На рис. 13.10 показано поперечное сечение пролетного строения в зоне положительного изгибающего момента. Ферма нижних горизонтальных связей отсутствует, она заменена нижней железобетонной плитой в виде сборных плит, уложенных в стык одна к другой по всей длине пролетного строения. Поперечные балки устроены с шагом 2м. Они участвуют в образовании клетки сталежелезобетонной конструкции и способствуют уменьшению собственного веса в результате уменьшения пролета плиты.
Главные несущие элементы металлоконструкций изготовлены из атмосферостойкой стали марки. Данная сталь пригодна для специфических атмосферных условий объекта. Использование углеродистой стали для изготовления элементов поперечных связей позволило снизить стоимость конструкции.
Рисунок 13.10 Поперечное сечение пролетного строения в середине пролета (размеры в метрах):1 – гибкие штыревые упоры; 2 – верхняя монолитная плита; 3 – верхняя сборная плита; 4 – наружные наклонные стальные полосы; 5 – ребро жесткости; 6 – железобетон монолитной продольной полосы; 7 – нижняя сборная плита
Поперечное сечение пролетного строения в зоне действия отрицательного изгибающего момента (рис. 13.11) отличается тем, что поверх тонкой сборной нижней плиты забетонирована дополнительная монолитная плита, которая создает второй ярус объединения в сталежелезобетонную конструкцию. В пролетах длиной 63,5м указанная нижняя монолитная плита имеет длину 13,9м от оси опоры по обе стороны вдоль моста. Толщина нижней плиты меняется в пределах от 0,25 до 0,50м. Монолитная плита объединена с главными балками с помощью штыревых гибких упоров и армирована конструктивной арматурой. Такое решение позволило уменьшить толщину листа нижнего пояса главных балок, в зоне действия отрицательного изгибающего момента до 40мм, что значительно меньше размеров, характерных для классических двухбалочных пролетных строений.
Рисунок 13.11 Поперечное сечение пролетного строения в зоне действия отрицательного изгибающего момента (размеры в метрах): 1 – гибкие штыревые упоры; 2 – верхняя монолитная плита; 3 – верхняя сборная плита; 4 – нижняя монолитная плита; 5 – ребро жесткости; 6 – переменный размер; 7 – нижняя сборная плита
Опыт Южной Кореи
Мостовой переход Кумган расположен на скоростной железнодорожной магистрали Хоман в Южной Корее. Арочная часть моста имеет длину 300м и состоит из центрального пролета 130м и двух боковых по 85м (рис. 13.12).
Рисунок 13.12 Общий вид (визуализация) моста
Балка проезжей части арочных пролетных строений – сталежелезобетонная, промежуточные опоры высотой до 40м – железобетонные.
Арочные пролётные строения запроектированы с использованием арок Нильсена с элементами подвески из канатов. Пролетные строения имеют две плоскости арок, характеризующихся динамической устойчивостью и повышенной жесткостью. Кроме того, благодаря специальной схеме размещения канатов подвески уменьшились прогибы балки проезжей части от подвижной нагрузки. Используя дополнительное решение, состоящее в небольшом сближении плоскостей арок в поперечном сечении по мере их приближения к замку по схеме, напоминающей «ручки корзины», удалось оптимизировать толщину металлического листа коробчатых сечений арки и улучшить обзор для пассажиров поезда, проходящего по мосту.
В проекте предусмотрено пассивное шарнирное закрепление канатов подвески в нижнем поясе арки. Активные анкеры размещены в уровне плиты проезжей части, внутри фасадной коробчатой балки. Это оказалось выигрышным решением в отношении удобства обслуживания и эстетики (рис. 13.12). В качестве подвесок использовали канаты (PWS) из параллельных витых прядей в защитной оболочке, что способствует их лучшему эстетическому восприятию и долговечности.
Рисунок 13.13. Анкеровка подвесок
Железнодорожный мост Конпхо в Южной Корее наряду с железобетонными предварительно напряженными коробчатыми пролётными строениями, в основном пролёте имеет арку с двойной затяжкой, что является новинкой в практике мостостроения (рис. 13.14). Схема пролетных строений арочной части моста 51,20+130,00+51,20=232,40м, при ширине 9,10м (один железнодорожный путь).
