Пшеничников - Железобетонные пролетные строения, собираемые навесным способом из заранее изготовленных блоков(1956)

ПРЕДИСЛОВИЕ

Постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 20 августа 1954 г. поставило перед строителями  задачу всемерного внедрения в практику строительства железобетона и особенно сборного.

Всесоюзным совещанием по бетону и железобетону, состоявшимся в мае 1955 г., с особой остротой был  поставлен вопрос об увеличении объема предварительно напряженных железобетонных конструкций, которые к 1957 г. должны составить 20% от общего количества сборного железобетона. В решении транспортной секции совещания по бетону и железобетону уделяется  особенное внимание расширению области применения сборного железобетона в мостах больших и средних пролетов, где в настоящее время преимущественно применяется металл. Настоящая работа посвящена вопросу строительства и проектирования сборных предварительно напряженных железобетонных пролетных строений безраспорных  мостов средних и больших пролетов.

Предлагаемая конструкция не только дает  возможность применения сборного железобетона в пролетных строениях больших мостов, но и решает проблему  строительства этих мостов из блоков заводского изготовления. Применение блоков заводского изготовления и  наиболее экономичного по затратам на вспомогательные  сооружения и материалы способа навесной уравновешенной сборки, разработанного для монтажа пролетных строений железобетонных мостов, обеспечит высокий темп  строительства и значительную экономию леса и металла. Предлагаемая работа может служить основой для  составления проектных заданий и разработки технических проектов сборных пролетных строений мостов из  предварительно напряженного железобетона пролетом от 40 до 100— 110 м и более.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в автодорожном мостостроении сборный железобетон, и в том числе предварительно  напряженный, уже занял ведущее положение в мостах  пролетом до 301 м включительно. Однако имеющийся опыт конструирования и монтажа пролетных строений мостов пролетами до 30 м не может быть целиком перенесен на пролетные строения мостов больших пролетов вследствие чрезвычайно большого веса монтажных элементов (100—150 т и более) при  членении пролетного строения на отдельные блоки только  продольными швами.

Для уменьшения веса монтажных элементов нужно переходить на конструкции не только с продольным, но и с поперечным членением пролетных строений на  отдельные блоки. Способ поперечного членения балок на отдельные блоки с последующим их объединением на берегу и  установкой в пролет целыми балками или объединение  блоков на подмостях решает только одну сторону задачи, а именно: дает возможность централизованно изготовлять блоки пролетного строения.

Полное решение проблемы строительства сборных  железобетонных безраспорных мостов средних и больших пролетов возможно при применении конструкции  пролетного строения с поперечным и продольным членением на отдельные блоки, монтаж которых может осуществляться последовательно отдельными блоками, т. е, навесным или полунавесным способом. Отечественный и заграничный опыт постройки и  проектирования пролетных строений дает ряд оригинальных конструкций и способов сборки и постройки без  подмостей пролетных строений мостов средних и больших  пролетов с главными балками, имеющими поперечное  членение.

Во Франции построено несколько таких однотипных сборных однопролетных мостов пролетом до 70 м (рис. 1). Мосты построены на месте разрушенных с  использованием сохранившихся устоев. Главные балки коробчатого сечения собирались на берегу из заранее изготовленных блоков. Каждая балка была разделена на три  монтажных секции весом до 90 т. Сборка осуществлялась с помощью двух мачт (рам) высотой 60 м, расположенных по берегам реки. Вначале были установлены секции  балок пролетного строения около устоя. Затем  устанавливалась средняя часть. Объединение блоков в секции и секций в балки пролетного строения осуществлялось предварительно напряженной арматурой. Недостатком этой конструкции является  необходимость создания искусственного распора и большая  чувствительность пролетного строения к перемещению устоев и деформациям пролетного строения.

Для регулировки величины распора в конструкции сохранены домкраты и установлено специальное  наблюдение за его величиной. Применение данной конструкции целесообразно только в однопролетных мостах, так как одновременный монтаж двух или нескольких пролетных строений такого типа, видимо, невозможен.

В Германии применяется навесное бетонирование  пролетных строений. Наиболее интересными по способу производства работ и примененной статической схеме  являются однотипные мосты через реку Рейн в г. Вормсе с пролетами 101 + 114 + 104 м (рис. 2) и через реку  Мозель в г. Кобленце с пролетами 101 + 114+ 123 м. Мосты состоят из Г- и Т-образных рам. Концы ригелей рам соединены шарнирами, работающими только на  перерезывающую силу. Высота ригеля посередине 2,5 м, у опор пролета. Диафрагмы имеются только посередине пролета у конца консолей. Бетонирование  пролетного строения производилось в подвижной опалубке секциями по 3 м симметрично в обе стороны от опоры (рис. 3.). Напряженная арматура состоит из отдельных стержней диаметром по 26 мм из стали.

Количество стержней над речными опорами — 486.  Арматура поставлялась на строительство в виде прутьев  длиной около 3 м. Стержни соединялись с помощью муфт. Все стержни помещались в металлических трубках,  которые после натяжения стержней инъектировались.  После бетонирования каждой секции стержни,  обрывающиеся в данном сечении, натягивались. Способ производства работ имеет ряд недостатков, обусловленных конструкцией основной арматуры.  Необходимость употребления быстротвердеющих бетонов и  сезонность производства работ также ограничивают  возможность применения навесного бетонирования. Однако статическая схема моста заслуживает внимания, и она использована при разработке конструкции пролетных строений, собираемых навесным способом. В одном из строительных подразделений  Министерства автомобильного транспорта и шоссейных дорог  инженерами В. М. Могилевичем, Д. И. Зажирей, Л. С.  Смирновой и А. Л. Шилиной разработан проект однопролетного двухконсольного моста по схеме 8 + 24 + 8 м,  собираемого навесным способом из блоков весом до 5,0 г1. Консоли собираются частично на подмостях,  пролетное строение — на весу. По всей длине пролетное  строение имеет двойную предварительно напряженную  арматуру. Верхняя арматура заанкерена в пределах консолей и за торцы балок, нижняя — над опорами. Преимуществом этой конструкции является  возможность навесной сборки пролетных строений из  изготовленных заранее блоков. Однако и она имеет ряд  существенных недостатков, делающих нецелесообразным  применение ее для мостов средних и больших пролетов. Расположение нижней арматуры в открытых снизу каналах, проходящих по всей длине пролета, определяя способ монтажа ее, не дает возможности в  сколько-нибудь значительной степени менять высоту балок, что, кроме нерационального распределения материала вдоль пролета, делает весьма трудным создание строительного подъема. Применение подобной конструкции в мостах, расположенных на вертикальных кривых (что почти  всегда имеет место в мостах через судоходные реки), видимо, невозможно. Трудно применить эту схему для  многопролетных мостов из-за необходимости устройства подмостей под консоли и сложности монтажа подвесных пролетов.

ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ И СТАТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ, СОБИРАЕМЫХ НАВЕСНЫМ СПОСОБОМ

Конструкция пролетных строений мостов и особенно мостов средних и больших пролетов должна быть тесно связана с выбранным заранее наиболее прогрессивным и экономичным способом производства работ по  строительству мостов. Способ навесной уравновешенной  сборки при монтаже металлических пролетных строений, как известно, является наиболее экономичным по затратам на вспомогательные сооружения и в наименьшей степени зависящим от местных условий.

Возможность и техническая целесообразность  применения этого способа при монтаже металлических  пролетных строений различных статических схем определяется в основном тем, что металл одинаково хорошо работает на сжимающие и растягивающие усилия, благодаря чему различная по знаку действующего усилия работа элементов пролетного строения в стадии монтажа и во время эксплуатации не вызывает, как правило,  конструктивных или технологических затруднений. Иное дело в железобетонных мостах. Обычно железобетонное сечение пролетного строения конструируется для работы на  изгибающий момент одного знака. Если во время монтажа в нем возникает момент и другого знака, то сечение должно быть усилено дополнительной арматурой в  сжатой (при эксплуатационной нагрузке) зоне и увеличено в растянутой.

Очевидно, что* конструирование железобетонных  элементов для работы на момент разного знака вызывает увеличение размера сечения и приводит к перерасходу материала и удорожанию конструкции. Поэтому  применение сборки, в том числе и навесной, в  железобетонном мостостроении экономически более целесообразно в таких статических схемах мостов, в которых основные элементы в процессе монтажа и эксплуатации работают на усилия одного знака. Кроме этого, конструкция  пролетного строения должна обеспечить возможность: а) продольного и поперечного членения на отдельные блоки, б) использования рабочей арматуры в качестве монтажной с последовательной укладкой ее по мере  установки блоков.

В наибольшей степени удовлетворяет изложенным  положениям статическая схема в виде цепи Т-образных рам, показанная на рис. 4,а. Однако эта схема неприменима по условиям эксплуатации.

Недостатком этой статической схемы является  чувствительность ее к неравномерным осадкам опор, работа опор на момент и наличие перелома кривой прогиба посередине пролета моста. Необходимо отметить, что  чувствительность к неравномерным осадкам опор является свойством всех внешне статически неопределимых  систем. Причем можно полагать, что из-за особой работы шарнира, связывающего Т-образные рамы, усилия в  сечениях ригеля от неравномерной осадки опор будут в данной статической схеме наименьшими по сравнению с другими рамными статически неопределимыми  системами, употребляемыми в мостостроении. Работа опор на момент (как это в дальнейшем будет показано) при устройстве их пустотелыми не вызывает каких-либо  затруднений при проектировании. Перелом кривой прогиба вряд ли может вызвать опасения, так как по подобной статической схеме осуществляются металлические  разводные мосты поворотного типа пролетами до 80 м.  Аналогичную статическую схему имеют упомянутые выше мосты, построенные в г. Вормсе и в г. Кобленце. Распределение усилий в элементах рассматриваемой статической схемы моста зависит от целого ряда  факторов, учет которых в общем виде при переменном моменте инерции ригеля весьма сложен. Поэтому теоретический анализ схемы произведен путем рассмотрения частных случаев.

Для анализа были взяты две схемы, образованные двумя и шестью одинаковыми Т-образными рамами (три и семь пролетов). Каждая из схем была рассмотрена в двух вариантах, отличающихся друг от друга жесткостью опор. Момент инерции опор в первом варианте принят в 3 раза меньшим, чем во втором варианте. На рис.5 показаны совмещенные линии влияния  опорного сечения ригеля в среднем пролете для всех четырех вариантов при величине пролетов 50 м. Кроме того, были проанализированы результаты  детального расчета с подбором сечения мостов по схемам: а — 4,5 + 40 + 80 + 40 +4,5 м; б — 4,5 + 30 + 60 + + 30 + 4,5 ж; в — 4,5 + 20.+ 40 + 20 + 4,5 м (рис. 6).

Из анализа описанных частных случаев сделаны  следующие выводы. Величина суммарных усилий в сечениях ригеля,  равноудаленных от шарнира и береговой опоры, от  постоянной и временной нагрузок, практически мало зависит от величины пролета, жесткости опор и количества  пролетов. Даже в мостах с различными по величине и  количеству пролетами сечения ригеля, равноудаленные от  шарниров и береговых опор, могут назначаться  одинаковыми. Возможные колебания в величинах усилий могут быть целесообразно учтены при назначении марки бетона и количества проволок в пучках. Следовательно, размеры блоков ригеля, равноудаленных от шарниров и береговых опор, могут быть одинаковыми для любых пролетов  мостов данной системы при одинаковой расчетной нагрузке и одинаковых габаритах. Это обстоятельство открывает широкие возможности для заводского изготовления  блоков ригеля.

