Тема 5.1. Основные системы ж/б мостов и путепроводов.

5.1.1 Основные характеристики и системы ж/б мостов, условия применения, основные элементы.

  Железобетонные мосты – капитальные сооружения, обладающие при правильном проектировании и качественном выполнении строительных работ большой стойкостью против атмосферных воздействий и не требующие периодической окраски, как стальные мосты. Расходы по содержанию железобетонных мостов меньше, чем стальных мостов. Особое преимущество железобетонных мостов – значительно меньший расход металла по сравнению со стальными мостами.

   К недостаткам железобетонных мостов относятся большой собственный вес, повышенная трудоемкость изготовления, значительная стоимость мостов больших пролетов и наличие большого числа дефектов. Для снижения собственного веса и снижения стоимости мостов больших пролетов

применяются высокопрочный бетон, предварительно напрягаемая арматура, на участках с небольшими усилиями - легкий бетон (бетон с легкими заполнителями). Для снижения дефектности бетона необходимы повышение культуры проектирования и строительства железобетонных мостов. В части проектирования это – максимальный учет при расчете реальных нагрузок и воздействий во время эксплуатации, применение математически более точных схем расчетов, учет реальных физических свойств работы материалов. Повышение культуры строительства предполагает, прежде всего, неукоснительное выполнение требований нормативно-технических документов, контроль качества работ и материалов, применение современных технологий строительства и надежного нового оборудования.

Системы и конструкции железобетонных мостов весьма разнообразны. Основными являются балочные, рамные, арочные, комбинированные системы, имеющие, в свою очередь, много разновидностей. Так, например, к балочным мостам относятся мосты с простыми, неразрезными и консольными балками; рамные мосты могут быть рамно-неразрезной, рамно-консольной, рамно-подвесной систем. Железобетон применяют в конструкциях сквозных ферм, а также в висячих и вантовых мостах.

По напряженному состоянию, создаваемому при сооружении моста в его элементах, железобетонные мосты можно разделить на предварительно напряженные и без предварительного напряжения.

По способу сооружения различают монолитные железобетонные конструкции мостов, бетонируемые на месте, и сборные, собираемые из элементов, изготовляемых на специальных заводах и полигонах. Применяют также сочетание сборного и монолитного железобетона.

Несущими элементами пролетного строения служат балки, плиты, фермы. Наибольшее распространение нашли балочные пролетные строения. Они состоят из поперечно и продольно-члененых балок различной конфигурации: ребристых, прямоугольных, коробчатых. Ребристые балки Т-образного сечения имеют наибольшее применение. Они состоят из ребра (вертикальной стенки и горизонтальной плиты. Они бывают как диафрагменные так и без диафрагменные.

    Наибольшее распространение получили балочные мосты с использованием разрезных, неразрезных и консольных систем. Балочные разрезные мосты (рис. 99, а) используют для перекрытия пролетов до 42 м. Неразрезные балочные мосты (рис. 99, 6) 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. 99, в) подвесные пролетные строения пролетом 1 1опираются на консоли с вылетом l 2 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 усилии. Тем не менее мосты с использованием консольных систем в настоящее время не применяют в связи со сложностью узлов соединения подвесных и основных пролетных строений.
     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. 99, 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. 99, д).

Рис. 99. Виды балочных (а—в) и рамных (г, д) мостов

 

     Более широкое распространение получили мосты из Т-образных рам: рамнобалочные и рамно-консольные. Рамно-балочные системы (рис. 100, а) мостов получаются при шарнирном соединении рамных и подвесных пролетных строений. Пролеты /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. 100, 6) 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. 100, 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.

 

Рис. 100. Рамно-балочная (а) и рамно-консольная (б, в) системы мостов

 

       При прочных грунтах в основании опор возможно применение мостов арочных систем (рис. 101, 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.

      В последние десятилетия в железобетонных мостах находят применение вантовые системы (рис. 101, 6). 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.

Рис. 101. Мосты арочной (а) и вантовой (б) систем

 

Комбинированные системы характеризуются совместной работой простых систем.

Примером такой конструкции, в частности, может служить сочетание балки с гибкой аркой. В таких системах достигается благоприятное распределение усилий, что позволяет перекрывать большие пролеты, обеспечивая высокие экономические показатели. В настоящее время величина пролета в таких системах (имеется в виду сочетание балки с растянутым вантом) достигает 282 м (наибольший пролет в мире). Комбинированные системы появились недавно и используются исключительно для автодорожных и городских мостов. 

 

Вопросы для самоконтроля:

1. Статические схемы ж/б мостов.
2. Преимущества и недостатки ж/б мостов и их систем.

 

Тема 5.2. Ж\б как строительный материал.

5.2.1 Свойства ж/б.

        Ж\б – материал, состоящий из искусственного камня (бетона) и арматуры (стальных стержней). Бетон приготовляют из цемента, воды, а также заполнителей – песка и щебня или гравия. Бетон обладает высокой прочностью на сжатие (в мостовых конструкциях до 700 кгс/см²) и низкой прочностью на растяжение (до 40 кгс/см²), что вызывает необходимость применения арматуры в растянутых зонах ж/б конструкций.

