ТЕМА 13. СПЛОШНОСТЕНЧАТЫЕ

СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ ПРОЛЕТНЫЕ

СТРОЕНИЯ

13.1. ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ

И ОБЩАЯ КОМПОНОВКА СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ

СТРОЕНИЙ

Сталежелезобетонными называют пролетные строения, в которых железобетон и сталь работают в единой конструкции, что позволяет наилучшим образом использовать каждый из этих материалов в соответствии с его свойствами . В частности, сталежелезобетонными являются пролетные строения с железобетонной плитой проезжей части, включенной в совместную работу с поясами стальных главных балок.

Наибольшее распространение имеют сплошностенчатые сталежелезобетонные пролетные строения с ездой поверху балочно-разрезной, балочно-неразрезной и рамной систем, относящиеся к одному из главных видовадеталлических пролетных строений.

В сплошностенчатых пролетных строениях включение железобетонной плиты в работу на сжатие совместно со стальными верхними поясами позволяет значительно уменьшить их сечения и в некоторой степени облегчить другие стальные элементы главных балок, а также увеличить жесткость и улучшить динамические характеристики пролетного строения.

Железобетонную плиту укладывают по стальным балкам чаще всего после перекрытия ими пролетов. При этом главную часть постоянных нагрузок воспринимают стальные балки без помощи железобетонной плиты, а сжимающие усилия возникают в железобетонной плите от временных нагрузок и только добавляемых после объединения железобетона и стали постоянных нагрузок, а также от предварительного напряжения и регулирования, если оно предусмотрено проектом.

Для поперечных сечений сталежелезобетонных конструкций вообще характерна стадийность работы. Число стадий равно числу частей поперечного сечения, последовательно включаемых в работу. Обычно таких частей две (стальная балка и железобетонная плита), и сечение работает в две стадии.

Экономичные сталежелезобетонные балки должны характеризоваться, возможно, более полным использованием материалов — стальных поясов на растяжение или сжатие и бетона плиты на сжатие. Использование стального верхнего пояса в сжатых зонах часто оказывается неполным по конструктивным соображениям и в связи с необходимостью обеспечения общей устойчивости до включения железобетонной плиты в работу. Бетон в зонах действия наибольших положительных изгибающих моментов получается часто недонапряженным в автодорожных и городских мостах, характеризующихся существенно большим отношением постоянной нагрузки к временной, чем у железнодорожных мостов. В неразрезных и некоторых других пролетных строениях имеются зоны отрицательных моментов, вызывающих растяжение железобетонной плиты. В этих зонах бетон почти не разгружает стальную часть конструкции.

В сталежелезобетонных пролетных строениях относительно широко применяют предварительное напряжение 'и регулирование для экономии стали, достигаемой увеличением полноты использования материалов (и иногда заменой части прокатной стали высокопрочной арматурой), а также для обеспечения трещиностойкости железобетонной плиты в ее растянутых зонах. Способы предварительного напряжения и регулирования разнообразны. Наибольшее распространение имеет принудительный выгиб стальной части балки до объединения с железобетонной плитой (обычно с использованием постоянных или временных опор), а при значительных пролетах в индивидуальных пролетных строениях — натяжение продольной высокопрочной арматуры плиты в зонах отрицательных моментов (в большинстве случаев после объединения стали и железобетона).

Все большее применение получают весьма экономичные бисталежелезобетонные балки, в которых наиболее напряженные участки стальных поясов выполнены из высокопрочной стали, а стенка и менее напряженные участки стальных поясов (преимущественно непосредственно объединяемые со сжатой железобетонной плитой) — из обычной стали.

Чтобы уменьшить строительную высоту, облегчить транспортирование и достичь ряда других преимуществ, высоту главных балок применяют всегда несколько меньшей теоретически выгодной и назначают в зависимости от пролета в пределах.

Высота главных балок может довольно сильно отличаться от высоты, дающей наименьший расход стали при заданной железобетонной плите, при этом расход стали, увеличивается незначительно.