Затяжки арочного пролетного строения представляют собой металлическую балочную коробчатую конструкцию. Арки выполнены из монолитного железобетона сплошного сечения и соединены между собой в замковом сечении. Малая ширина балки основной затяжки не может обеспечить пролетному строению достаточную поперечную жесткость, поэтому решение о соединении ребер арки в замке имело целью значительно повысить указанную жесткость.
Рисунок 13.14 Общий вид (визуализация) и схема моста 1 – железобетонное предварительно напряженное коробчатое пролетное строение; 2 – железобетонное предварительно напряженное коробчатое пролетное строение, возводимое методом уравновешенного бетонирования; 3 – арка с двойной затяжкой; 4 – вид сверху; 5 – разрез по оси балки главной затяжки; 6 – железобетонное шпунтовое ограждение; 7 – железобетонный сборный опускной колодец; 8 – продольная ось пролетного строения
Поскольку в традиционной арке с затяжкой отсутствуют горизонтальные реакции от распора, подобную конструкцию в общем случае целесообразно применять для перекрытия больших пролетов с опиранием на слабые грунты. Однако в арочных пролетных строениях с ездой по низу и по середине и с неразрезной балкой проезжей части необходимо учитывать возможное появление отрицательных изгибающих моментов над промежуточными опорами. Введение вторичной затяжки, как это показано на рис. 13.15, б, усложняя конструкцию, позволяет в то же время повысить жесткость системы пролетного строения и сэкономить некоторое количество материалов.
«Арка с двойной затяжкой» обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционной аркой с затяжкой (рис. 13.15, а): конструкция более пригодна для сооружения больших пролетов, потому что повышается жесткость арки; благодаря совершенствованию конструкции улучшается работа боковых пролетов и эффективность всей схемы моста.
а б
Рисунок 13.15 Концепция системы «арка с двойной затяжкой»
С точки зрения статической работы арка с двойной затяжкой дает возможность перекрывать большие пролеты по сравнению с традиционными арками (рис. 13.15). Одновременно эта конструкция обладает новыми эстетическими качествами.
Рисунок 13.16 Конструктивная работа арки с двойной затяжкой
Эффективность пролетного строения в виде арки с двойной затяжкой, в сравнении с традиционной, количественно выражается в следующем:
- сжатие в ребрах арки (1) сокращается на 12%;
- растягивающие усилия в главной затяжке (2) сокращаются на 12%;
- изгибающий момент в боковых пролетах (3) сокращается на 38%;
- прогибы бокового пролета (3) уменьшается на 28%.
Частота собственных колебаний арки с двойной затяжкой увеличивается по сравнению с аркой с одной затяжкой. Благодаря такому повышению динамических характеристик арка с двойной затяжкой начинает удовлетворять требованиям по несущей способности, необходимой для пропуска динамической нагрузки от подвижного состава.
Опыт Китая
Одним из единичных примеров сооружений вантовой системы под высокоскоростное движение является мост Тянксинджоу, расположенный в городе Ухань. По нему через реку Янцзы следует автомобильный транспорт и проложены четыре пути железной дороги. Полная длина железнодорожной части перехода составляет 4657м, а длина автодорожного проезда – 2639м. В составе мостового перехода северная эстакада длиной 2956м, центральная вантовая секция длиной 1092м и южная эстакада подходов длиной 609м.
Для моста были запроектированы двухъярусные пролетные строения в виде сталежелезобетонных балочных ферм (рис. 13.17). Верхний ярус предназначен под автомобильное движение по три полосы в каждом направлении, а на нижнем уложены четыре железнодорожных пути – два для грузовых и два для высокоскоростной линии. С целью снизить величину внутренних напряжений в элементах фермы от многопутной железнодорожной и многополосной автомобильной нагрузок в поперечном сечении пролетного строения разместили три фермы (рисунок 13.17).
Рисунок 13.17 Общий вид моста во время строительства
Рисунок 13.18 Компоновка пролетного строения моста
Вантовая секция моста состоит из пяти пролетов по схеме 98+196+504+196+98м (рис. 13.19). Балка вантового пролетного строения выполнена в виде металлической фермы Гау шириной 31м и высотой 17м.
