ТЕМА 14. СПЛОШНОСТЕНЧАТЫЕ ЦЕЛЬНОСТАЛЬНЫЕ ПРОЛЕТНЫЕ СТРОЕНИЯ

14.1. ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ, ОБЩАЯ КОМПОНОВКА

И УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ

С ОРТОТРОПНЫМИ ПЛИТАМИ

Наибольший интерес представляют сплошностенчатые автодорожные и городские пролетные строения с ездой поверху и стальной ортотропной проезжей частью.

Пролетные строения со стальной ортотропной проезжей частью часто выполняют коробчатого поперечного сечения с двумя (верхней и нижней) ортотропными плитами. Нижняя ортотропная плита совмещает функции нижнего пояса главных балок и нижних продольных связей.

Ребра верхней ортотропной плиты необходимы для восприятия подвижных временных нагрузок, перемещающихся по проезжей части, а ребра нижней ортотропной плиты — для обеспечения устойчивости нижнего горизонтального листа при возникновении в нем сжимающих усилий.

Для пролетных строений со стальной ортотропной плитой преобладают очертания главных балок с параллельными поясами, как и для сталежелезобетонных пролетных строений (см. п. 25.1). Балки переменной высоты применяют редко, но несколько чаще, чем для сталежелезобетонных пролетных строений, поскольку при использовании стальной ортотропной плиты доминируют неразрезные пролетные строения, а монтаж чаще ведут навесной сборкой.

Рис. 4.1. Характерные поперечные сечения пролетных строений со стальной проезжей частью

Наиболее характерны поперечные сечения с двумя одностенчатыми главными балками (рис. 4.1,а), с одной коробчатой главной балкой (рис. 4.1,б,¶) и с двумя коробчатыми главными балками (рис. 4.1, в). Многостенчатое коробчатое поперечное сечение (рис. 4.1,г) применяют реже. Нижние продольные связи используют только в случае сечений с одностенчатыми главными балками. Применяют поперечные связи трех видов: решетчатые, в виде сплошностенчатых диафрагм с вырезами, рамные. Длина панели поперечных связей составляет 6—16 м.

Стальная ортотропная плита может перекрывать значительно большие расстояния (до20м) между поддерживающими ее балками, параллельными оси моста, и иметь значительно большие консоли (6—8 м), чем обычная железобетонная плита.

Основное преимущество сплошностенчатых пролетных строений со стальной ортотропной проезжей частью перед сталежелезобетонными состоит в эффективной

совместной работе проезжей части с главными балками в зонах положительных и отрицательных изгибающих моментов. Меньшая постоянная нагрузка определяет уменьшение расхода стали в главных балках по сравнению со сталежелезобетонными пролетными строениями, однако больший расход стали на проезжую часть приводит к росту расхода стали на пролетное строение в целом вплоть до пролетов около 140 м. По сметной стоимости граница рационального применения сталежелезобетонных и стальных ортотропных конструкций находится в области несколько меньших пролетов.

Практически сплошностенчатые пролетные строения со стальной ортотропной проезжей частью применяют преимущественно в автодорожных и городских металлических мостах балочно-неразрезной и иногда рамной системы при больших пролетах (более 105м), а также в разводных пролетах. Отсутствие мокрых работ, связанных с устройством железобетонной плиты, и меньшая масса транспортируемых конструкций и материалов определяют эффективность стальных ортотропных пролетных строений в северных и труднодоступных районах, где пределы эффективности стальных ортотропных конструкций оказываются в области значительно меньших пролетов.

14.2. КОНСТРУКЦИИ СТАЛЬНЫХ ОРТОТРОПНЫХ ПЛИТ

Ортотропная плита - плита, имеющая разные деформативные свойства в двух взаимно перпендикулярных направлениях: вдоль продольных ребер и вдоль поперечных балок.

Верхняя ортотропная плита, расположенная в уровне проезда, состоит из листа настила, приваренных к нему продольных ребер и поперечных балок, опирающихся на основные конструкции (обычно стенки) главных балок. В постоянных мостах толщина листа настила принимается не менее 12 мм, расстояния между продольными ребрами 300—400 мм, длина панели между поперечными балками 1,8—5 м (обычно 3—4 м).