Если конструктивно желательная высота стальной стенки оказывается недостаточной, то приращение высоты сечения сталежелезобетонной балки можно получить, увеличив высоту вута или ребра железобетонной плиты. Вертикальная жесткость редко оказывает определяющее влияние на высоту сталежелезобетонного пролетного строения. Поперечное сечение сталежелезобетонного сплошностенчатого пролетного строения с ездой поверху (рис. 3.1) чаще всего устраивают открытым снизу, применяя одностенчатые двутавровые стальные главные балки (как правило, несимметричного поперечного сечения в зонах положительных изгибающих моментов).

Рис. 3.1. Поперечные сечения сплошностенчатых сталежелезобетонных пролетных строений.

В больших пролетах в поперечном сечении применяют одну или несколько коробчатых главных балок, замкнутых снизу стальной ребристой плитой (рис. 3.1, г, д) либо нижней железобетонной плитой (рис. 3.1, е). Нижние плиты могут применяться только на части длины пролетного строения, на остальной же части длины тогда остаются одностенчатые стальные балки.

Число стенок главных балок в поперечном сечении пролетного строения чаще всего равно двум. Большее число стенок может быть выгодным прежде всего при большой ширине пролетного строения, а также в мостах малых (менее 40 м) пролетов. Оптимальная высота главных балок в многобалочном (многостенчатом) пролетном строении меньше, чем в двухбалочном (двухстенча-том), а при коробчатом поперечном сечении — меньше, чем при открытом поперечном сечении.

Главные балки (или стенки коробчатых балок) соединяют поперечными связями, одна из главных функций которых состоит в обеспечении устойчивости сжатых поясов балок до включения в работу раскрепляющей их железобетонной плиты. Устройства с этой же целью постоянных или временных металлических продольных связей в уровне плиты стараются избежать.

При одностенчатых главных балках устраивают решетчатые нижние продольные связи обычно по всей ширине пролетного строения (между крайними балками), что резко увеличивает сопротивление кручению коробчатого пролетного строения. Иногда главные балки соединяют нижними продольными связями только попарно, а при небольших пролетах пролетное строение вообще может не иметь нижних продольных связей.

Характерны (для езды поверху) три основные схемы проезжей части, в которых железобетонная плита опирается только на главные балки (рис. 3.2,а), на главные и поперечные балки (рис. 3.2, в), на главные и продольные балки (рис. 3.2,6).

Рис. 3.2, Проезжая часть сплошностенчатых сталежелезобетонных пролетных строений

В схеме проезжей части по рис. 3.2, б продольные балки поддерживаются поперечными балками, роль которых могут выполнять соответственно рассчитанные решетчатые поперечные связи между главными балками (совмещение функций поперечных балок и поперечных связей).

Постоянная нагрузка на сталежелезобетонное пролетное строение в значительной степени зависит от толщины железобетонной плиты, в автодорожных и городских мостах чаще всего принимаемой 14—17 см, в железнодорожных мостах — до 25 см. Расстояния между балками, на которые опирается железобетонная плита, назначаются в зависимости от временной нагрузки и толщины плиты в пределах 2—6 м. Большие расстояния могут быть перекрыты ребристой плитой (рис. 3.2, г, д). Для увеличения расстояния между балками без увеличения толщины железобетонной плиты за рубежом часто применяют поперечное предварительное напряжение плиты высокопрочной арматурой.

Сталежелезобетонные сплошностенчатые пролетные строения являются наиболее распространенными конструкциями для автодорожных и городских металлических мостов пролетами примерно до 120 м и для железнодорожных металлических мостов с ездой поверху пролетами 35—70 м.

13.2. РАСЧЕТЫ СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ МОСТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Основу расчетов сталежелезобетонного пролетного строения составляет обычно рассмотрение стержневой расчетной модели, в которой каждый стержень (главная балка, балка проезжей части и т. д.) работает упруго и подчиняется гипотезе плоских сечений, В процессе расчета вносят необходимые поправки, учитывающие неупругие свойства бетона, пластические деформации стали и иногда отступления от гипотезы плоских сечений.