Рисунок 13.19 Схема вантовой части мостового перехода
Вантовые канаты (общим числом 192), поддерживающие фермы, также размещены в трех плоскостях с рисунком по фасаду в виде веера.
Для исключения отрицательных опорных реакций на крайних и промежуточных капитальных опорах на длине 168м в каждом крайнем пролете устроена железобетонная плита проезжей части, в то время как на центральной части пролетного строения длиной 756м проезд осуществляется по металлической ортотропной плите.
Лекция №14 «Проектирование мостов с учетом статического взаимодействия элементов системы «мост-бесстыковой путь», динамического взаимодействия элементов системы «поезд-мост» и аэродинамического воздействия на мост»
Рекомендации по снижению резонансных колебаний пролётных строений при динамическом воздействии высокоскоростных поездов
Факторами, определяющими величину одного из основных контролируемых при проектировании и расчёте пролетных строений параметров (вертикального ускорения пролётного строения на уровне мостового полотна), являются длина, жёсткость, масса и статическая схема пролётного строения. Снижения динамической реакции (уменьшения вертикальных ускорений) пролётных строений при воздействии проходящих высокоскоростных проездов до нормативных значений можно добиться несколькими способами.
Первый способ заключается в увеличении значения основной собственной частоты колебаний пролётных строений (как правило путём повышения вертикальной жёсткости), а следовательно и критических скоростей расчётных поездов, на которых возбуждаются резонансные колебания конструкции. Конструктивное повышение собственных частот колебаний пролётных строений является эффективной мерой для разрезных пролётных строений длиной до 40 м. Вместе с тем, «вывод» критической скорости по основному резонансу из области расчётных скоростей не исключает наличие кратных резонансов на меньших скоростях, которые также характеризуются значительным динамическим откликом конструкции.
В случаях, когда конструктивное увеличение собственных частот колебаний пролётных строений по технико-экономическим соображениям представляется нецелесообразным, уменьшения динамической реакции сооружения добиваются путём увеличения массы конструкции. Данное мероприятие не снижает величины динамического воздействия подвижного состава (динамических коэффициентов к нагрузке), однако позволяет уменьшить вертикальные ускорения пролётного строения на уровне мостового полотна до требуемых значений.
К перечню мероприятий по снижению влияния резонансных колебаний пролётных строений следует также отнести методы изменения схемы работы конструкции путём введения в систему элементов конструктивного демфирования колебаний. Применение данных мер значительно увеличивает эксплуатационные затраты при содержании мостовых сооружений, что может быть оправдано в исключительных случаях.
Эффективным способом борьбы с резонансными колебаниями пролётных строений является изменение статической схемы работы конструкции. Так, например, возможно применение неразрезных или рамных систем пролётных строений, для которых резонансные колебания проявляются в значительно меньшей степени. Недостатком данного решения является невозможность индустриализации (изготовления в заводских условиях или на полигоне) конструкций пролётных строений, что значительно увеличивает капитальные затраты и срок строительства.
При динамических расчётах особое значение имеет соотношение длины пролёта и длины вагона расчётного поезда. Динамические расчёты разрезных пролётных строений позволили вывести условие, представляющее собой критерий «антирезонанса» или гашения резонансного воздействия, вызванного регулярными движущимися нагрузками. Таким образом, зная длину вагона модели подвижного состава, предполагаемой для эксплуатации на ВСМ, можно назначить оптимальную длину пролётных строений, или наоборот, после проектировании искусственных сооружений назначить основные параметры поезда. Недостатком данного подхода является необходимость определения в качестве исходных данных для динамических расчётов параметров (или узкого диапазона параметров) подвижного состава.
Вариант 1. Монтаж пролетных строений консольно-шлюзовым агрегатом
Технология
Железобетонные пролетные строения изготавливают на полигоне, располагаемом в непосредственной близости с трассой железнодорожной магистрали. Кранами перегружают пролетное строение на транспортную платформу и транспортируют в зону монтажа (к монтажному агрегату) по готовому земляному полотну железнодорожной магистрали и смонтированным пролетным строениям эстакады. После монтажа пролетного строения агрегат перемещают в следующий пролет и повторяют операции, описанные выше.