Рис. 4.2. Сечения продольных ребер ортотропной плиты

Ортотропные плиты бывают одноярусными и двухъярусными. В одноярусной плите лист настила совмещен с верхними поясами продольных ребер и поперечных балок; таким образом, продольные ребра пересекают стенки поперечных балок.В двухъярусной плите лист настила совмещен с верхними поясами только продольных ребер, а поперечные балки имеют собственные верхние пояса, на которые ярусно опираются продольные ребра (рис. 4.2,6). Благодаря совместной работе листа настила с поперечными балками одноярусная плита требует несколько меньше металла, чем двухъярусная, но конструктивная форма двухъярусной плиты проще.

Для одноярусных конструкций наиболее характерны следующие сечения продольных ребер: плоские (полосовые, рис. 4.2, а), наиболее простые конструктивно и удобные для стыкования (обычно на высокопрочных болтах), но невыгодные для работы на изгиб; замкнутые, холодногнутые (трапециевидные, а также U-образные или треугольные, рис. 4.2, б) из тонкой стали (толщиной 6 мм), герметизированные заглушками по концам и не окрашиваемые внутри, эффективные для работы на изгиб и хорошо сопротивляющиеся кручению (это увеличивает число ребер, вовлекаемых в работу под местной нагрузкой), привариваемые односторонними швами и соответственно требующие вдвое меньше швов, чем плоские ребра, но менее удобные для стыкования и пересечения с поперечными балками. Стыкование осуществляется обычно полуавтоматической сваркой на остающихся внутренних подкладках; для получения хорошего качества соединений и пересечений необходима относительно высокая точность изготовления плит.

В одноярусных ортотропных плитах применяли также продольные ребра из судостроительных полособульбовых профилей (рис. 4.1, в). Такие ребра были особенно сложны для соединения.

В двухъярусных ортотропных плитах применяли следующие сечения продольных ребер: двутавровые (из прокатных профилей, применялись в первых отечественных пролетных строениях с ортотропными плитами, рис. 4.2, г), относительно металлоемкие из-за наличия лишнего пояса у настила; тавровые, из прокатных тавров, из половин прокатных двутавров и сварные (рис. 4.2,¶), достаточно эффективные; из неравнополочных уголков (рис. 4.2, е), несимметричность которых затрудняла достижение проектного положения ребер после их приварки к листу настила.

Некоторые из перечисленных сечений продольных ребер использовались и в одноярусных конструкциях ортотропных плит.

Поперечные балки применяют при одноярусной конструкции сварного таврового сечения (достающий пояс заменяет лист настила). В случае двухъярусной плиты поперечные балки могут быть сварными двутавровыми либо решетчатой комбинированной конструкции, выполняющей одновременно функции поперечных связей.

При одноярусной плите в стенках поперечных балок делают вырезы, через которые пропускают продольные ребра. Конструкция выреза должна обеспечивать снижение концентрации напряжений. Полосовые продольные ребра обычно приваривают к стенке поперечной балки только с одной стороны, что существенно упрощает изготовление плит. Можно еще больше упростить конструкцию и вообще не приваривать полосовые (или полособульбовые) продольные ребра к стенкам поперечных балок тогда нагрузка передается с продольного ребра на поперечную балку только работой листа настила на изгиб, Надежность такого узла проверена в лабораторных и натурных условиях. Стыки продольных ребер размещают в третях или четвертях панели (в зоне действия небольших изгибающих моментов в неразрезных продольных ребрах).

Особенность ортотропных плит состоит в наличии большого числа сварных швов, что определяет значительность сварочных деформаций и повышенную трудоемкость изготовления ортотропных плит. Изготовление чаще всего ведут в специальной оснастке, лист настила предварительно выгибают для погашения сварочных деформаций, сварку производят двухдуговыми автоматами.

Отправочные марки ортотропной плиты имеют исходя из условий транспортирования ширину 2,4—3 и длину 9—20 м. Наиболее характерно продольное членение плиты на блоки, при котором длина блоков ориентирована вдоль оси моста, что уменьшает число монтажных стыков продольных ребер и соответственно общий объем монтажных соединений. Поперечное членение, отличающееся отсутствием промежуточных монтажных стыков поперечных балок, оказывается иногда рациональным при навесной сборке и в некоторых других случаях.

