Виды и конструкция мостов

Виды мостов

Мост – сооружение, служащее для перевода дороги через какое-либо препятствие, например через реку, канал, овраг или другую дорогу. Мост состоит из опор и пролетного строения. Промежуточные опоры называются быками, крайние – устоями. Пролётное строение состоит из: а) основной несущей конструкции (главных ферм, сводов арок и т.д.), передающей нагрузку моста на опоры; б) проезжей части; в) связей продольных и поперечных, объединяющих элементы пролетного строения в одну неизменяемую систему; г) опорных частей строения. В ряде случаев пролетное строение и опоры составляют одно целое или лишены обособленных проезжей части и связей, например бесшарнирные своды, плитные мосты и др. Проезжая часть моста лежит на фермах либо сверху (езда поверху), либо между фермами (езда понизу или посередине).

Мосты по своей «природе» делятся на две группы: электрические и механические. Но в своей работе мы рассмотрим только механические мосты.

По своему назначению современные мосты бывают железнодорожные, автодорожные , городские, а также мосты для пропуска водных путей (мосты-каналы) и мосты для целей водоснабжения – акведуки. Применяются и совмещенные мосты, например железная дорога и шоссе размещаются на одном пролетном строении.

Норильск – один из пяти самых северных городов мира. Он основан в 1935 году. Численность населения – чуть больше 140 тысяч человек. Расположен на полуострове Таймыр, в 300 километрах к северу от Северного полярного круга, на вечной мерзлоте.

В Норильске мы видим очень мало мостов, но на самом деле их очень много. У нас есть как простые мосты , так и железнодорожные . Основная часть железнодорожных мостов строилась по проектам отдела генплана и транспорта «Норильскпроекта». Всего мостов у нас 90: 45 железнодорожных и 45 обычных. Многие мосты Норильска не сданы, очень многие находятся в стадии разработки или только начинают строиться.

В 2004 году был построен мост через реку Косую свыше 100м, который ЮНЕСКО объявила самым северным большим мостом в мире.

Для того, чтобы опоры моста не просаживались в теплую погоду, в Норильске специалисты используют охлаждающие установки - термосифоны – они поддерживают грунты в замороженном состоянии.

На железной дороге Дудинка - Норильск из общего количества 160 искусственных сооружений к большим отнесено пять, общая длина их - 0,58 км (мосты через р. Косую, Ямную, Амбарную, Далдыкан, Купец ).Мост через Амбарную , имеющий скальное основание, строился в относительно легких условиях обеспеченности электроэнергией и необходимыми материалами: в сорока метрах расположен мост узкоколейки. Мост через Ямную строился в очень сложных условиях снабжения. Рельсовая связь со стороны Норильска и Дудинки была подведена уже после окончания бетонирования опор. Цемент, металл для опор, оборудование были завезены по высокой воде плоскодонными судами из Дудинки через реку Боганидку по Ямной. Все пролетные строения для больших мостов - клепаные, они изготовлены на заводе металлоконструкций в Норильске.

Балочные мосты. Балочные разрезные мосты оправданы для перекрытия малых и средних пролетов мостов. Для больших пролетов возрастают изгибающие моменты, для создания соответствующей им несущей способности необходимо увеличивать сечение, что приводит к возрастанию собственного веса, конструкция становится неэкономичной. Более экономичными являются неразрезные и консольные системы. Экономия достигается за счет более рациональной эпюры моментов и уменьшения числа опорных частей на опору. Неразрезная система имеет плавную линию прогиба, что улучшает работу конструкции на выносливость и повышает комфортность езды. Недостатком неразрезной, как статически неопределимой, системы является чувствительность к неравномерной осадке опор и к дополнительным усилиям от ползучести и усадки бетона. Консольная система является статически определимой, поэтому она не реагирует на дополнительные усилия, но наличие шарниров ухудшает ее эксплуатационные качества. Конструкции стыков в местах шарниров от ударов колес постоянно расстраиваются, поэтому такие системы нашли большее применение в автодорожных мостах, где динамика транспортных нагрузок меньше.Рабочая арматура над опорами в сечениях с отрицательными изгибающими моментами проектируется в верхней растянутой зоне. Неразрезные и консольные мосты собирают навесным способом или продольной надвижкой.

Железобетонные фермы. Экономии материалов можно также достигнуть не только с помощью неразрезных систем, но и применением сквозных конструкций. В России и в Японии построены железобетонные фермы разрезные и неразрезные, с ездой поверху и ездой понизу, сборные и монолитные. Нижний пояс ферм и отдельные раскосы работают на растяжение, поэтому обычно конструкции ферм применяются в стальных мостах. Однако с применением предварительно напряженного железобетона появилась возможность строить и железобетонные фермы. Сечения элементов ферм могут быть прямоугольными или из круглых преднапряженных труб с соединением на фланцах или на эпоксидном клее с обжатием бетона. Железобетонные фермы собирают на подмостях.

Рамные мосты. Рама в связи с более рациональной эпюрой моментов экономичнее разрезной балки. Область применения рам – виадуки, путепроводы, эстакады. На реках с нетяжелым ледоходом применяют автодорожные рамно-консольные и рамно-подвесные мосты. Под железнодорожную нагрузку чаще применяется жесткая рама. Изготовление рамы желательно в монолитном варианте, так как на места соединений пролетных строений и опор приходятся самые максимальные усилия, а стыки сборных конструкций плохо работают в эксплуатации.

Арочные мосты. Арочная система наиболее подходящая для бетонных и железобетонных конструкций в связи с преимущественным сжатием арки и плохой работой бетона на растяжение. Длительно эксплуатируемые арочные мосты из камня и бетона до сих пор находятся в хорошем состоянии. Поскольку на сжатие арка работает всем сечением, эта система является экономичнее балочной. Однако горизонтальный распор, передаваемый арками без затяжек, требует проектирования мощных опор в крепких грунтах. Арочные мосты имеют высокие архитектурные качества, но являются достаточно трудоемкими по изготовлению. Поэтому область применения арок – мосты в населенных пунктах с повышенными архитектурными требованиями, а также, виадуки, путепроводы в сложных по пересечению районах.

Комбинированные мосты. В комбинированных мостах используется работа разных систем. Например, жесткая балка - гибкая арка, жесткая балка - жесткая арка, в неразрезных балках у опор для восприятия больших изгибающих моментов применяют подкосы или подпруги, арки или рамы устраивают с консолями. Особое место в комбинированных мостах занимают вантовые мосты с радиальным и параллельным расположением вант и железобетонной балкой жесткости. Усилия растяжения вант передаются на высокие опоры – пилоны. Сами пилоны изготавливают как из стальных канатов высокой прочности, так и из предварительно напряженных железобетонных труб. Благодаря высоким архитектурным и эксплуатационным качествам эти системы широко применяются в настоящее время.

Развитие мостовой конструктивной формы.

Древнейшими мостостроительными материалами были дерево и камень. Переброшенное через препятствие бревно послужило прототипом балочного моста, выступающие ряды положенного друг на друга плитняка – прототипом консольного и арочного моста. Древние деревянные мосты не сохранились, однако известны: римский «Свайный мост» через р. Тибр (7 в.до н.э.), наплавные мосты Дария через Дунай, Ксеркса через Геллеспонт и т.д., балочный мост Юлия Цезаря через Рейн, арочный мост Траяна через Дунай и др.

Деревянные мосты средних веков и эпохи Возрождения можно разбить на 2 группы: подвижные (крепостные, подъемные) и дорожные, имевшие в основном простую балочную форму – деревянные прогоны, положенные на свайные или каменные опоры. Широкое применение подкосных систем в стропильных фермах перекрытий больших залов и церквей стимулировало переход к подкосным фермам в мостостроении. В 17 в. появились арочно-подкосные системы, способные перекрывать пролеты до 20 м. Увеличение размеров этих ферм в 18в. до рекордного пролета в 119м привело к чрезмерному усложнению этой схемы и показало, что дальнейшее удлинение пролётов нецелесообразно.

Основная форма каменных мостов – арочная. Арочная форма, обычно без правильного расположения арочных клиньев, была известна в Древнем Египте, Нубии, Месопотамии, Передней Азии. Замечательными произведениями строительной техники и искусства являются древнеримские арочные мосты пролетами до 35 м и знаменитые акведуки. Часто мосты украшались рустикой и архивольтами, триумфальными арками.

В раннем средневековье в Испании арабами был создан ряд выдающихся сооружений; значительное развитие получило мостостроение в Византии; в 11-13 вв. лучшие мосты строились в Западной Европе. Феодальная разобщенность привела к тому, что мосты приобрели значение пограничных опорных пунктов; отсюда появление военных сооружений, слитых с мостом в своеобразный архитектурный ансамбль. В целом же в средние века, в связи с общим культурным упадком, строительство мостов деградировало: опоры каменных мостов стали толще, вместо полуциркульных арок строились стрельчатые, более легкие для возведения, но менее удобные для организации проезда. Возрождению искусства мостостроения способствовал созданный в 12 в. в Южной Франции монашеский орден «мостовых братьев» - строителей мостов. Пролеты увеличились, арки стали положе и снова приобрели круговое очертание. Значительные в техническом и художественном отношении мосты сооружались в других странах Западной Европы, например Карлов мост в Праге и др.

В России мосты известны с древнейших времен. «Повесть временных лет» сообщает о постройке моста в середине 10 в. Мосты были деревянные, через большие реки обычно наплавные. Большие постоянные мосты строились на ряжевых опорах, например знаменитый мост через Волхов в Новгороде. При пересечении оврагов ряжи, заполненные камнями, нередко образовывали сквозную дамбу – «греблю», по которой прокладывалась дорога. Мостовые формы удовлетворяли тогдашним потребностям, поэтому дальнейшая эволюция мостов происходила медленно; в 14-17 вв. строили те же наплавные мосты при пересечении больших рек, мосты на ряжах и «гребли». Широкое применение мостов при военных операциях говорит о том, что мостовое де6ло было вполне освоено. Широкое развитие строительство мостов получило в Армении и Грузии, где каменные мосты были известны с глубокой древности; по форме они напоминают мосты античные и древнеперсидские. Некоторые мосты отличаются большой смелостью выполнения. К их числу относятся мост на реке Беслети, Санаинский мост.

В эпоху Возрождения мосты приобрели современную конструктивную форму в отношении пологости арок, очертания ( круговое и коробовое, эллиптическое), расположения клиньев и т.д. Характерным для этой эпохи является мост Санта-Тринита во Флоренции. Для средних веков и эпохи Возрождения характерен тип моста-рынка с лавками по обеим сторонам, отвечавший требованиям развивавшейся буржуазии, - Понте-Веккьо во Флоренции, мост Риальто в Венеции.

В 17-18 вв. лучшие каменный мосты строились во Франции. В 1716 там был учрежден «Корпус мостов и дорог»; в это время начался переход от эмпирических приемов конструирования к расчету мостов. В результате форма мостов стала значительно более изящной и легкой, в ряде случаев появилось надарочное строение в арочных мостах, существенно уменьшилась толщина опор, которые иногда заменялись отдельными столбами. Некоторые мосты, построенные французским инженером Перроне и его учениками, удивляют до сих пор смелостью решения.

Первый российский каменный мост (Троицкий) был построен в начале 16 в. через р. Неглинку у стен Кремля. Однако развитие каменных мостов происходило весьма медленно; постройка Большого Каменного (Всехсвятского) моста через р. Москву во 2-ой половине 17 в. считалась задачей исключительной трудности.

В 18 в. в России в основном продолжалось строительство деревянных мостов; первые мосты в Петербурге, а также на «перспективе» Москва – Петербург были деревянными – свайными и наплавными. В конце 18в. началось усиленное строительство каменных мостов коробового очертания, весьма совершенных по своей конструктивной форме.

Интенсивное развитие капиталистического производства, а также транспорта с конца 18в. обусловило подъем мостостроения на более высокий уровень; вначале появляются металлические – чугунные, затем железные мосты и, наконец, железобетонные; каменные мосты потеряли своё прежнее значение, деревянные строились как мосты местного назначения или временные.

Широкое строительство железных дорог, обусловивших значительное увеличение расчетной нагрузки, стимулировало применение балочных мостов, а также использование железа в мостостроении. В конце 19в. металлургия давала уже достаточно железа и был разработан процесс клёпки; это открыло возможность применения железных конструкций. Первые железные балочные железнодорожные мосты строились по принципу арки и цепи, однако это направление оказалось слишком сложным и не получило развития; появились чугунно-железные конструкции, в которых нижняя, растянутая часть балки выполнялась из железа. В дальнейшем чугунная часть конструкции уменьшалась в размерах и позже чугун совсем перестали применять. В развитии железных пролетных строений с ездой понизу можно отметить 3 направления:1)Устройство пролетного строения в виде четырехгранной железной трубы, внутри которой размещен проезд. Это решение привело к крайне тяжелым конструкциям с очень большой затратой металла; вскоре оно было оставлено, а сплошные балки сохранились только при езде поверху при небольших пролетах. 2)Устройство пролетного строения из двух балок(ферм) со сквозной (решетчатой) стенкой, между которыми располагалась проезжая часть; фермы соединены связями. В этом направлении развивалось европейское мостостроение; совершенствование конструкции происходило путем упрощения решетки. 3)Укрепление чугунного или железного бруса шпренгелями и тягами, превращающее систему в сквозную ферму, имеющую жесткий чугунный или железный пояс и растянутые элементы в виде тяг на болтах.

Области применения.

Балочное пролетное строение является системой безраспорной и передает на опоры в основном вертикальные усилия. Распорные арочные системы передают на опоры и горизонтальные усилия большой величины. Распорные пролетные строения более легки , имеют меньшие высоты: высота балочного пролетного строения составляет 1/12 – 1/6 пролета , высота (толщина) арок составляет 1/25 – 1/40 пролета. Арки красивее, чем балки. Однако наличие распора требует более тяжелых массивных опор и возможно более низкого расположения пят. Это не представляет трудности при каменных и железобетонных мостах, но при стальных и деревянных арках, пяты которых должны располагаться выше горизонта высоких вод, приводит к необходимости устройства высоких опор. Преимущества арок понижаются и при слабых грунтах.

Висячие мосты весьма легки, экономичны, имеют транспортабельные элементы, легко и быстро монтируются и устанавливаются на месте. Препятствием к их распространению явилась сравнительная трудность возведения опор для них на слабых грунтах и недостаточная жесткость многопролетных висячих мостов, возводимых при большой ширине рек

Балочные пролетные строения могут быть разрезными, неразрезными и консольными. Неразрезные и консольные балки являются системами уравновешенными, в которых действие постоянной нагрузки уменьшено. Поэтому они рациональны при возведении тяжелых мостов. Неразрезные мосты отличаются высокими эксплутационными качествами, они наиболее красивы и менее высоки. Недостаток их – тесная связь с местными условиями и отсюда – уникальность. Последнее особенно существенно для стальных мостов; для железобетонных этот недостаток менее существенен. Консольные мосты представляют собой четкое чередование консольных и подвесных элементов и более отвечают задачам типизации. Однако большая гибкость консолей ухудшает их эксплуатационные качества при тяжелой нагрузке, поэтому на железных дорогах они применяются редко и наиболее распространены на автодорогах. Всё сказанное относится и к арочным мостам. Неразрезанность и консольность в арочных мостах уменьшает распор, а с ним кубатуру опор, но при этом уменьшается и разгружающий эффект распора, вследствие чего экономия на пролетном строении получается меньше, чем при балочном мосте, и конструкция становится менее жесткой.

Основные размеры мостов.

Основными размерами являются: величина отверстия, величина расчетного пролета, ширина пролетного строения или расстояние между осями ферм, высота пролетного строения и превышение низа конструкции над отметкой меженного горизонта вод.

Величина отверстия определяется пропуском наибольшего (расчетного) расхода воды во время половодья и при наибольшем возможном ливне ( для малых мостов). Величина пролета (отверстие пролета) для несудоходных рек и несудоходных частей судоходных рек определяется экономическими условиями; в качестве первого приближения принимают для балочного моста такой пролет, чтобы стоимость главных ферм со связями равнялась стоимости опоры. Аналогичное условие возможно и при арочных мостах. Отверстия пролета над судоходными частями рек ограничиваются судоходными подмостовыми габаритами. В зависимости от условий судоходства, величины судов и других факторов мостов. Отверстие пролета определяет расчетный пролет. Он фиксирован только для мостов, имеющих опорные части: балочных и шарнирных арочных, представляя собой расстояние между осями опорных частей. Малые балочные мосты и бесшарнирные арочные не имеют четко фиксированного расчетного пролета. В соответствии с величиной судоходных габаритов расчетные пролеты средних и больших балочных разрезных стальных железнодорожных мостов модулированы с модулем 11м от 22м до 132м; существует тенденция распространить модулирование на все балочные мосты. Малые балочные мосты рационально типизировать по отверстиям.

Ширина пролетного строения и расстояние между осями ферм определяются в основном габаритом проезда. Железнодорожный габарит 2-С имеет ширину при одиночном пути 4,9 м, что может дать при езде понизу расстояние между осями ферм 5,8 м, для пролетов до 110м при однопутном движении. При езде поверху наиболее рациональное расстояние между осями ферм, с точки зрения упрощения проезжей части, составляет 2м для пролетов до 33м, с увеличением при больших пролетах.

Автодорожные мосты имеют основные габариты проезда 7 м при 2 полосах движения, 14 м при 4 полосах движения. Это дает при езде понизу и стальных пролетных строениях расстояния между осями ферм в 8м и 15,5м. При езде поверху расстояние может изменяться в широких пределах, начиная от 2 м. Имеется тенденция к увеличению числа ферм и сокращению расстояния между ними с целью упрощения проезжей части. Городские мосты не имеют модулированных габаритов проезда, что затрудняет их типизацию. Если принять ширину городских мостов в 7, 14 и 21м, то она будет соответствовать широтным размерам, установленным для автодорожных мостов.

Из высотных размеров мостов балочной системы основным является высота на опоре и посередине пролета; высота на опоре (разность отметок верха проезда и верха опоры) связывает отметку проезда с отметкой горизонта меженных вод и другими горизонтами (через высоту опоры). Это расстояние для каждой системы может быть сведено к модульному ряду, мало зависящему от материала моста, что может значительно упростить типизацию опор и устоев. От разности отметок верха проезда и верха судоходного габарита зависит строительная высота моста. Величина строительной высоты определяет расположение езды и является основной для выбора системы пролетного строения, которое при езде поверху должно поместиться в пределах строительной высоты. Невозможность такого размещения вызывает применение езды понизу, менее выгодной по затрате материала.

Высота пролетного строения посередине пролета зависит от системы, материала и требуемой жесткости. Для балочных стальных разрезных пролетных строений железнодорожных мостов она устанавливается в 1/10 – 1/6 пролета, а для автодорожных в 1/12 -1/7 пролета. Неразрезные и консольные мосты могут быть ниже и притом относительно тем ниже, чем больше постоянная нагрузка. Так, у тяжелых городских мостов указанное соотношение доходит до 1/20 – 1/30. Железобетонные мосты могут быть ниже остальных; для железнодорожных балочных разрезных мостов соблюдается соотношение 1/12 – 1/10; для автодорожных неразрезных и консольных 1/30 – 1\15.

В арочных мостах стрела подъема арки может быть от 1/3 – 1/16 пролета без существенного изменения веса пролетного строения. Толщина арки берется в 1/25 – 1/60 пролета, как для стальных, так и для железобетонных мостов.

Расстояние от меженного горизонта воды до низа конструкции в судоходных отверстиях определяется высотой судоходного габарита, которая отмеривается от судоходного горизонта (несколько более низкого, чем горизонт самых высоких вод).

Материал и нагрузка мостов.

Основным материалов стальных мостов является сталь-3 мостовая мартеновская, качество которой определяется государственным стандартом. Предел текучести мостовой стали-3 σт=24 кг/мм2 . Приемка стали-3 мостовой производится более строго, чем обычной стали-3 (требуется определение ударной вязкости и т.п.). Сварные мосты строятся из успокоенной стали с дополнительным ограничением по химическому составу. Для тяжелых мостов используется также сталь повышенного качества НЛ2 с пределом текучести σт= 34 кг/мм2.

В железобетонных мостах применяется бетон марок от 150 до 600, приготовленный на силикатном цементе. Кроме обычной круглой арматуры (сталь-3), используется и арматура периодического профиля (из стали-5), увеличивающей сцепление с бетоном, а также холоднокатаной высокопрочной проволоки и стали повышенного качества в предварительно напряженных пролетных строениях. В каменных и бетонных мостах употребляется естественный камень марки не ниже 300, кирпич марки не ниже 300 и бетон марок 150, 200 и 300. Не так давно разработали новый бетон. Новый класс композитных материалов Engineered Cementitious Composites (ECC) принято называть попросту «гибкий бетон». В его толще микроскопические полимерные волокна, снабженные особым покрытием, не схватываются намертво, а способны под нагрузкой скользить относительно друг друга. В результате балка из ECC может гнуться, не трескаясь. Этот материал уже использовался для изготовления гибких стяжек в Мичиганском мосту. Кроме того, из него сделаны соединительные балки в 41-этажной башне, которую построили в Йокогаме. Мы думаем, что такой «гибкий бетон» можно использовать при строительстве мостов в Норильске.

Для деревянных мостов применяется древесина хвойных и лиственных пород, имеющая временное сопротивление (при влажности в 15%) на сжатие вдоль волокон не менее 350 кг/см2, при статическом изгибе 600 кг/см2 и при скалывании вдоль волокон 60 кг/см2. Древесина для сопряжений (шпонки, нагели, вкладыши) должна быть твердых лиственных пород.

Постоянная и временная вертикальные нагрузки и центробежная сила составляют основные расчетные сочетания нагрузок моста, ветровая, тормозная и воздействие температуры – дополнительные, при учете которых возможно уменьшение коэффициента запаса прочности.

Современная расчетная схема временной нагрузки на железнодорожные мосты была установлена в 1931 году в виде стандартного поезда из 2 пятиосных паровозов трубами вперед, четырехосных тендеров и сплошной вагонной нагрузки. Модулем нагрузки является интенсивность вагонной нагрузки в тоннах на погонный метр; давления осей паровозов и тендеров пропорциональны этому модулю. Определение усилий при расчете производится не по схеме, а по равномерно распределенной нагрузке, которая по своему воздействию эквивалентна расчетной схеме; индекс эквивалентной нагрузки подбирается так, чтобы она с должным запасом огибала существующие нагрузки.

Методика установления постоянной нагрузки (собственного веса конструкции) хорошо разработана; имеются формулы и коэффициенты, облегчающие определение её с достаточной точностью.

Основной горизонтальной нагрузкой является ветровой напор; для железнодорожных мостов он принимается равным 125 кг/м2 - при нахождении на мост подвижного состава, и 225 кг/м2 – при его отсутствии; для прочих мостов ветровой напор берется по стандарту. При сквозных системах ветровая нагрузка на поверхность обеих ферм принимается как произведение ветрового напора на площадь фермы по её контуру и коэффициент сплошности, меньший 1.

Прочие нагрузки – центробежная сила и торможение – имеют меньшее значение; для статически неопределимых систем существенна температура.