Рисунок 15.1. Монтаж пролетных строений консольно-шлюзовым агрегатом (вариант 1)
Условия применения
Для обеспечения высоких темпов монтажа до начала монтажных работ должны быть сооружены земляное полотно железнодорожной магистрали и все опоры строящегося мостового сооружения, на полигоне должен быть накоплены готовые пролетные строения, а у подрядной организации должен иметься монтажный агрегат. Условия применения агрегата определяются условиями доставки пролетных строений. Транспортировка готовых пролетных строений к месту монтажа возможен только по эстакадным участкам с аналогичными пролетами. Наличие на участке мостовых сооружений (барьерные участки) с большими пролетами может ограничивать зону применения данной технологии. Монтажный агрегат, проектируется под конкретные условия строительства, применяется для монтажа однотипных балок. Монтаж пролетных строений выполняется последовательно.
Вариант 2. Бетонирование пролетных строений в проектном положении на сплошных подмостях
Технология
На подготовленном основании устраивают сплошные подмости, затем монтируют опалубку, арматурный каркас и производят бетонирование. После набора бетоном проектной прочности производят натяжение высокопрочной арматуры. При многопролетной схеме, работы по подготовке основания, монтажу подмостей и установке опалубки можно производить в нескольких пролетах одновременно.
Рисунок 15.2. Бетонирование пролетных строений в проектном положении на сплошных подмостях (вариант 2)
Условия применения
Подмости применяются при сооружении эстакад, путепроводов и пойменных частей мостов при отсутствии «слабых» грунтов и резко пересеченного рельефа.
Вариант 3. Бетонирование с помощью системы передвижных подмостей
Технология
В сооружаемом пролете на опоры монтируют систему передвижных подмостей. Устанавливают опалубку и производят монтаж арматурного каркаса при этом, подача материалов производится по сооруженным пролетам (подходам). После достижения бетоном проектной прочности производят натяжение высокопрочной арматуры. После выполнения цикла работ по сооружению пролетного строения, передвижные подмости перемещают в следующий пролет.
Рисунок 15.3.. Бетонирование пролетных строений в проектном положении на сплошных подмостях (вариант 2)
Условия применения
Наличие у подрядной организации специализированного агрегата с передвижными подмостями. Передвижные подмости применяют для сооружения однотипных пролетных строений.
Вопросы для самостоятельной проработки
1. Опыт Италии по монтажу коробчатых пролетных строений
2. СВСиУ при строительстве мостов ВСМ с применением железобетонных коробчатых балок
Исходные данные
Расчет мостов с учетом сейсмических нагрузок следует выполнять по нормам СП 14.13330.2014 на прочность и устойчивость несущих конструкций, а также по несущей способности грунтовых оснований фундаментов мостовых опор и по предельным относительным линейным и угловым перемещениям в плане смежных секций моста, разделенных деформационным швом.
Термины:
сейсмическое воздействие: Движение грунта, вызванное природными или техногенными факторами (землетрясения, взрывы, движение транспорта, работа промышленного оборудования), обусловливающее движение, деформации, иногда разрушение сооружений и других объектов;
сейсмическая (инерционная) сила, сейсмическая нагрузка: Сила (нагрузка), возникающая в системе «сооружение-основание» при колебаниях основания сооружения во время землетрясения;
сейсмичность площадки строительства: Интенсивность расчетных сейсмических воздействий на площадке строительства с соответствующими периодами повторяемости за нормативный срок;
Примечание - Сейсмичность устанавливают в соответствии с картами сейсмического районирования и сейсмомикрорайонирования площадки строительства и измеряют в баллах по шкале MSK-64.
Сейсмоизоляция: Снижение сейсмических нагрузок на сооружение за счет применения специальных конструктивных элементов:
- повышающих гибкость и периоды собственных колебаний сооружения (гибкие стойки, качающиеся опоры, резинометаллические опоры и др.);
- увеличивающих поглощение (диссипацию) энергии сейсмических колебаний (демпферы сухого трения, скользящие пояса, гистерезисные, вязкие демпферы);
- резервных, выключающихся элементов.