Расчет и конструирование опор нужно производить применительно к местным условиям. С увеличением  количества пролетов должна увеличиваться жесткость опор. Жесткость опор в трехпролетной схеме необходимо  назначать минимально возможной по величине прогиба  пролетного строения в шарнире. В целях уменьшения величины положительных  моментов в береговых пролетах и для уменьшения расчетных моментов в первых от берега речных опорах необходимо в береговом пролете устраивать консоль длиной 4—6 м и загружать ее контргрузом весом 30—50 т после  подведения опоры под береговой пролет. Устройство консоли дает возможность сопряжения пролетного строения с  берегом без устоя. Наличие контргруза обеспечивает  положительную опорную реакцию в береговой опоре при  любом загружении пролетного строения временной  нагрузкой.

ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МОСТОВ, ОБРАЗОВАННЫХ ИЗ Т-ОБРАЗНЫХ РАМ

Мосты составляются из одной или нескольких  Т-образных рам. Консоли одной Т-образной рамы в двухпролетных мостах имеют на береговых опорах шарнирное опирание. Многопролетные мосты образуются  несколькими Т-образными рамами, соединенными между собой шарниром, работающим только на перерезывающую силу. Речные пролеты образуются при этом двумя консолями Т-образных рам, а береговые — одной консолью, шарнирно опертой на береговую опору. Различные по величине пролеты образуются рамами с различной длиной консолей. Пролет моста может быть образован консолями равными и неравными по длине. Во всех случаях каждая рама моста должна иметь  консоли одинаковой длины (рис. 7). Величина берегового пролета должна быть равна расстоянию от опоры  ближайшей Т-образной рамы до ее шарнира. Каждое  большее по величине пролетное строение включает в себя меньшее, плюс дополнительные части, сопрягающие его с опорами (см. рисунки 10, 11, 12, на которых  одинаковыми номерами обозначены одинаковые блоки).

Возможность применения одних и тех же элементов безраспорного пролетного строения в мостах самых  различных по величине  пролетов обусловливает  необходимость подбора такого  продольного очертания нижней грани ригеля, которое  отвечало бы архитектурным и конструктивным  соображениям при использовании  данного участка ригеля как в виде самостоятельного  пролета, так и в виде части пролетного строения  большей величины. Опыт  проектирования пролетных  строений мостов по схемам, в  которых (см. рис. 6)  криволинейный нижний пояс  очерчен по квадратной параболе и имеет прямолинейную вставку L = 20 м  посередине пролетного строения,  показал, что даже на длине этой вставки невозможно применить блоки  одинакового размера без  существенного утяжеления конструкции и перерасхода материалов.

По архитектурным  соображениям криволинейное очертание нижнего пояса  является наиболее  приемлемым. Высота сечения ригеля посередине пролета не  зависит от пролета моста, а  определяется по  производственным и конструктивным  соображениям с учетом  требований эстетики. Она  назначается не менее 1,3—1,5 м для пролетов 40—100 м. Возможность назначения малой строительной высоты в середине пролета может  благоприятно отразиться на стоимости сооружения подходов. Высота ригеля должна обеспечить удобство ведения работ внутри короба ригеля, если сечение коробчатое, или с подмостей, уложенных по полкам балок ригеля, при двутавровом или П-образном сечении с нижним уширением. В этом случае высота сечения в свету  должна быть не менее 1,7—1,9 м.

В целях обеспечения централизованного изготовления блоков для мостов средних и больших пролетов  пролетное строение должно быть разделено на блоки, вес  которых должен соответствовать грузоподъемности кранового оборудования, широко применяемого в хозяйствах, а  габариты блоков не должны затруднять их перевозку по железной дороге и на автотранспорте. Основным исходным положением при разбивке  пролетного строения на блоки является требование  максимального уменьшения количества типоразмеров блоков. Количество типоразмеров блоков в продольном  направлении определяется по конструктивным соображениям и зависит в основном от принятого расчетного веса  блоков. Для уменьшения количества блоков и ускорения процесса сборки средний вес их должен быть близок к принятому расчетному. Однако стремление к  максимальному уменьшению количества типоразмеров блоков не должно вызывать большого разнообразия в размерах блоков по длине.

Разбивка пролетного строения на блоки должна быть такова, чтобы процесс сборки был единообразным и  осуществлялся с применением минимального количества  различных видов работ и приспособлений. При  конструировании различных типов блоков пролетного строения  следует стремиться к унификации элементов, составляющих блоки, чтобы путем изменения отдельных элементов  опалубки получать различные типоразмеры блоков. Количество типоразмеров блоков в поперечном  направлении зависит в основном от принятой конструкции поперечного сечения пролетного строения. Выбор типа поперечного сечения пролетного строения должен производиться с учетом следующих требований,  предъявляемых к сборному пролетному строению с продольным и поперечным членением:

1. Главные балки для уменьшения веса и числа  блоков при данной площади сечения должны обладать  максимальным осевым и полярным моментом инерции.

2. Форма блоков должна обеспечить простоту и  многократную оборачиваемость опалубки.

Этим требованиям не удовлетворяют сечения:  тавровое — из-за нерационального распределения материала по сечению и П-образное — из-за необходимости постановки большого количества диафрагм для обеспечения жесткости отдельных блоков при малой их длине и  относительно высоких стенках.

Двутавровое сечение, более простое в изготовлении по сравнению с коробчатым, обладает меньшим  полярным моментом инерции и для обеспечения  пространственной работы пролетного строения требует частого  расположения диафрагм. Принимая во внимание особенность работы  рекомендуемой статической схемы, по которой нижний пояс  балок пролетного строения сжат почти по всей длине  пролета, и необходимость ввиду этого учета продольного изгиба нижнего пояса, становится очевидным  преимущество для данного случая коробчатого сечения перед двутавровым и П-образным. Речные опоры несут всю постоянную нагрузку и  работают, как внецентренно сжатые элементы. Для  улучшения работы на внецентренное сжатие опоры должны выполняться пустотелыми. До уровня, соответствующего горизонту наивысшего ледостава, опоры заполняются тощим бетоном.

Для исключения возможности выщелачивания бетона опор при высокой воде в их стенках устраиваются  отверстия, через которые вода может свободно поступать в опору и выходить из нее. Сопряжение Т-образных рам с берегом во всех  случаях вне зависимости от величины берегового пролета может осуществляться наиболее экономичным  способом — с помощью береговых переходных консолей,  являющихся продолжением берегового пролетного строения. Благодаря этому береговые опоры могут выполняться свайными или свайно-рамными при любой величине берегового пролета. В случае необходимости устройства устоя сопряжение Т-образной рамы с ним может быть выполнено обычным способом. Однако это вызовет  необходимость постановки дополнительной нижней арматуры в береговом пролете.

На конце переходной консоли при сопряжении  Т-образной рамы с берегом устраивается противовес. При  сопряжении с эстакадой роль противовеса может  выполнять ее пролетное строение. Между собой Т-образные рамы соединяются  шарниром, работающим только на перерезывающую силу.  Конструкция шарнира, работающего только на временную нагрузку, может быть очень проста. Плавное сопряжение консолей соседних Т-образных рам между собой обеспечивается тем, что концы  консолей вместе с закладными частями шарниров  бетонируются на месте на длине до 1 м в обе стороны от  шарнира. Основная предварительно напряженная арматура  выполняется из пучков высокопрочной проволоки либо из канатов заводского изготовления.

Арматура располагается по верху блоков пролетного строения в соответствии с эпюрой моментов. Пучки  арматуры обрываются, как правило, в конце блоков,  расположенных симметрично относительно опоры, взаимно скрепляя их в процессе монтажа.

После сборки всех блоков пролетного строения и укладки арматуры она закрывается бетоном,  укладываемым по верху плиты блоков пролетного строения. Часть арматуры может быть уложена без оболочек.  Количество арматуры, укладываемой в оболочках, определяется расчетом. Нижняя плита пролетного строения армируется конструктивно. Стенки армируются сварной сеткой. Применение предварительно напряженных хомутов в данной конструкции позволит не только снизить  расход бетона и арматуры, но также уменьшить вес блоков или сократить количество типоразмеров в пролетном строении.