Общая характеристика и область применения металлических мостов

Оглавление

1 Общая характеристика и область применения металлических мостов

2 Достоинства и недостатки металлических мостов

4 Основные дефекты железобетонных и каменных пролетных строений мостов

Список литературы

1 Общая характеристика и область применения металлических мостов

Металл - наиболее совершенный из материалов, применяемых для постройки современных мостов. Металл обладает хорошими механически-ми качествами при различных условиях работы под нагрузкой. Вместе с тем он хорошо поддается обработке и позволяет образовывать элементы различной формы для конструкций разнообразных систем. Эти качества способствовали широкому использованию металла для постройки мостов. При этом в мостах металлическими делают обычно только пролетные строения. Опоры же в большинстве случаев устраивают бетонными или железобетонными. В прошлом опоры строили из каменной кладки. В особо высоких мостах и виадуках, а также в путепроводах и эстакадах иногда делают металлическими надземные или надводные части опор.

В настоящее время для металлических конструкций мостов применяют строительные углеродистые или низколегированные стали. Ведутся исследования по применению для мостов и более высокопрочных сталей, в частности термообработанных. Имеются также отдельные случаи применения в мостах легких дюралюминиевых сплавов.

Благодаря высокой прочности современных строительных сталей металлические мосты, несмотря на значительный объемный вес стали, оказываются наиболее легкими, что позволяет использовать металл для пере-крытия пролетов, значительно превосходящих пролеты мостов из других материалов.

2 Достоинства и недостатки металлических мостов

Существенное преимущество металлических мостов заключается в индустриальности их изготовления и сборки. Все элементы металлических конструкций мостов изготавливают на хорошо оборудованных заводах и доставляют на место постройки, где производят сборку. Сборка металлических конструкций мостов может быть полностью механизирована, что позволяет вести монтажные работы быстрыми темпами[1].

Многие системы металлических пролетных строений могут быть легко собраны навесным способом, установлены на место надвижкой или доставлены на плаву. Это облегчает постройку мостов через глубокие горные лощины, многоводные реки и реки с интенсивным судоходством.
В эксплуатационном отношении металлические мосты значительно лучше деревянных, так как требуют меньших расходов по содержанию и ремонту и имеют более длительный срок службы. Металлические мосты в этом отношении немного уступают железобетонным мостам.
Большой недостаток металлических конструкций мостов - ржавление (коррозия) металла от действия влаги, сернистых газов и других вредных воздействий. Для защиты от ржавления элементы металлических конструкций мостов покрывают стойкими красками. Необходим также тщательный надзор за состоянием металла в процессе службы.

В настоящее время строительство большой сети новых автомобильных и железных дорог, а также реконструкция существующих, требуют возведения многочисленных мостовых переходов, в частности через крупные реки. Учитывая преимущества металлических мостов при перекрытии больших пролетов, непрерывный рост металлургической промышленности нашей страны, имеются все основания расширять применение металла в строительстве мостов.

3 Основные системы металлических мостов

Высокие качества строительных сталей, хорошо работающих на все виды силовых воздействий, дают возможность изготовлять из них металлические мосты различных систем и конструкций. Поэтому применяемые в настоящее время системы металлических мостов разнообразны и многочисленны.
Ввиду многообразия систем и конструкций металлических мостов четкая их классификация довольно затруднительна. Тем не менее, по статическим схемам главных несущих элементов пролетных строений, металлические мосты могут быть разделены на следующие основные системы: 1 - балочные; 2 - арочные; 3 - висячие. Кроме того, металлические мосты часто делают также различных комбинированных систем, образованных путем сочетания простых систем или добавления к простым системам дополнительных элементов. Иногда металлические мосты устраивают рамной системы. Наиболее широкое применение в настоящее время имеют балочные мосты.
Современные стали дают возможность перекрывать балочными кон-струкциями не только обычные пролеты, наиболее часто встречающиеся в мостах через средние и большие реки, но и исключительно большие пролеты (до 300-500 м) через крупнейшие реки и другие препятствия. Особенностью балочных мостов является передача пролетными строениями опорам в основном (от вертикальных нагрузок) только вертикальных давлений. Это облегчает устройство мостов через глубокие реки при большой высоте опор. Кроме того, балочные мосты имеют несложную конструкцию и, в большинстве случаев, могут быть возведены более простыми приемами, чем мосты других систем. В зависимости от статической схемы балочные мосты могут быть: разрезной, неразрезной и консольной системы.

По конструкции же главных несущих элементов балочные мосты разделяются на мосты, имеющие главные балки со сплошной стенкой.