Листы настила соединяют стыковыми монтажными сварными швами, выполненными обычно автоматической сваркой на медных съемных подкладках. Возможно также выполнение их на удаляемых или остающихся стальных подкладках. При невозможности обеспечить на заводе достаточную точность кромок листов последние изготовляют с припуском и обрезают по месту автогеном на монтаже. К поясам главных балок листы настила присоединяют обычно внахлестку с наложением палубного и потолочного фланговых швов. Применяют и широкие, заплавленные металлом (с «крупкой») стыковые швы.

Возможны монтажные соединения листов настила на высокопрочных болтах, что, в общем, желательно для конструкций северного исполнения. Однако устройство таких соединений существенно увеличивает металлоемкость и трудоемкость плиты. Кроме того, выступающие головки высокопрочных болтов затрудняют устройство высококачественного защитно-ездового покрытия поверх листа настила.

Монтажные стыки поперечных балок и прикрепления балок и консолей к ребрам главных балок осуществляют почти всегда на высокопрочных болтах. Продольные ребра соединяют либо на высокопрочных болтах, либо монтажной сваркой (ручной или полуавтоматической). Ценой небольшого увеличения расхода стали и концентраций напряжений (безопасного, однако, для конструкций обычного исполнения) можно значительно уменьшить трудоемкость монтажа ортотропной плиты и число высокопрочных болтов, отказавшись от соединения продольных ребер в швах между блоками плиты. Ребра обрываются у шва с устройством скосов, уменьшающих концентрации напряжений. Для компенсации ослабления сечения плиты лист настила у шва утолщается путем устройства соответствующих вставок по обе стороны шва.

Металлоемкость верхней ортотропной плиты колеблется в пределах 160—200кг/м², что составляет около половины расхода стали на все пролетное строение.

Конструктивные особенности нижних ортотропных плит (практически всегда одноярусных) заключаются в больших расстояниях между продольными и поперечными ребрами, являющихся здесь уже не балками, а только ребрами жесткости. Поперечные ребра представляют собой элементы поперечных связей (входят в состав поперечных рам). Горизонтальный лист соединяют с поясом главной балки внахлестку с наложением фланговых сварных швов, стыковыми сварными швами, на высокопрочных болтах.

14.3. РАСЧЕТЫ ОРТОТРОПНЫХ ПЛИТ И ПРОЛЕТКЫХ СТРОЕНИЙ С ОРТОТРОПНЫМИ ПЛИТАМИ

В связи с большой сложностью действительной пространственной работы ортотропной плиты проезжей части важны способы приближенного расчета основных ее элементов.

Толщина листа настила определяется чаще всего условием жесткости, необходимой для обеспечения трещиностойкости асфальта и других элементов мостового полотна при работе листа настила на изгиб под местной нагрузкой (давлением колеса автомобиля) между продольными ребрами. В постоянных мостах толщину листа (если она не должна быть увеличена из условия работы плиты в качестве пояса главных балок) принимают не менее 12 мм.

В расчетах продольных ребер и поперечных балокортотропной плиты на местную вертикальную нагрузку необходимо учитывать их пространственное взаимодействие, как между собой, так и с листом настила. В качестве наиболее простого и достаточно достоверного приближенного способа расчета продольных ребер и поперечных балок на местную вертикальную нагрузку рекомендуется метод «конечных полос».

В этом способе рассчитываемое продольное ребро рассматривается как неразрезная балка на упругоподатливых опорах, а поперечная балка — либо как разрезная, двухконсольная или одноконсольная балка с пролетом, равным расстоянию между главными балками Ь, либо как элемент поперечной рамы пролетного строения, стойками которой являются главные балки. Податливость опоры неразрезной балки равна податливости поперечной балки в месте опирания на нее продольного ребра.