Примечание - В зависимости от конкретного проекта применяют все или некоторые из перечисленных элементов.
Сейсмостойкость сооружения: Способность сооружения сохранять после расчетного землетрясения функции, предусмотренные проектом, например:
- отсутствие глобальных обрушений или разрушений сооружения или его частей, способных обусловить гибель и травматизм людей;
- эксплуатация сооружения после восстановления или ремонта.
Расчет конструкций и оснований зданий и сооружений, проектируемых для строительства в сейсмических районах, должен выполняться на основные и особые сочетания нагрузок с учетом расчетной сейсмической нагрузки.
При расчете зданий и сооружений на особое сочетание нагрузок значения расчетных нагрузок следует умножать на коэффициенты сочетаний, принимаемые по таблице 16.1. Нагрузки, соответствующие сейсмическому воздействию, следует рассматривать как знакопеременные нагрузки.
Т а б л и ц а 16.1 - Коэффициенты сочетаний нагрузок
| Вид нагрузок | Значение коэффициента |
| Постоянные | 0,9 |
| Временные длительные | 0,8 |
| Кратковременные (на перекрытия и покрытия) | 0,5 |
Для зданий и сооружений с простым конструктивно-планировочным решением для расчетной ситуации ПЗ расчетные сейсмические нагрузки допускается определять с применением консольной расчетной динамической модели (рисунок 16. 1).
Рисунок 16.1. Расчетная схема опоры
По нормам СП 14.13330.2014 «Строительство в сейсмических районах» расчетная сейсмическая нагрузка (силовая или моментная) 
по направлению обобщенной координаты с номером j, приложенная к узловой точке k РДМ и соответствующая i-й форме собственных колебаний зданий или сооружений, определяется по формуле:
где K0 - коэффициент, учитывающий назначение и ответственность сооружения, принимаемый по таблице 3 СП (для опор мостов равен 1);
K1 - коэффициент, учитывающий допускаемые повреждения зданий и сооружений, принимаемый по таблице 4 СП (для опор мостов равен 1);
- значение сейсмической нагрузки для i-й формы собственных колебаний здания или сооружения, определяемое в предположении упругого деформирования конструкций по формуле:
где 
- масса здания или момент инерции соответствующей массы здания, отнесенные к точке k по обобщенной координате j, определяемые с учетом расчетных нагрузок на конструкции;
A - значение ускорения в уровне основания, принимаемое равным 1,0; 2,0; 4,0 м/с2 для расчетной сейсмичности 7, 8, 9 баллов соответственно;
βi - коэффициент динамичности, соответствующий i-й форме собственных колебаний зданий или сооружений, принимаемый приближенно равным 2,5 при Т=0,1-0,4 с. и равным 1,1 при Т=0,4 - 1,8 с.;
- коэффициент, принимаемый по таблице 5 СП (для высоких опор равен 1,5);
- коэффициент, зависящий от формы деформации здания или сооружения при его собственных колебаниях по i-й форме, от узловой точки приложения рассчитываемой нагрузки и направления сейсмического воздействия, определяемый по формуле:
,
где 
и 
- смещения здания или сооружения при собственных колебаниях по i-й форме в рассматриваемой точке k и во всех точках j, где в соответствии с расчетной схемой его масса принята сосредоточенной;
- масса здания или сооружения, отнесенная к узловой точке j, определяемая с учетом расчетных нагрузок на конструкцию.
При расчетной сейсмичности 9 баллов в проектах мостов с балочными разрезными пролетными строениями длиной более 18 м следует предусматривать сцепные антисейсмические устройства для предотвращения падения пролетных строений с опор.
При расчетной сейсмичности 9 баллов размеры подферменной плиты в балочных мостах с разрезными пролетными строениями длиной >50 м следует назначать такими, чтобы в плане расстояние вдоль оси моста от края площадок для установки опорных частей до граней подферменной плиты было не менее 0,005.
На площадках, сложенных вечномерзлыми грунтами, фундаменты мостовых опор допускается проектировать на грунтах, используемых в качестве основания по принципу I. Если грунты немерзлые или используются по принципу II, то следует предусматривать опирание подошвы фундаментов мелкого заложения или нижних концов свай, столбов и оболочек преимущественно на скальные или крупнообломочные грунты, гравелистые плотные пески, глинистые грунты твердой и полутвердой консистенции.
При расчетной сейсмичности 9 баллов стойки опорных поперечных рам мостов на нескальных основаниях должны иметь общий фундамент мелкого заложения или опираться на плиту, объединяющую головы всех свай (столбов, оболочек).
Подошва фундаментов мелкого заложения должна быть горизонтальной. Фундаменты с уступами допускаются только при скальном основании.
Свайные опоры и фундаменты опор с плитой, расположенной над грунтом, средних и больших мостов следует проектировать, применяя наклонные сваи сечением до 400x400 мм или диаметром до 600 мм. Фундаменты и опоры средних и больших мостов допускается проектировать также с вертикальными сваями сечением не менее 600x600 мм или диаметром не менее 800 мм независимо от положения плиты ростверка и с вертикальными сваями сечением не менее 400x400 мм или диаметром не менее 600 мм в случае, если плиту ростверка заглубляют в грунт.
Литература
1. Смирнов В.Н., Строительство мостов и труб. – СПб.: Изд-во ДНК, 2007. – 288 с.
2. Смирнов В.Н., Строительство городских мостовых сооружений. – СПб.: Изд-во ДНК, 2010. – 432 с.
3. Инженерные сооружения в транспортном строительстве. В 2 кн. Учебник для вузов / П. М. Саламахин, Л.В. Маковский, В.И. Попов и др. ; под ред. П.М. Саламахина. - М. : Изд. центр "Академия", 2007. - 272 с.
4. СНиП 2.05.03-84*. Мосты и трубы / Минстрой России. – М. : ГП ЦПП, 19961996. – 214 с.
Содержание
Раздел 1. Сооружение уникальных мостов. 4
Лекция №1. «Технологии сооружения уникальных мостов». 4
Лекция №2 «Строительство наплавных мостов». 9
Лекция № 3. «Строительство разводных мостов». 17
Лекция № 4. «Строительство висячих и вантовых мостов». 24
Лекция №5. «Сооружение вантовых и экстрадозных мостов». 27
Лекция № 6 - «Сооружение арочных мостов из монолитного
железобетона». 33
Лекция № 7 - «Строительство арочных мостов из сборного железобетона». 41
Лекция №8- «Сооружение арочных металлических мостов». 44
Лекция №9 - «Сооружение мостов комбинированной системы». 48
Лекция №10 «Строительство фундаментов опор мостов в условиях Северной строительно-климатической зоны». 50
Лекция №11. Сооружение надфундаментной части мостовых опор (монолитных, сборных и сборно-монолитных) в условиях Северной строительно-климатической зоны.. 60
Лекция № 12 «Сооружение мостовых сооружений типа виадуков с опорами высотой более 30-40 м». 69
Раздел 2. Проектирование мостов в особых условиях. 78
Лекция №13 «Особенности проектирования мостовых сооружений на высокоскоростных железнодорожных магистралях (ВСМ). Конструктивные решения мостов ВСМ». 78
Лекция №14 «Проектирование мостов с учетом статического взаимодействия элементов системы «мост-бесстыковой путь», динамического взаимодействия элементов системы «поезд-мост» и аэродинамического воздействия
на мост». 96
Лекция № 15. «Проектирование технологии монтажа пролетных строений мостов ВСМ балочной разрезной системы из железобетонных коробчатых балок». 120
Лекция №16. «Проектирование мостов, расположенных в регионах сейсмического воздействия». 123
В.Н. СМИРНОВ, Л.К. Дьяченко
Специальные вопросы проектирования и строительства транспортных объектов (курс лекций)
Подписано к печати с оригинал-макета.
Формат 60х84 1/16. Бумага для множ. апп. Печать офсетная.
Усл. печ. л. 4. тираж 150 экз.
Заказ
Петербургский государственный университет путей сообщения
190031, СПб, Московский пр., 9
Типография ПГУПС, 190031, СПб, Московский пр., 9
Раздел 1. Сооружение уникальных мостов
Дата: 2019-11-01, просмотров: 638.