В мостах разрезной системы каждый пролет перекрыт самостоятельным пролетным строением, не связанным с соседними[2].

Разрезность моста обеспечивает простоту и независимость работы каждого пролета. Благодаря этому балочно-разрезные мосты могут быть применены даже при неблагоприятных грунтовых условиях, так как возможность просадки опор не оказывает вредного влияния на работу разрезных пролетных строений. Повреждение или разрушение одного из пролетов моста не оказывает влияния на остальные неповрежденные пролетные строения. Пролетные строения балочных разрезных мостов легко поддаются типизации и стандартизации. Кроме того, разрезные пролетные строения удобны для изготовления и сборки. Поэтому мосты балочных разрезных систем имеют большое распространение как на железных, так и на автомобильных дорогах.
 
Рис. 2.20. Основные системы металлических мостов:
1 - сопряжение подвесного пролета с консолью; 2 - временная нагрузка;
3 - балка жесткости; 4 - арочный пояс; 5 - кабель; 6 - вант;
7 - подпружный арочный пояс; 8 - дополнительный подкос

Основной недостаток разрезных балочных мостов - несколько большая затрата металла, так как в них не используется разгружающее влияние соседних пролетов или консолей, как в неразрезных или консольных мостах. Кроме того, в связи с необходимостью устройства па каждой опоре опорных частей двух соседних пролетных строений, а также неизбежным внецентренным действием на нее давления при загружении одного из пролетов, опоры балочно-разрезных мостов получаются довольно широкими.

Неразрезные мосты, имеющие главные балки (фермы), перекрывающие два или несколько пролетов, благодаря совместной работе и разгружающему влиянию над опорных моментов требуют меньшей затраты материала, чем разрезные мосты. Вследствие того, что разгружающее действие соседних пролетов в наибольшей мере проявляется от постоянной нагрузки, экономия в затрате материалов по сравнению с разрезной системой возрастает с увеличением пролетов моста. Кроме того, неразрезные балочные мосты благодаря расположению только одной опорной части на каждом быке и центральной передаче давлений требуют более тонких опор. Временная нагрузка спокойнее переходит с пролета на пролет, так как линия прогиба имеет плавное очертание. Неразрезные мосты обладают большей жесткостью по срав-нению с разрезными пролетными строениями. Наконец, неразрезные мосты позволяют удобно применять навесной монтаж без подмостей. Однако у неразрезных мостов имеются и некоторые недостатки: появление дополнительных напряжений в главных балках (фермах) в случае неодинаковых просадок опор и большие температурные удлинения при многопролетной схеме.

Благодаря меньшей затрате металла, особенно при больших пролетах, уменьшению объема кладки в опорах, а также хорошим эксплуатационным качествам неразрезные пролетные строения довольно часто применяют в автодорожных мостах.

Промежуточной по своим свойствам и условиям работы является консольная система. По затрате металла на пролетные строения она близка к неразрезной. Благодаря статической определимости просадки опор не вызывают в ее главных балках (фермах) дополнительных напряжений. Консольные мосты, как и неразрезные, дают возможность навесной сборки. Опоры консольных мостов благодаря центральному опиранию на них пролетных строений в одной точке получаются небольшой ширины по фасаду. Экономические преимущества консольных мостов так же, как и неразрезных, увеличиваются с возрастанием величины пролетов. Однако консольная система имеет сложные конструктивные места - сопряжения подвесных пролетов с консолями. В этих сопряжениях под нагрузкой образуются довольно резкие перегибы линии прогиба, вызывающие динамическое воздействие, особенно при проходе тяжелых нагрузок. Это обстоятельство наиболее существенно для мостов под рельсовую нагрузку (железнодорожную, трамвайную), но имеет также значение для мостов на современных скоростных автомагистралях. Необходимо также отметить, что в случае повреждения одного из основных пролетов неизбежно обрушение конструкции соседних пролетов. В связи с тем, что современная техника фундирования дает возможность устраивать надежные в отношении просадок опоры мостов даже в сложных грунтовых условиях, смысл применения консольных мостов в настоящее время отпал. Поэтому, часто встречающиеся в старых мостах консольные системы теперь применяют в металлических мостах очень редко[3].

Металлические арочные мосты, являясь распорной системой, требуют меньшей затраты металла на пролетные строения, чем мосты балочных систем. Но зато из-за передачи распора опоры приходится делать более мощными.
При хороших грунтах арочная система часто бывает весьма целесообразной. При плохих грунтовых условиях и большой высоте опор применение арочных мостов затрудняется. В связи с этим в равнинных районах арочные мосты применяют значительно реже, чем балочные. Зато арочные мосты часто строят в городах, во многих случаях исходя из архитектурных соображений. По своей конструкции арочные мосты имеют арки сплошного сечения (рис. 2.20, е) или же решетчатые арочные фермы. Распор арочного пролетного строения может быть воспринят затяжкой. В этом случае пролетное строение превращается в безраспорное балочное.

В автодорожных и городских мостах часто применяют арки с жесткой затяжкой в виде сплошной балки или сквозной фермы, называемой балкой жесткости. В таких пролетных строениях арку обычно устраивают в виде полигонального сжатого пояса. По условиям своей работы эта система относится к комбинированным системам.

Арочные мосты могут быть неразрезными и консольными, но, не имея ни технических, ни экономических преимуществ, эти системы не получили распространения.

Главная особенность висячих мостов заключается в том, что основными несущими их элементами служат кабели, цепи или ванты, выполняемые из высококачественной стали большой прочности. В случае закрепления этих элементов с помощью оттяжек в грунте или устоях висячие мосты называют распорными. Для увеличения вертикальной жесткости висячих мостов их снабжают балками жесткости. В этом случае система превращается уже в комбинированную; однако ввиду того, что висячие мосты с балкой жесткости имеют специфические особенности, свойственные только висячим системам, они рассмотрены в главе, посвященной висячим мостам. Если закрепить концы оттяжек к концам балки жесткости и передать ей горизонтальные слагающие усилия в оттяжках, то система становится внешне безраспорной. Другую разновидность внешне безраспорных висячих мостов представляют системы с балкой жесткости, поддерживаемой системой вантов, симметрично или несимметрично расположенных по обе стороны пилонов. Безраспорные висячие системы в отношении опорных реакций аналогичны балочной системе. Висячие мосты могут быть и многопролетными (неразрезными); в таких мостах несущий кабель проходит непрерывно через несколько пролетов. Так как висячие мосты по сравнению с мостами других систем имеют меньшую жесткость, то их устраивают, как правило, на автомобильных дорогах и в городах. Случаи строительства висячих мостов, служащих для пропуска железнодорожной нагрузки, очень редки.

Кроме рассмотренных выше систем, в металлических мостах применяют также комбинированные системы, образованные из балок (или ферм), усиленных нижним дополнительным поясом в виде шпренгеля или гибкой арки. Разновидностью комбинированных систем, получившей за последние годы применение в автодорожных мостах, является конструкция, образованная из консольной  или неразрезной балки, усиленной дополнительными подкосами. Комбинированные системы имеют ту особенность, что благодаря их статической неопределимости можно применять искусственное регулирование усилий в их элементах, дающее экономию в затрате металла на конструкцию. К числу комбинированных систем относятся также сквозные фермы с жестким верхним или нижним поясом.

4 Основные дефекты железобетонных и каменных пролетных строений мостов

Наиболее распространенным дефектом железобетонных мостов являются трещины в бетоне. В конструкциях из обычного железобетона в зонах, работающих на растяжение, появление трещины неизбежно, так как действительные деформации бетона превышают его так называемую растяжимость. При правильном конструировании эти трещины не должны иметь раскрытий, превышающих 0,2 мм[4]. Считают, что при таком раскрытии трещин в мостовых конструкциях не возникнет ржавления арматуры и, следовательно, не произойдет существенного снижения долговечности.
Трещины в предварительно напряженных железобетонных конструкциях с напряженной арматурой в виде проволочных пучков, отдельных проволок или канатов наиболее опасны. При доступе влаги к арматуре через трещины площадь ее сечения вследствие коррозии быстро уменьшается.
В некоторых случаях сами трещины, снижая несущую способность поперечного сечения элемента, являются причиной уменьшения грузоподъемности пролетных строений. Это прежде всего относится к предварительно напряженным конструкциям, например при наклонных трещинах в стенках балок. При оценке опасности различных типов трещин необходимо тщательно анализировать их влияние на .эксплуатационные характеристики конструкций, учитывая при этом и тенденции к развитию трещин.Наклонные трещины 2 в стенках балок образуются в основном вследствие силового воздействия главных растягивающих напряжений, а также в результате температурно-усадочных деформаций. Эти трещины особенно опасны в предварительно напряженных пролетных строениях, так как могут значительно снижать их грузоподъемность, что требует расчетной проверки.
Продольные трещины в местах примыкания плиты балластного корыта к стенкам балок 3 также относятся к категории опасных, вносящих изменения в работу конструкции под нагрузкой, и требуют соответствующего внимания и учета при расчетах грузоподъемности. Одной из главных причин образования этих трещин являются нарушения в технологии изготовления пролетных строений.