13

12. АРОЧНЫЕ МОСТЫ

12.1. Основные особенности арочных мостов

Разрезные балочные пролетные строения из обычного железобетона могут быть перекрыты пролеты длиной не свыше 20…30 м, а неразрезными – до 50…60 м. Наибольший пролет, перекрытый балочно-консольной системой из обычного железобетона, составляет 78 м. Бόльшие пролеты могут быть перекрыты балочными системами только при использовании предварительно напряженного железобетона.

В арочных мостах без применения предварительного напряжения могут быть перекрыты еще бόльшие пролеты.

Основным несущим элементом арочного моста является арка, вследствие чего в опорных сечениях от вертикальных нагрузок возникают не только вертикальные, но и горизонтальная опорная реакция (распор). Если опорные сечения защемлены в опорах, возникают также опорные моменты (рис. 12.1).

Рис. 12.1

По статической схеме арки могут быть бесшарнирные, одно-, двух- и трехшарнирные. Увеличение числа шарниров уменьшает чувствительность к температурным воздействиям, которая у трехшарнирных арок отсутствует. Трехшарнирные арки также не чувствительны к смещениям опор – горизонтальным или неравномерным вертикальным. Бесшарнирные, одно- и двухшарнирные арки чувствительны к смещениям опор.

В общем случае в сечениях арки действуют изгибающие моменты М, поперечная сила Q и продольная сила N. Из-за распора изгибающие моменты в арке меньше, чем в балке аналогичного пролета:

Рис. 12.2

Так, для двухшарнирной и трехшарнирной арки (рис. 12.2)

М_а = М_б – Ну.

Так как на продольную силу материал работает всем сечением, а изгибающие моменты меньше, арочная конструкция должна быть экономичнее балочной. Однако, увеличивается материалоемкость и стоимость опор, так как на них действует распор. Для уменьшения его влияния пяты арок располагаю возможно ниже.

От количества шарниров зависит величина изгибающих моментов. Особенно значительные моменты возникают в одношарнирных арках на приопорных участках (рис. 12.3).

Рис. 12.3

Так как одношарнирные арки обладают высокой чувствительностью к температурным воздействиям, так и к смещениям опор, а жесткость их снижается очень резко по сравнению с бесшарнирными и не намного выше, чем у двух- и трехшарнирных, одношарнирные арки практически не применяются.

Так как арки являются криволинейными элементами, то для обеспечения проезда необходимо устройство специальной конструкции – надарочной при езде поверху и подвешенной к арке проезжей части при езде понизу.

12.2. Арочные мосты с ездою поверху

В простейшем случае железобетонные арочные мосты могут быть выполнены по типу каменных – со сплошным сводом. Пространство над сводом ограждено боковыми щековыми или надсводными стенками и заполнено тощим бетоном (рис. 12.4).

Рис. 12.4

Так как при изменении температуры длина свода и щековых стен меняется, а расстояние между устоями остается неизменным, стены для исключения возникновения трещин отделяются от устоев деформационными швами.

Недостаток конструкции – большой расход материалов и очень большой вес. Такие конструкции характерны для мостов из камня, но не из железобетона, который может работать не только на сжатие.

Существенно облегчить конструкцию можно, сделав в надсводном строении проемы поперек оси моста. При этом образуются поперечные стойки-стенки, на которые опирается плитная проезжая часть (рис. 12.5).

Рис. 12.5

При расстоянии между стойками-стенками d свыше 4…5 м плитная проезжая часть становится не экономичной. Поэтому при увеличении d целесообразно перейти на ребристую проезжую часть (рис. 12.6).

Рис. 12.6

При этом требуется не стенка-стойка, а отдельные стойки, так как необходимо поддерживать не широкую плиту проезжей части, а лишь ребра. Отдельные ребра и стойки соединяются диафрагмами. При большой высоте стойки дополнительно могут соединяться распорками.

Ширина свода В_св зависит от длины пролета

В_св ≥ ¹/₂₀ l.

При пролетах свыше 50…60 м ширина свода может превысить расстояние между ребрами, которое для железнодорожных мостов составляет 1,8…2,0 м. При этом оси стоек могут не совпадать с ребрами (рис. 12.7).

Рис. 12.7

Конструкция широко свода плохо увязывается с особенностями сосредоточенной дискретной передачей нагрузки на свод отдельными стойками.

Поэтому с точки зрения характера работы такой конструкции и с целью экономии материала целесообразен переход от широкого свода к отдельным арками, соединяемыми обычно распорками в местах опирания на них стоек (рис. 12.8).

Рис. 12.8

Если из условий поперечной жесткости пролетного строения расстояние между арками больше расстояния между ребрами проезжей части, то стойки можно поставить по оси арки, связав их поверху диафрагмой – поперечной балкой и образовав таким образом П-образные рамы, на которые опереть продольные балки (ребра) проезжей части (рис. 12.9).

Рис. 12.9

Возможно и иное решение – установить наклонные стойки. Для сохранения одинакового наклона всех стоек плоскости арок должны быть установлены под тем же углом. При этом в замке арки могут сливаться, образуя свод (рис. 12.10).

Рис. 12.10

В широких автодорожных мостах проезжая часть может включать несколько продольных балок, опирающихся каждая на отдельные арки (рис. 12.11, а). Можно сконцентрировать материал, уменьшив число арок и опирающихся на них стоек (рис. 12.11, б). При этом образуются мощные поперечные балки, но в целом можно получить экономию материала.

а) б)

Рис. 12.11

Арки воспринимают значительные сжимающие усилия, а также изгибающие моменты, что определяет тип поперечного сечения арок.

Простейшее сечение – прямоугольное сплошное. Более экономичным может оказаться двутавровое сечение. При больших нагрузках переходят к коробчатым аркам и сводам (рис. 12.12).

Рис. 12.12

При работе арки деформируются, вызывая деформации проезжей части. При этом наиболее нагруженными оказываются средние, наиболее короткие стойки, что может привести к их выходу из строя. Поэтому наиболее короткие стойки устраивают с шарнирными опираниями по концам либо отделяют проезжую часть в замке от арок, обеспечивая независимую деформацию арок и проезжей части (рис. 12.13).

Рис. 12.13

12.3. Особенности арочных мостов с ездой понизу и посередине

Арочные мосты с ездою поверху имеют большую строительную высоту. Поэтому при недостаточном строительном просвете переходят к езде понизу или посередине. При этом пяты арок поднимают до уровня, обеспечивающего необходимую высоту Н_Г подмостового габарита, что резко увеличивает моменты, возникающие от распора, так как увеличивается высота точки приложения распора к опоре.

Поэтому для подобных случаев допускается изменять очертания подмостового габарита, принимая их со срезанными верхними углами, и несколько опустить пяты арок, перейдя к езде посередине – у опор езда осуществляется поверху, а в средней части – понизу (рис. 1214).

Рис. 12.14

При этом на среднем участке стойки заменяют подвесками, к которым прикрепляют поперечные балки, на которые опираются продольные балки проезжей части рис. 12.15).

Рис. 12.15

Важнейшей особенностью арочных мостов с ездою понизу и посередине является принятие мер по предотвращению передачи распора с арок на проезжую часть. С этой целью в проезжую часть вводят разрезы, используя сдвоенные подвески.

Для решения задачи достаточно одного разреза, но получается неблагоприятный внешний вид из-за сдвоенных подвесок в средней части пролетного строения. Введение двух разрезов А и В лучше с архитектурной стороны, но осложняет передачу тормозных сил на арку со среднего участка АВ проезжей части: тормозные силы должны быть переданы длинными гибкими подвесками (рис. 12.16).

Рис. 12.16

Сдвоенные подвески придают конструкции неблагоприятный внешний вид. Поэтому находит применение другое решение: введение одной панели проезжей части в виде разрезной балочной конструкции, опирающейся через опорные части обычного типа на смежные поперечные балки (рис. 12.17).

Рис. 12.17

Недостатком такого решения, а также решения со сдвоенными подвесками, особенно расположенными в замке, является сложность передачи ветровой нагрузки на арки – ветровые связи работают по консольной схеме.

Работу на ветровую нагрузку можно значительно улучшить, если разрезы в проезжую часть ввести в местах пересечения проезжей части с арками, поставив там распорки и оперев на них проезжую часть с одной стороны шарнирно подвижно, с другой – шарнирно неподвижно. Недостаток – значительные усилия в наиболее короткой подвеске со стороны подвижной опорной части (рис. 12.18).

Рис. 12.18

Наибольшее распространение получило использование подвесной панели проезжей части.

Интересным примером конструкции арочного моста с ездой посередине является мост через канал имени Москвы в Химках под четырехпутную железную дорогу (рис. 12.19). На этом мосту для исключения передачи распора на проезжую часть использована подвесная панель проезжей части, а также сделаны разрезы проезжей части в местах пересечения ее с арками.

Рис. 12.19

12.4. Опоры арочных мостов

12.4.1. Назначение и основные требования к опорам арочных мостов

Назначение опор арочных мостов и требования, предъявляемые к ним, такие же, как и в балочных мостах. Однако, есть особенности, определяемые особенности именно арочных мостов.

1. Необходимость восприятия распора, вследствие чего значительно усложняется работа как самих опор, так и их фундаментов.

2. Опорные реакции от вертикальной нагрузки из-за наличия распора действуют под некоторым углом к вертикали, поэтому опорные площадки не горизонтальны, а наклонны. Обычно опорные площадки устраивают перпендикулярно продольной оси арок в опорных сечениях.

3. Несущие конструкции арочных мостов – арки или арочные своды у опор как правило находятся гораздо ниже, чем проезжая часть. Поэтому необходимо обеспечить проезд транспорта на участках, расположенных над промежуточными опорами, имеющими как правило большую толщину.

12.4.2. Устои арочных мостов

На устои арки и арочные своды передают, помимо вертикальной нагрузки, односторонний распор как от временной, так и от постоянной нагрузок. Поэтому устои арочных мостов необсыпные, более тяжелые и сложные, чем балочных мостов (рис. 12.20).

Рис. 12.20

Пространство над устоем с боков ограничено обратными стенками, входящими в насыпь. Засыпка между обратными стенками осуществляется крупным чистым песком, гравием и аналогичным грунтом.

Так как засыпка между стенками создает горизонтальное давление, толщина стен книзу увеличивается и должна быть не меньше 0,4h, где h – расстояние от рассматриваемого сечения до верха опоры. Вверху толщина составляет около 1,0 м.

Давление засыпки на обратные стенки, находящиеся в насыпи, уравновешиваются давлением грунта насыпи. Поэтому толщина обратных стен одновременно с увеличением книзу уменьшается к краям.

Верхний участок обратных стен должен быть вертикальным на длине 1…2 м, а дольше, с целью уменьшения объема кладки, может иметь уклон в сторону пролета, но не круче 1:5.

Так как толщина обратных стен должна быть не меньше 0,4h, то в однопутных железнодорожных мостах при высоте насыпи 5…6 м обратные стенки сливаются, образуя сплошной массив.

Для уменьшения объема кладки устраиваются устои с проемами, состоящие из двух массивов, соединенных поверху сводом и опирающихся на общий фундамент (рис. 12.21). Для лучшего распределения давления на фундамент в таких конструкциях часто устраивают обратный свод.

Рис. 12.21

Для облегчения конструкции устой выше пятового сечения арки может быть сделан в виде рамной конструкции – однопролетной или многопролетной (рис. 12.22). По архитектурным требованиям рамы могут быть закрыты боковыми ограждающими стенками.

Рис. 12.22

Как и в случае сплошных сводов, надсводная конструкция должна быть отделена от устоев деформационными швами. При этом либо полностью отделяют надсводное строение от устоя, либо выполняют сопряжение с помощью переходных панелей проезжей части, работающих как разрезные балки (рис. 12.23). Опирание крайней панели на устой без отделения ее от остальной надарочной конструкции может привести к повреждению крайней панели из-за различных деформаций элементов арочного пролетного строения и устоя.

Рис. 12.23