В состав поперечного сечения сталежелезобетонной главной балки железобетонная плита включается обычно полностью, на всю ширину, приходящуюся на одну балку. При длине пролета менее 4В или 12 С (В - расстояние между балками; С — длина консоли плиты) включаемая в работу расчетная ширина плиты получается меньше ее конструктивной ширины.

В связи со стадийностью работы поперечных сечений и специфическими свойствами бетона обычно для каждого расчетного сечения сталежелезобетонного элемента подсчитывают геометрические характеристики (координаты центров тяжести Z, моменты инерции J, моменты сопротивления W и т. д.), отвечающие нескольким составам сечения.

Геометрические характеристики объединенного сталежелезобетонного поперечного сечения z_b,stb,J_stb другие вычисляют на основе приведения бетона к стали. Площадь бетона учитывают в составе приведенного сечения величиной A^пр=A_b/n_b, где коэффициент приведения n_b=E_s/E_b —отношение модулей упругости стали и бетона.

Стальной сжатый верхний пояс, разгружаемый жёлезобетонной плитой назначается обычно облегченного сечения, однако, в I стадии работы (до жесткого присоединения блоков сборной плиты или набора прочности монолитной плитой) железобетонная плита не обеспечивает его устойчивости.

Подбор сечений стальных объединенных с железобетонной плитой балок, осуществляемый в общем случае последовательными приближениями, относительно трудоемок при расчетах вручную. Чтобы уменьшить число приближений, в качестве первого приближения целесообразно принимать сечение, у которого площади стальных поясов определены по приведенным ниже формулам грубого подбора. Эти формулы предполагают, что изгибающие моменты воспринимаются в основном стальными поясами и железобетонной плитой, а участие в работе стальной стенки оценивается в размере 20 % на I стадий и 5 % на II стадии работы. Учитывая развитие пластических деформаций в стальных поясах в предельном состоянии по прочности и перераспределение усилий между железобетоном и стальным верхним поясом при появлении в последнем пластических деформаций, расчетное сопротивление стали верхнего пояса условно увеличивают на 15 %, а нижнего пояса — на 5 %.

Соответственно получаем следующие уравнения полного использования нижнего и верхнего стальных поясов:

(3.1)

(3.2)
Отсюда

(3.3)

(3.4)
где

(3.5)

H_S — высота между центрами тяжести сечений стальных поясов; Н_Sb — высота между центрами тяжести сечений стального нижнего пояса и железобетонной плиты; A^пр=A_b/n_b; n_b=( E_s/ E_b)[M_II/(M_P+0.35M_qII)] — отношение модулей упругости с приближенным учетом ползучести бетона; M_P — изгибающий момент от временных нагрузок; M_qII — изгибающий момент от постоянных нагрузок II стадии работы;

(3.6)

Для статически определимой конструкции напряжения от ползучести бетона могут быть определены методом «тонкой плиты» (приемлемым при Е_ьJ_ь<. <0,2Е_s/_s). Приближенно напряжения от постоянных нагрузок II стадии работы с учетом ползучести бетона могут быть вычислены в предположении, что бетон обладает эффективным модулем упругости Е_ef,_ķr - 0,35Е_Ь.

Характерной особенностью работы сталежелезобетонного пролетного строения являются существенные усилия и напряжения от изменений температуры (разностей температур частей поперечного сечения) и от усадки бетона. Разности температур частей поперечного сечения возникают от солнечной радиации и суточных колебаний температуры воздуха в связи с тем, что теплопроводность бетона примерно в 50 раз меньше теплопроводности стали.

Расчет на прочность поперечных сечений сталежелезобетонных конструкций ведут по деформационным критериям предельного состояния. Полная упруго-пластическая относительная деформация бетона в уровне центра тяжести его сечения ограничивается значением 0,0016. Для стальных поясов пластические относительные деформации однократного загружения ограничиваются значением 0,001. Прочность стальных поясов проверяют для упрощения в традиционной форме проверки напряжений, но с введением к моментам сопротивления или расчетным сопротивлениям поправочных коэффициентов, приводящих расчет к деформационному критерию предельного состояния.