Основные свойства бетона, применяемого в мостах: прочность, стойкость против внешних воздействий, сроки твердения, усадка и ползучесть, подвижность бетонной смеси при укладке.

Прочность характеризуется маркой – нормативным сопротивлением сжатию образца размером 20х20х20 см в возрасте 28 суток. Для ж/б мостовых конструкций применяют бетон марок от 200 до700.

      В мостостроении применяется преимущественно конструкционный тяжелый бетон с плотностью от 2200 до 2500 кг/м3, реже - мелкозернистый – от 1800 до 2200 кг/м3 и легкий бетон от 800 до 2000 кг/м3, а также ячеистые и специальные напрягающие бетоны. Бетон делится на классы по прочности на сжатие (В20; В25; В27,5; В30; В35; В40; В50; В60), на марки по морозостойкости F200 – для бетона, F300 – для железобетона; F400 –для облицовки, на марки по водонепроницаемости W4 – подводные и подземные конструкции, W6 – водопропускные трубы, укрепления регуляционных сооружений, блоки облицовки опор при температуре выше – 40о, W8 – то же, при температуре ниже – 40º.

В несущих, особенно преднапряженных, конструкциях мостов целесообразно примерять высокие марки бетона, для получения которых могут быть использованы следующие пути:

· Применение цементов высоких марок (до 600-700);

· Увеличение расхода цемента (неэкономичный путь, связанный с опасностью увеличения деформаций);

· Уменьшение водоцементного отношения и применение жестких смесей, дающих хорошие результаты, при этом удобоукладываемость бетона обеспечивается введением пластифицирующих добавок, вибропрессование и др.;

· Повышение прочности заполнителей (промывка для удаления глинистых и илистых частиц);

· Подбор заполнителей по гранулометрическому составу: при равномерном составе песка и щебня по крупности пространство между более крупными зернами заполняется более мелкими, причем содержание цементного камня в бетоне уменьшается, а прочность бетона увеличивается.

Марку по морозостойкости назначают в проекте в зависимости от климатических условий, типа конструкции и ее расположения по отношению к уровням воды. Для повышения морозостойкости целесообразно употреблять воздухововлекающие добавки, которые создают мелкие воздушные поры, обеспечивающие свободное расширение воды при замерзании. Для элементов конструкций, подверженных действию агрессивной среды, используют бетон со специальными добавками на сульфатостойких портландцементах или принимают конструктивные и другие меры по защите бетона.

Усадка – свойство бетона уменьшать свои размеры в процессе твердения и усыхания. Это приводит к образованию трещин, если не принять специальных мер.

Ползучесть бетона (способность медленно деформироваться под нагрузкой) приводит к перераспределению внутренних усилий в конструкции, в частности к падению усилий преднапряжения.Подвижность бетонной смеси (удобоукладываемость бетона) имеет большое значение для получения качественных конструкций без раковин, пористых участков и др.

 

5.2.2 Арматура и ее виды. Внешнее усиление.

 

  Арматуру, применяемую в ж/б мостах можно разделить на две группы: ненапрягаемую и получающую предварительное напряжение при изготовлении конструкций. В качестве ненапрягаемой арматуры применяют гладкие круглые стержни Ø до 40 мм из стали класса А1, стержни периодического профиля Ø до 40 мм из стали класса А11 и такие же стержни из низколегированной стали класса А111, а также фасонный прокат из сталей, применяемых для металлических мостов.

Для напрягаемой арматуры применяют пучки из 3-60 стальных круглых проволок Ø 3-5мм, обладающих высокой прочностью. Используют гладкую проволоку и проволоку периодического профиля.

Усиление пролетных строений методом установки дополнительной внешней преднапряженной арматуры применяют с целью повышения несущей способности в случаях:

× недостаточной грузоподъемности пролетного строения, построенного по устаревшим нормам или имеющего дефекты и повреждения, снижающие грузоподъемность;

× необходимости увеличения габарита проезда за счет уширения консолей плит крайних балок или устройства накладной плиты (либо другими методами);

необходимости пропуска по мосту сверхнормативной нагрузки.

Предлагаемый метод усиления дает возможность повысить несущую способность пролетных строений в 1,5-2 раза.

Усилие натяжения арматурных пучков передают на балки с помощью стальных:

× внутренних цилиндрических упоров, устанавливаемых в просверленные в бетоне балки отверстия;

× двусторонних парных накладных упоров, прикрепляемых сквозными болтами к боковым поверхностям балки;

× закладных деталей (опорных плит), устанавливаемых на стенку балки.

№№ схем	Схема усиления	Область применения
I		Усиление балок на действие изгибающего момента и поперечной силы
II		Усиление балок на действие изгибающего момента

Рис. 102. Рекомендуемые схемы усиления балок пролетных строений и области их применения:

1 - усиляемая балка; 2 - плита балки; 3 - уширение в нижней части стенки балки; 4 - омоноличиваемый упор; 5 - отгибающее устройство; 6 - пучок

Вопросы для самоконтроля:

1. Что такое бетон, ж/б?

2. Какая арматура применяется для ж/б?

3. Принцип внешнего усиления балок ПС.