Роль в них балки жесткости

Вантово-балочные мосты (cable-stayed bridge) – это относительно легкие большепролетные балки, поддерживаемые в ряде точек пролета вантами, основное распространение они получили в городских и автодорожных мостах, где на сегодня являются наиболее распространенным типом вантовых мостов.

Роль балки жесткости в вантовых мостах иная, чем в мостах висячих, – в висячих мостах – балка безусловно необходима, – т.к. обеспечивает геометрическую неизменяемость системы, в вантовых же мостах геометрическая неизменяемость от балки жесткости не зависит т.к. обеспечивается треугольной структурой вантовой фермы (убедиться в этом можно введя в узлы прикрепления вант шарниры – геометрическая изменяемость системы – не изменилась!).

Роль балки жесткости в вантово-балочных мостах:

 
  Роль в них балки жесткости - №1 - открытая онлайн библиотека

1. Наличие балки, обладающей относительно высокой изгибной жесткостью, позволяет увеличивать панель вантовой фермы, без увеличения панели проезжей части (d1>>d, см. рис. 10.3);

Рис. 10.3. Вантово-балочный мост


2. Наличие балки позволяет (при необходимости) уменьшить число вант в системе (рис. 10.3);

3. Наличие балки позволяет создавать в вантах растягивающие усилия за счет сопротивления балки изгибу;

4. Наличие балки позволяет создавать в вантах дополнительные растягивающие усилия (т.н. запас по растяжению), т.к. сама балка (обладая солидным весом) увеличивает постоянную нагрузку;

5. Натяжением или ослаблением вант можно регулировать распределение изгибающих моментов в балке – существенно уменьшать значения расчетных моментов, получая экономичное решение системы;

6. В двух-, трех-, и многопролетных мостах можно передавать горизонтальную составляющую усилий в вантах на балку, превращая систему в балочную – внешне-безраспорную (рис. 10.4), что позволяет отказаться от анкерных опор. Однако при этом балка жесткости оказывается в более тяжелых условиях, работая дополнительно на сжатие.

Роль в них балки жесткости - №2 - открытая онлайн библиотека

Рис. 10.4. Внешне-безраспорный вантово-балочный мост

Основное назначение балки жесткости в вантово-балочных мостах заключается в восприятии изгиба в пределах панели вантовой фермы (т.е. работа на местную нагрузку) и равномерном распределении нагрузки между соседними вантами;

С экономической точки зрения балку следует применять как можно менее жесткой.


10.2. Цели и способы регулирования усилий

Регулирование усилий это совокупность мероприятий обеспечивающих оптимальное распределение внутренних усилий в элементах конструкции.

Регулирование усилий, как правило, сводится к созданию наилучшего очертания огибающей эпюры моментов в балке жесткости, т.к. изменения усилий в вантах получаемые после регулирования не велики.

Регулирование усилий в конструкциях, снижая изгибающие моменты и обеспечивая их равномерность по длине, позволяет рационально расположить материал и снизить его расход, приводя к существенному уменьшению стоимости сооружения.

Применительно к висячим системам, регулирование усилий сводится к тому, чтобы при средней расчетной температуре балка жесткости не работала на изгиб от действия постоянной нагрузки (для этого систему собирают сначала как статически определимую, устраивая в балке жесткости временные шарниры, см. п. 8).

Применительно к вантовым системам, искусственное регулирование усилий выполняется чаще всего для достижения следующих целей:

1) увеличения натяжения вантовых элементов с целью создания возможности воспринимать сжимающие усилия;

2) увеличения натяжения для повышения приведенной жесткости вантовых элементов;

3) перераспределения внутренних усилий – например для изменения эпюры моментов в изгибаемых элементах системы – в главном пролете балку выгибают вверх (за счет вертикальных составляющих усилий в вантах) придавая ей дополнительный отрицательный момент (см. рис. 10.5). Однако при этом не следует забывать, что т.о. несколько увеличиваются усилия в вантах и пилоне.

Роль в них балки жесткости - №3 - открытая онлайн библиотека

Рис. 10.5. Регулирование усилий в балке жесткости

Обычно регулирование усилий проводят до пуска сооружения в эксплуатацию. Последующее регулирование усилий может понадобиться:

1) если при монтаже не удалось добиться оптимального напряженного состояния балки жесткости;

2) если надо проводить дополнительное регулирование после протекания усадки и ползучести бетона (для железобетонных балок);

3) если по окончании монтажа обнаружены неточности в усилиях в вантах и балках по сравнению с проектными.

Способы создания предварительного напряжения в системе достаточно разнообразны, однако их можно разбить на две принципиально различающиеся друг от друга группы:

1) создание предварительного напряжения, сохраняющегося в ненагруженном состоянии за счет самонапряжений возможных в статически неопределимой системе. В этом случае напряжение создается либо путем регулировки длин, углов поворота, положений опор и т. п., либо за счет временного пригруза различных элементов несобранной еще системы и замыкания ее под нагрузкой (временный пригруз после замыкания системы, как правило, удаляется).

2) создание предварительного натяжения путем включения в систему некоторой постоянной нагрузки, чаще всего собственного веса конструкции или специального балласта.

Создание предварительного напряжения путем использования приемов первой группы возможно только для статически неопределимых систем, в то время как приемы второй группы могут применяться для любых систем, однако недостатком является то, что при этом в системе возникает перегрузка, создаваемая системой балластных грузов.

Обычно регулирования усилий в вантовых системах добиваются подтяжкой вант домкратами (см. рис. 10.6), находящимися на пилоне или на балке жесткости, либо поддомкрачивая балку временными опорами.

Роль в них балки жесткости - №4 - открытая онлайн библиотека

Рис. 10.6. Натяжение вант моста Нормандия


Контроль величин усилий в канатах можно проводить:

1) торировочными монометрами включенными в сеть маслопровода домкратов;

2) по провесу канатов;

3) по собственной частоте колебаний каната: Роль в них балки жесткости - №5 - открытая онлайн библиотека

здесь:

n – число полуволн возбуждаемых колебаний на весь пролет каната n=1;

L – длина каната между закреплениями минус 1 … 2 м для исключения жестких участков у опор;

N – натяжение каната, т;

m = P/g – погонная масса каната, т´сек22 ;

Р – погонный вес каната, т/м;

g – ускорение силы тяжести, м/сек2.

Учитывая N=4´t2´L2´m, если отсчитать время tк для определенного количества полных колебаний (обычно к=50), тогда: Роль в них балки жесткости - №6 - открытая онлайн библиотека ,

здесь:

t50 – замеренное время 50 колебаний каната, сек.

10.3. Схемы вантово-балочных мостов

Современные вантово-балочные мосты характеризуются большим разнообразием систем, размеров и способов расположения вант.

Ранее классификация вантовых мостов рассматривалась в разделе 6.

Как все вантовые мосты, вантово-балочные можно классифицировать:

1. По назначению (железнодорожные, автодорожные, городские, пешеходные, трубопроводные и совмещенные);

2. По числу пролетов (двухпролетные, трехпролетные и многопролетные);

3. По материалу балки жесткости (металлические, железобетонные и сталежелезобетонные);

4. По материалу вант (с гибкими или жесткими вантами);

5. По восприятию распора (распорные или безраспорные);

6. По числу плоскостей вант (схеме поперечного сечения) (с двумя вертикально поставленными плоскостями вант, с двумя наклонно поставленными плоскостями вант, с одной плоскостью вант или тремя плоскостями вант);

7. По геометрической схеме расположения вант (с общим опиранием вант на пилонах и радиальным расположением – пучок, с раздельным опиранием вант на пилонах и непараллельным расположением (ярусно-расходящаяся) – веер, с раздельным опиранием и параллельным расположением (ярусно-параллельная) – арфа, а также схемы (ярусно-сходящаяся) – звезда и смешанная).

Ниже рассмотрены некоторые разделы классификации (по числу пролетов и по схеме расположения вант) в частности вантово-балочные мосты по числу пролетов принято делить на двухпролетныес равными или неравными пролетами, трехпролетные и многопролетные.

10.3.1. Двухпролетные мосты с равными пролетами

 
  Роль в них балки жесткости - №7 - открытая онлайн библиотека

Роль в них балки жесткости - №8 - открытая онлайн библиотека

Рис. 10.7. Схема двухпролетного моста с равными пролетами

(на примере моста Сент-Флоран-ле-Вьен через р. Луару во Франции)

Для данной системы имеем:

величина основного пролета Lmax = 100 … 130 … 150 м;

высота пилона hп = (1/3 … ¼)L;

ширина пилона по фасаду Роль в них балки жесткости - №9 - открытая онлайн библиотека ;

высота балки жесткости Роль в них балки жесткости - №10 - открытая онлайн библиотека (следует отметить, что по условиям перевозки нецелесообразна высота балок более 3,6 м для любых пролетов и нагрузок);

число вант с одной стороны пилона от 3 и более;

величина панели d = 5 … 15, 10 … 40 м (при железобетонной балке);

величина панели d = 10 … 20, 50 … 80 м (при металлической балке);

углы наклона вант (как правило) (20 … 80)°;

минимальный угол наклона крайней ванты (22 … 25)°.

Особенностью системы показанной на рис. 10.7, является наличие всего одной промежуточной опоры, однако, отсутствие в ней оттяжки, интенсивная работа пилона на изгиб (при загружении одного пролета), дает увеличенные прогибы балки жесткости.

 
  Роль в них балки жесткости - №11 - открытая онлайн библиотека

При постановке вант-оттяжек (закреплении пилона), см. рис. 10.8, особого эффекта достичь не удается, т.к. оттяжки являются длинными гибкими элементами, провисают и включаются в работу системы с «опозданием» (системе присуща повышенная геометрическая нелинейность (изменяемость)).

Рис. 10.8. Схема двухпролетного моста при наличии вант-оттяжек

Увеличение общей жесткости системы дает применение железобетонной балки жесткости (имеющей большой собственный вес и догружающей пилон) и жесткого пилона (рис. 10.7) обеспечивающего минимальные смещения, однако при этом повышается сложность и материалоемкость конструкции моста.

Роль в них балки жесткости - №12 - открытая онлайн библиотека

Рис. 10.9. Схема двухпролетного путепровода при наличии жесткого пилона

10.3.2. Двухпролетные мосты с неравными пролетами

Роль в них балки жесткости - №13 - открытая онлайн библиотека

Рис. 10.10. Вантовый мост через р. шексну в Череповце

Роль в них балки жесткости - №14 - открытая онлайн библиотека

Роль в них балки жесткости - №15 - открытая онлайн библиотека

Рис. 10.11. Схема вантового моста с неравными пролетами

(на примере моста через р. Шексну в г. Череповце)

Для данной системы имеем:

величина основного пролета Lmax = 100 … 450 м;

величина бокового пролета (0,2 … 1,0)´L2, чаще (0,6 … 0,7)´L2 ;

Такое соотношение основного и бокового пролетов обеспечивает необходимый запас по растяжению в оттяжке;

При величине бокового пролета L1<0,25´L2, его не подвешивают на ванты.

высота пилона hп = (1/3 … ¼)L2;

ширина пилона по фасаду Роль в них балки жесткости - №16 - открытая онлайн библиотека ;

высота балки жесткости Роль в них балки жесткости - №17 - открытая онлайн библиотека

число вант с одной стороны пилона от 3 и более;

величина панели d = 5 … 80 м (при различных балках жесткости);

величина панели

– для металлической балки жесткости – d1 = 1,2…1,3d;

– для железобетонной d1 = 0,7 … 0,8d (уменьшение величины крайней панели происходит из-за отсутствия в этой части балки жесткости продольной силы, что потребует в железобетонной конструкции мощного армирования).

углы наклона вант (20 … 80)°;

минимальный угол наклона крайней ванты (22 … 25)°.


 
  Роль в них балки жесткости - №18 - открытая онлайн библиотека

 
  Роль в них балки жесткости - №19 - открытая онлайн библиотека

Рис. 10.12. Схемы мостов через р. Днепр в Киеве и р. Рейн в Кельне

Роль в них балки жесткости - №20 - открытая онлайн библиотека Роль в них балки жесткости - №21 - открытая онлайн библиотека

Рис. 10.13. Общий вид и пилон Северинского моста через р. Рейн в Кельне, 1959 г.

(схема моста 52+151+302+48+89+49 м)

Особенностью систем показанных на рис. 10.10 и 10.13, является большая перекрывающая способность, наличие всего одной промежуточной опоры, и более высокая вертикальная жесткость по сравнению с равнопролетными системами.

10.3.3. Трехпролетные мосты

Роль в них балки жесткости - №22 - открытая онлайн библиотека

Рис. 10.14. Вантовый мост Броттон, 1977 г., Франция

(центральный пролет моста длиной 320 м)


Роль в них балки жесткости - №23 - открытая онлайн библиотека

Рис. 10.15. Схема трехпролетного моста

(на примере моста через пролив Штремзунд (Швеция), 1956 г., см. также рис. 1.16)

Для данной системы имеем:

величина основного пролета Lmax = 100 … 400 (465) м;

величина бокового пролета (0,2 … 1,0 обычно 0,4 … 0,45)´L2

высота пилона hп = (1/5 … 1/7)L2;

величина панели d = 5 … 80 м (при различных балках жесткости);

величина панели d1 = (1,2 … 1,3)´d;

ширина пилона по фасаду, высота балки жесткости, число вант и углы их наклона те же, что и в двухпролетных мостах с неравными пролетами.

При величине боковых пролетов L1<0,25´L2, их не подвешивают на ванты (см. рис. 10.16).

Роль в них балки жесткости - №24 - открытая онлайн библиотека

Роль в них балки жесткости - №25 - открытая онлайн библиотека Роль в них балки жесткости - №26 - открытая онлайн библиотека

Рис. 10.16. Схемы трехпролетных мостов

(на примере мостов через р. Рейн в Леверкузене, и р. Рейн в г. Дюссельдорфе)


Особенностью систем показанных на рис. 10.15 и 10.16, является высокая перекрывающая способность, и более высокая вертикальная жесткость (в случае устройства в них коротких боковых пролетов, не подвешиваемых на ванты).

Трехпролетные вантовые мосты с разной величиной боковых пролетов применяются достаточно редко.

Роль в них балки жесткости - №27 - открытая онлайн библиотека

Рис. 10.17. Проект вантового моста с разной величиной боковых пролетов

10.3.4. Многопролетные мосты и меры повышения их жесткости

Многопролетные вантовые системы применяются достаточно редко. Примерами таких сооружений могут быть мосты, показанные на рис 10.18, там же представлена одна из возможных схем загружения конструкции.

а) Роль в них балки жесткости - №28 - открытая онлайн библиотека б) Роль в них балки жесткости - №29 - открытая онлайн библиотека

в) Роль в них балки жесткости - №30 - открытая онлайн библиотека

Рис. 10.18. а - мост Рион-Антирион в Греции, б - мост Санниберг в Швейцарии,

в – схема многопролетного моста и его работы при загружении одного пролета

(D1<D2 если L1<0,25´L2)

Для многопролетного вантового мостаосновные размеры и их соотношения, аналогичны рассмотренным выше, для двух- и трехпролетных.

Особенностями многопролетных вантовых мостов являются:

1. Они многократно статически неопределимы, поэтому в них трудно обеспечить работу гибких элементов в строгом соответствии с расчетом – сложно контролировать расчетные усилия в вантах;

2. Им присущи большие температурные перемещения;

3. При гибких пилонах в них трудно обеспечить необходимую вертикальную жесткость конструкции – системы эти гибкие.

Меры по повышению жесткости многопролетных вантовых мостов

1. Деление многопролетных вантовых систем на несколько трехпролетных с помощью промежуточных анкерных опор (аналогично висячим мостам);

2. Применение жестких пилонов (аналогично висячим мостам);

 
  Роль в них балки жесткости - №31 - открытая онлайн библиотека

3. Применение горизонтальных предварительно напряженных кабелей жесткости соединяющих вершины пилонов (аналогично висячим мостам) и др. см. рис. 10.19;

Роль в них балки жесткости - №32 - открытая онлайн библиотека

Рис. 10.19. Сравнение по жесткости различных вантовых систем

(способы повышения вертикальной жесткости вантовых мостов)


Роль в них балки жесткости - №33 - открытая онлайн библиотека
4. Переход в многопролетных вантовых системах к консольным системам. Консольно-вантовые или рамно-вантовые системы Моранди, обладают повышенной жесткостью, однако они малоэкономичны из-за большого расхода железобетона на рамные элементы и фундаменты опор.

Роль в них балки жесткости - №34 - открытая онлайн библиотека

Роль в них балки жесткости - №35 - открытая онлайн библиотека Роль в них балки жесткости - №36 - открытая онлайн библиотека

Рис. 10.20. Пятипролетный консольный мост через оз. Маракаибо, 1962 г., Венесуэла

Решение подобное представленному на рис. 10.20 предлагалось и в Японии для пролетов длиной 1000 м.