Расчет основан на гипотезе плоских сечений и методе тонкой плиты. В предельном состоянии рассматривается упругопластическая (или упругая) работа стального двутавра, находящегося под воздействием внешних сил (в частности, изгибающего момента) и приложенного в уровне центра тяжести сечения бетона внутреннего растягивающего усилия, равного осевому сжимающему усилию в бетоне.

При сжатии бетона временными нагрузками расчет прочности простого одноплитного сталежелезобетонного элемента выполняют по одному из трех расчетных случаев, расчетные формулы для которых приведены применительно к действию положительного изгибающего момента в табл. 25.2. Работа железобетона без быстротечных пластических деформаций определяет случай А, пластическая работа бетона и упругая работа продольной арматуры определяет случай Б, пластическая работа и бетона, и продольной арматуры (или только бетона при отсутствии расчетной продольной арматуры) определяет случай В.

При растяжении бетона временными нагрузками рас-чет прочности простого одноплитного сталежелезобетонного элемента выполняют по одному из двух расчетных случаев, расчетные формулы для которых приведены применительно к действию отрицательного изгибающего момента в табл. 25.3. В случае Г бетон в предельном состоянии сечения по прочности вследствие предварительного напряжения или других обстоятельств остается сжатым, и железобетон работает полным сечением с продольной жесткостью E_bA_b+E_rA_r. Случай Д предполагает образование поперечных трещин в железобетоне на всю его высоту с уменьшением жесткости железобетона при растяжении до величины E_rA_r/ψ_cr где ψ_cr — коэффициент, учитывающий частичное вовлечение бетона между трещинами в работу на растяжение.

В случае Г работа сталежелезобетонного поперечного сечения в общем аналогична работе в случае А, но напряжения в стальном двутавре в случаях А и Г противоположны, причем возникающее от сжатого бетона усилие не разгружает, а догружает стальной двутавр. В случае Д стальной двутавр разгружается усилием, возникающим от растяжения арматуры железобетона, а формула для σ_r учитывает частичную релаксацию при образовании трещин уравновешенных в пределах поперечного сечения напряжений в арматуре от ползучести и усадки бетона и изменений температуры.

Особенность расчета железнодорожных сталежелезобетонных пролетных строений на выносливость состоит в учете виброползучести бетона, т. е. постепенного перераспределения сжимающих усилий между бетоном и стальным верхним поясом, уменьшения напряжений в бетоне и увеличения их в стальном верхнем поясе.

Расчеты на трещиностойкость железобетонной плиты, направленные на обеспечение долговечности конструкции, имеют большое значение для сталежелезобетонных пролетных строений, особенно неразрезной системы.

Изменения температуры и усадка бетона, а также ползучесть бетона под постоянными нагрузками и образование поперечных трещин в железобетоне под временными нагрузками, вызывающие в статически определимых конструкциях только напряжения, уравновешенные в каждом поперечном сечении, в статически неопределимых неразрезных балках вызывают, кроме того, дополнительные изгибающие моменты, опорные реакции и поперечные силы. Раскрытие статической неопределимости целесообразно методом сил при неизвестных опорных изгибающих моментах и основной системе в виде цепи разрезных балок.

В статически неопределимой конструкции напряжения от ползучести бетона должны быть уточнены последовательными приближениями с учетом ползучести, вызываемой напряжениями от ранее учтенной ползучести. При учете образования поперечных трещин в железобетонной плите последовательными приближениями уточняют длины зон раскрытия трещин. Последовательные приближения заканчивают, когда изменения напряжений от ползучести или изменения длин зон раскрытия трещин станут пренебрежимо малыми. В обоих видах расчетов в подавляющем большинстве случаев достаточно двух последовательных приближений. Эти расчеты особенно целесообразно выполнять на ЭВМ по имеющимся программам.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: