Лекция по "Строительству"

Лекция 1.

1.1. Общие  сведения о висячих и вантовых мостах. Классификация висячих и вантовых мостов.

1.2. Назначение  генеральных размеров висячих и вантовых мостов.

 

1.1. Общие сведения о висячих и вантовых мостах.

Классификация висячих и вантовых мостов.

 

Область применения. Достоинства и недостатки

 

Висячими называются мосты, в пролетных строениях которых главными несущими элементами являются растянутые, гибкие, криволинейные нити (кабели или цепи), поддерживающие с помощью подвесок балку жесткости и передающие усилия на пилоны (рис. 1.1). Вантовыми называются мосты, пролетные строения которых состоят из балок жесткости и поддерживающих их растянутых, гибких, прямолинейных стержней - вант, закрепленных на пилонах (рис. 1.2).

 

Рис. 1.1. Висячий мост: 1 - подвеска; 2 - нить; 3 - оттяжка: 4 - анкерная опора;

5 - пилон: 6(6') - балка (ферма) жесткости; l - пролет моста;

N_k - усилие в оттяжке (кабеле); Н - распор

Рис. 1.2. Вантовые мосты: 1 - оттяжка; 2 - подвеска; 3 - ванты; 4 - анкерная опора:

5 - пилон; 6 - балка жесткости; l - главный пролет; l₁ - боковой пролет

 

Как видно из рис. 1.1 и 1.2, у висячих  и вантовых мостов, действительно, много  общего: балка (ферма) жесткости, пилоны, оттяжки, анкерные опоры, подвески. Но главное отличие в том, что является основным несущим элементом: если криволинейная нить, то мост - висячий, если прямолинейные ванты - то вантовый. Причем нити и ванты работают только на растяжение и представляют собой гибкие элементы (в очень редких случаях ванты могут быть жесткими).

Висячие и вантовые мосты применяются для перекрытия самых больших пролетов, а также там, где они являются единственно возможными конструкциями: для преодоления горных ущелий, крупных водных преград с интенсивным судоходством, сложными гидрологическими и геологическими условиями, когда затруднено или невозможно строительство промежуточных опор. Но в ряде случаев висячие и вантовые мосты успешно конкурируют с другими системами и в области средних и больших пролетов. На рис. 1.3 в наглядной форме показаны возможности различных конструкций. В табл. 1.1 приведены ориентировочные диапазоны пролетов для висячих и вантовых мостов.

Висячие и вантовые мосты обладают рядом неоспоримых достоинств по сравнению с другими системами:

1. перекрывают сверхбольшие пролеты (500...1500 м);
2. высоко экономичны, т.е. минимальный расход материалов (или стоимость) на 1 м² полезной площади моста;
3. возможность применения кабеля и вант для монтажа балки жесткости без использования временных опор (рис. 1.4), что существенно сокращает трудоемкость и время строительства;
4. обеспечивают разнообразие конструктивных форм, что определяет архитектурно-эстетические достоинства данных мостов, их современный вид.

 

Рис. 1.3. Область применения различных мостов

 

Рис. 1.4. Схемы монтажа висячих и вантовых мостов

Таблица 1.1

Рекомендуемые диапазоны пролетов, м

Назначение моста	Железнодорожный	Автодорожный	Пешеходный	Трубопроводный
Висячий	100...1000	500...2000	100...800	100...1500
Вантовый	40...500	100...700	60...800	100...800

 

Висячие и вантовые конструкции превосходят другие системы по ряду факторов. Во-первых, применение высокопрочных материалов. Кабели и ванты изготавливают из высокопрочной проволоки, и их расчетное сопротивление R_k= 400...600 МПа в 1,5...2,5 раза больше, чем у прокатного металла (R_y=270...295 МПа). Во-вторых, рациональное использование этих материалов: кабели и ванты работают только на растяжение, действующее вдоль оси элемента; отсутствуют ослабления поперечных сечений кабеля и вант, сводятся к минимуму концентрации напряжений в них. В-третьих, балка жесткости существенно облегчается за счет того, что ванты и подвески с кабелем можно рассматривать как промежуточные опоры, пружинного действия: чем больше прогиб балки, тем сильнее реакция этой опоры. Работа балки жесткости в этом отношении аналогична работе балки на упругом основании.

Совокупность трех рассмотренных  факторов по расходу материалов на пролетное строение дает суммарный  эффект в 4...5 раз больше по сравнению с другими системами. Сопоставим отношение высоты балки к ее длине (h/l): для обычной балки, фермы оно порядка 0,1, а для висячих и вантовых мостов в 10 (!) раз меньше - h/l = 0,01. Это обусловлено действием четвертого фактора - балка жесткости практически избавлена от работы на собственный вес и воспринимает только временную подвижную нагрузку, и то в составе комбинированного пролетного строения («нить-балка»), за счет специального порядка монтажа, который обеспечивает передачу всей постоянной нагрузки на кабель.

На рис. 1.5 показан порядок монтажа: стадия 1 - вывешивание кабеля (рис. 1.5, а); стадия 2 - подвешивание к кабелю через подвески отдельных участков балки жесткости, соединенных между собой шарнирно (рис. 1.5, б). Совершенно очевидно, что подобная гибкая «цепь» не работает на изгиб от собственного веса балки, который полностью воспринимается кабелем. Стадия 3 - заглушение шарниров в балке, приводящее конструкцию к требуемому состоянию: усилие в кабеле есть, а изгибающие моменты в балке близки к нулю (рис. 1.5, в). Появляющаяся после этого на мосту временная подвижная нагрузка распределяется между кабелем и балкой в соответствии с их жесткостями Е_кА_к и ЕI_б. 

Балку жесткости вантовых мостов также  можно освободить от восприятия постоянной нагрузки, хотя технологически сделать это гораздо сложнее. Кроме того, в вантовых системах проводится регулирование усилий в балке жесткости, что значительно уменьшает изгибающие моменты в ней.

 

Рис. 1.5. Стадии монтажа висячих мостов

 

Более широкому распространению висячих  и вантовых мостов препятствует ряд их неотъемлемых недостатков, вытекающих из их достоинств:

1. Малая вертикальная жесткость.
2. Малая горизонтальная жесткость, что является следствием существенного увеличения пролета при достаточно малой ширине мостов В, особенно пешеходных и железнодорожных. Поэтому отношение В/l  у висячих и вантовых мостов доходит до 0,02...0,01, что на порядок меньше аналогичной величины у других мостов (В/l = 0,1..0,15).
3. Повышенная чувствительность к динамической и ветровой нагрузке, что вытекает из первых двух недостатков. При возрастании пролета l отношения h/l и В/l уменьшаются настолько, что можно балку жесткости висячего или вантового моста сравнить с натянутой струной, весьма чувствительной к любым колебаниям.
4. Значительный расход бетона на сооружение анкерных опор.

 

Классификация висячих мостов

 

Висячие мосты можно классифицировать по следующим критериям:

1 - по назначению моста. Выделяют висячие мосты - железнодорожные, автодорожные, городские, пешеходные, трубопроводные, совмещенные.

2 - по числу пролетов. Различают четыре типа висячих мостов - однопролетные (рис. 1.1), двухпролетные (рис. 1.6, а), трехпролетные (рис. 1.6, б) и многопролетные (рис. 1.6, г).

Рис. 1.6. Типы и системы висячих мостов

 

Наиболее распространены одно- и  трехпролетные системы, которые  наилучшим образом перекрывают водные преграды. Двухпролетные мосты проектируются редко, когда возможна установка промежуточных опор. Многопролетные системы не находят применения вследствие большой длины кабеля, что приводит к значительным температурным деформациям либо требует установки массивных анкерных опор в середине мостового перехода.

3 - по материалу балки жесткости: металлические, железобетонные и сталежелезобетонные.

4 - по материалу несущей нити:

• кабельные висячие мосты, имеют нить, выполненную из канатов или высокопрочной проволоки;
• цепные висячие мосты, нить которых выполнена из прокатного металла (с 40-х гг. практически не используется, так как цепь получается тяжелой и трудоемкой).

5 - по восприятию распора:

• распорные мосты, у которых усилие в оттяжке передается на анкерную опору (рис. 1.1);
• внешне безраспорные мосты, у которых распор воспринимается балкой жесткости (рис. 1.6, а, б).

Во внешне безраспорных конструкциях балка работает не только на изгиб, но и на сжатие, что увеличивает расход материала. Но зато у данных систем отсутствуют весьма дорогостоящие анкерные опоры.

6 - по распределению нагрузки между нитью и балкой:

• гибкие висячие мосты, у которых изгибная жесткость балки  настолько мала, что всю нагрузку практически несет гибкая нить, а балка является элементом проезжей части;
• комбинированные висячие мосты, у которых временная нагрузка распределяется между гибкой нитью и достаточно жесткой балкой.

Мосты первого типа в настоящее  время практически не строятся, за исключением легких, как правило, временных переходов. Поэтому термин «комбинированный» для большинства современных висячих мостов обычно опускается, если имеются в виду мосты этого типа.

Вопрос рационального распределения  нагрузки между кабелем и балкой требует отдельного рассмотрения, так как соотношение осевой жесткости кабеля Е_кА_к и изгибной жесткости балки ЕI_б - весьма важный параметр конструкции (Е_к, Е - соответственно модули упругости кабеля и балки, А_к - площадь поперечного сечения кабеля, I_б - момент инерции балки).

7 - по геометрической схеме. На рис. 1.6 приведены наиболее распространенные типы пролетных строений. Конструкции рис. 1.1, 1.6, а-г называют классической системой «нить-балка», а конструкции, показанные на рис. 1.6, д-к, относят к системам повышенной жесткости, вертикальные прогибы которых в сравнении с системой «нить-балка» меньше на 30...50 %. Этого добиваются за счет: применения двух кабелей (система С.А. Цаплина - рис. 1.6, д); прикрепления кабеля к балке жесткости - рис. 1.6, е, постановки восходящих (слева) или нисходящих вант - рис. 1.6, ж; использования наклонных подвесок - рис. 1.6, з; применения обратного, предварительно напряженного кабеля - рис. 1.6, и; комбинации различных способов, например, прикрепления к балке кабеля и наклонных подвесок (рис. 1.6, к).

Все приемы увеличения жесткости однопролетных  мостов относятся в равной мере и  к трехпролетным системам. При  этом трехпролетные висячие мосты  могут быть с подвешенными и неподвешенными боковыми пролетами, с разрезной и неразрезной балкой жесткости (рис. 1.6, б, в).

 

Классификация вантовых мостов

 

Классификация вантовых мостов также  проводится по семи основным критериям. Первые три из них аналогичны критериям висячих мостов: по назначению, числу пролетов, материалу балки жесткости. Единственное отличие в том, что двухпролетные висячие мосты практически не встречаются, а аналогичные вантовые (рис. 1.2, б) - одни из самых распространенных. Кроме того, вантовые мосты с числом пролетов более трех, как правило, не строят.

4 - по материалу вант:

• мосты с гибкими вантами, изготовленными из канатов;
• мосты с жесткими вантами, выполненными из проката или из канатов с оболочкой из предварительно напряженного железобетона.

5 - по восприятию распора:

• распорные вантовые мосты (обычно однопролетные) - рис. 1.7, а, б;
• безраспорные, или, как их называют, вантово-балочные мосты, получили наибольшее распространение в последние 20...30 лет (рис. 1.7, в-ж).

В зарубежной литературе вантово-балочные мосты (двух- и трехпролетные) не без основания именуются символом современного мостостроения. В английском языке они получили термин cable-stayed bridge в отличие от висячих мостов, называемых suspension bridge.

6 - по числу плоскостей вант. Этим критерием они отличаются от висячих мостов, у которых всегда две плоскости. У вантовых мостов встречаются одна или две плоскости вант (рис. 1.7, з).

Рис. 1.7. Типы и системы  вантовых мостов

 

7 - по геометрической схеме. По этому критерию вантовые мосты также делятся на две группы:

1. решетчатые вантовые фермы (см. рис. 1.2, а, 1.7, а), имеющие специально подобранную схему расположения вант, обеспечивающую их постоянную работу на растяжение и геометрическую неизменяемость. Данные конструкции были весьма распространены в прошлом (особенно в 30-е гг.), сейчас они не строятся из-за большой трудоемкости и относительно малых пролетов;
2. вантово-балочные мосты, т. е. конструкции, геометрически не изменяемые за счет совместной работы с балкой, предельно простые по схеме и весьма эффективные по расходу материалов и трудоемкости (рис. 1.7, б-ж).

В зависимости от расположения вант различают вантово-балочные мосты следующих систем: «пучок», или радиальная (рис. 1.7, б), «арфа», или ярусно-параллельная (рис. 1.7, в), «веер», или ярусно-расходящаяся (рис. 1.7, г), «звезда», или ярусно-сходящаяся (рис. 1.7, д), смешанная система, например, «арфа-пучок-веер» (рис. 1.7, е), многовантовая система с числом вант более 4-5 с одной стороны пилона, как правило, «арфа» или «веер» (рис. 1.7, ж).