Расчетное поперечное сечение продольного ребра включает в себя собственно ребро (имеются в виду, прежде всего плоские вертикальные ребра) и присоединенный верхний поясок в виде листа настила шириной a_ef=ψ_Ra, где а — расстояние между продольными ребрами,. Величина ψ_R зависит главным образом от отношения а/(0,7 d), где d — длина панели между поперечными балками. В связи с особенностями пространственной работы а_еf иногда может быть больше а.

Расчет продольных ребер ведется как для неразрезных многопролетных балок на упругоподатливых опорах, загруженных невыгодным образом колесной нагрузкой А11 или специальной нагрузкой НК-80. При этом рассматривается одно продольное ребро, воспринимающее долю колесной нагрузки η_R(Р/2), где Р — нагрузка на ось (с учетом обычных расчетных коэффициентов), а η_R — коэффициент распределения, который в общем случае зависит от габаритных (а и d) и жесткостных (J_ре и J_R) параметров плиты, а также размеров следа колеса на поверхности настила;

Расчетное поперечное сечение поперечной балки одноярусной плиты включает тавр собственно поперечной балки и присоединенный верхний поясок в виде листа настила шириной 0,35b, но не более d (b — расстояние между главными балками).

Поперечная балка рассчитывается на невыгодным, образом установленную временную колесную нагрузку и постоянную нагрузку. Временная нагрузка на поперечную балку складывается из давлений колес, установленных непосредственно над поперечной балкой, и опорных реакций продольных ребер, передающих на рассматриваемую поперечную балку часть давлений колес, находящихся в примыкающих к ней панелях. За счет жесткости и пространственной работы ортотропной плиты давления колес, установленных непосредственно над рассматриваемой поперечной балкой, также частично передаются на соседние поперечные балки и соответственно учитываются коэффициентами η_F.

Способ «ортотропной плиты» основан на «размазывании» жесткостей продольных ребер и поперечных балок на длины соответственно а и Л и определении изгибающих моментов на единицы длины и ширины в континуальной ортогонально-анизотропной пластинке. Этот способ дает приемлемые результаты для определения продольных деформаций и напряжений в листе настила и продольных ребрах и неудовлетворительные результаты для поперечных балок и поперечных напряжений в листе настила.

Способ «ростверка» основан на рассмотрении системы перекрестных балок — продольных ребер и поперечных балок — при отсутствии непрерывного листа настила. Участки листа настила только включаются в состав сечений продольных ребер и поперечных балок. Пренебрежение действительной передачей сдвигающих усилий через лист настила, приводящей к значительному пространственному перераспределению усилий, обусловливает получение малоудовлетворительных результатов, как для поперечных балок, так и для продольных ребер при расчете ортотропной плиты способом «ростверка».

Напряжения и деформации от местной вертикальной нагрузки в листе настила и продольных ребрах ортотропной плиты проезжей части суммируются с напряжениями и деформациями от изгиба пролетного строения на длине перекрываемых пролетов под общими постоянными и временными вертикальными нагрузками. Для расчета на изгиб на длине перекрываемых пролетов используется либо «плоская» расчетная модель главной балки с участком ортотропной плиты, либо пространственная плитно-балочная модель пролетного строения в целом (последнее — только при расчете на ЭВМ). Для работы главных балок принимается гипотеза плоских сечений, а в работе ортотропной плиты учитываются деформации сдвига, дающие отступления от гипотезы плоских сечений.

Усилия сдвига передаются на ортотропную плиту с плоскости листа настила, соответственно продольные ребра в каждой панели дополнительно изгибаются. Однако вследствие неразрезности продольных ребер и их защемленности поперечными балками этим изгибом пренебрегают.

Требуемые полные продольные напряжения в листе настила и фибрах продольных ребер ортотропной плиты определяются в расчетных сечениях по следующим формулам:

(14.1)

при использовании «плоской» расчетной модели балки

(14.2)

при использовании пространственной плитно-балочной расчетной модели

Коэффициент ν_р можно приблизить к единице, если вблизи стенок главных балок применять блоки ортотропной плиты с более толстым листом настила, чем вблизи середин пролетов поперечных балок.

Для коробчатых пролетных строений с наклонными стенками (см. рис. 4.1, д) применение пространственных расчетных моделей практически неизбежно.

Прочность сечения продольного ребра или поперечной балки с относящимся к нему участком листа настила проверяется как сечения сжато-изогнутого, растянуто-изогнутого или изгибаемого (осевые усилия в поперечной балке обычно незначительны) несимметричного элемента с введением коэффициентов, учитывающих развитие пластических деформаций.

Сечения элементов нижней ортотропной плиты, если она есть в конструкции пролетного строения, назначают из условия работы ее в качестве основной части нижнего пояса главных балок с учетом требований устойчивости и предельной гибкости в сжатых зонах.

Для сжатых участков плоских продольных ребер необходима проверка местной устойчивости. Для листа настила необходима проверка интенсивности напряжений или соответствующих относительных пластических деформаций в тех точках, в которых могут возникать одновременно значительные продольные и поперечные напряжения противоположного знака.

В связи с небольшой длиной панели d между поперечными балками и малым расстоянием а между продольными ребрами общая устойчивость ортотропной плиты проезжей части, воспринимающей сжимающие усилия, оказывается обычно обеспеченной. Однако устойчивость нижних ортотропных плит, расположенных в зонах отрицательных моментов общего изгиба, для которых и d и а могут быть больше, чем для плиты проезжей части, требует тщательной проверки. Особого внимания требуют монтажные состояния. Проверка общей устойчивости нижней плиты при достаточно мощных поперечных горизонтальных ребрах жесткости сводится к проверке устойчивости ее продольного ребра (с относящимся к нему участком листа нижней плиты) как внецентренно-сжатого стержня со свободной длиной, равной расстоянию между горизонтальными ребрами жесткости. Сжимающее усилие прикладывается к стержню в уровне срединной плоскости листа.

Выносливость ортотропных плит обычно обеспечивают соблюдением конструктивных требований. Расчеты их выносливости должным образом не разработаны из-за недостаточной изученности весьма сложных действительных спектров и режимов временных вертикальных нагрузок автодорожных и городских мостов. Поэтому и применяемые расчеты выносливости конструкций автодорожных и городских мостов имеют пока сугубо условный характер.

Список использованной литературы

1. Металлические конструкции: Спец. курс: Учеб. пособие для вузов / Е. И. Беленя, Н. Н. Стрелецкий, Г. С. Ведеников и др.; Под ред. Е. И. Беленя – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1991. – 687 с.

2. Дроздов П. Ф., Додонов М. И., Паньшин Л. Л., Саруханян Р. Л. Проектирование и расчёт многоэтажных гражданських зданий и их элементов: Учеб. пособие для вузов/Под ред. П. Ф. Дроздова – М.: Стройиздат, 1986.

3. Дроздов П. Ф. Конструирование и расчёт несущих систем многоэтажных зданий и их элементов: Учеб. пособие для вузов. – М.: Стройиздат, 1977.

4. Попкова О. М. Конструкции высотных зданий за рубежом: Обзор. – М.: ЦИНИС Госстроя СССР, 1973.

5. Попкова О. М. Конструкции зданий с консольными этажами: Обзор. – М.: ЦИНИС Госстроя СССР, 1978.

6. Попкова О. М. Конструкции зданий с подвешенными этажами: Обзор. – М.: ЦИНИС Госстроя СССР, 1976.

7. Справочник проектировщика. Металлические конструкции/Под ред. Н. П. Мельникова. – 2-е изд. – М.: Стройиздат, 1980.

8. СНиП 2.01.07 – 85. Нагрузки и воздействия. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986.

9. СНиП 2.01.07 – 85. Нагрузки и воздействия: Дополнения. Разд. 10. Прогибы и перемещения. – М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1989.

10. СНиП 11-23-81^*. Стальные конструкции. – М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1988.

11. Ханджи В. В. Расчёт многоэтажных зданий со связевым каркасом. – М. Стройиздат, 1977.

12. Харт Ф., Хенн В., Зонтаг Х. Атлас стальных конструкций: Многоэтажные здания/Пер. с нем. – М.: Стройиздат, 1977.

13. Швиденко В. И. Монтаж высотных зданий. – Киев: Будивельник, 1977.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: