Металлические пролетные строения мостов с ортотропными плитами
Обновлено: 21.09.2024
В сплошностенчатых пролетных строениях со стальной ортотропной проезжей частью, как и в аналогичных сталежелезобетонных пролетных строениях, особенно ярко реализуется принцип совмещения функций частей пролетного строения. Основные идеи таких пролетных строений состоят в применении сплошного стального горизонтального листа на всю ширину проезжей части и в использовании его в качестве пояса главных балок и элемента, заменяющего продольные связи в уровне проезжей части.
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 воспринятия подвижных временных нагрузок, перемещающихся по проезжей части, а ребра нижней ортотропной плиты — для обеспечения устойчивости нижнего горизонтального листа при возникновении в нем сжимающих усилий.
Очертания главных балок для пролетных строений со стальной ортотропной плитой преобладают с параллельными поясами, как и для сталежелезобетонных пролетных строений. Балки переменной высоты применяют редко, но несколько чаще, чем для сталежелезобетонных пролетных строений, поскольку при стальной ортотропной плите доминируют неразрезные пролетные строения, а монтаж чаще ведут навесной сборкой.
Для полной высоты главных балок при стальной ортотропной плите справедливы данные рис. 25.1, однако вертикальная жесткость может оказывать определяющее влияние на высоту. С другой стороны, относительно более частое использование коробчатых поперечных сечений, чем в сталежелезобетонных пролетных строениях, ведет к некоторому уменьшению высот главных балок, характерных для стальных ор-тотропных пролетных строений.
Наиболее характерные поперечные сечения — с двумя одностенчатыми главными балками (рис. 26.1, а), с одной коробчатой главной балкой (рис. 26.1,6, д), с двумя коробчатыми главными балками (рис. 26.1, в). Многостенчатое коробчатое поперечное сечение по рис. 26.1, г применяют реже. Нижние продольные связи применяют только при од-ностенчатых главных балках. Применяют поперечные связи трех видов: решетчатые, в виде сплошностенчатых диафрагм с вырезами, рамные. Панель поперечных связей 6—16 м.
Стальная ортотропная плита может перекрывать значительно большие расстояния (до 15—20 м) между поддерживающими ее балками, параллельными оси моста, и может 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 порядка 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 120—130 м), 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.
Ортотропные плиты автодорожных мостов
В последние десятилетия в конструкциях автодорожных мостов для уменьшения их собственного веса широко применяется металлический настил, одновременно служащий в качестве проезжей части передающей временную нагрузку на главные несущие элементы, развитого верхнего пояса основной несущей конструкции, верхних и (или) нижних продольных связей. Такой настил состоит из листа, к которому с одной стороны приварена система продольных и поперечных ребер жесткости, в результате чего образуется достаточно жесткая ортотропная плита (рис. 1).
Рис. 1. Принципиальная конструкция коробчатого пролетного строения
с ортотропной плитой проезжей части и нижней ребристой плитой
1 – ортотропная плита; 2 – главная балка; 3 – связи между коробками; 4 – домкратная балка;
5 – связи меду балками; 6 – нижняя ребристая плита; 7 – поперечное ребро
В большинстве случаев металлический настил состоит из нескольких плит по длине и ширине пролетного строения моста (см. рис. 1). Горизонтальные листы плит, их продольные и поперечные ребра жесткости соединены сваркой или высокопрочными болтами (в отдельных проектах, с целью исключения монтажной сварки, не только ребра, но и листы настила между собой и с поясами балок соединены болтами).
В пролетных строениях в качестве ребер плит используют полосы (рис. 2) или профили – двутавровые балки, сварные или полученные при разрезке двутавров тавры, уголки, бульбо-профили, гнутые профили (трапецеидальные, треугольные, прямоугольные), разрезанные вдоль и целые швеллеры, сварные замкнутые профили и т.п. (рис. 3 и 4). Здесь следует отметить, что опыт изготовления на заводах плит с продольными ребрами различного профиля показал, что полосовые ребра с точки зрения технологичности их производства предпочтительнее, поэтому практически все изготовленные за последние годы рядовые плиты имеют полосовые продольные и тавровые поперечные ребра жесткости.
Рис. 2. Монтажная секция ортотропной плиты унифицированной конструкции
с продольными ребрами полосового сечения
Рис. 3. Монтажная секция ортотропной плиты
с продольными ребрами коробчатого сечения (мост через Волгу в Ульяновске)
Рис. 3. Монтажная секция проезжей части
с продольными и поперечными ребрами плиты таврового сечения
(балка жесткости вантового моста через Неву в Санкт-Петербурге)
Следует отметить, что лист настила плит работает под распределенной покрытием местной нагрузкой как пластинка-мембрана, опертая на продольные ребра. Продольные ребра работают совместно с листом настила в качестве элементов проезжей части, преимущественно на изгиб от местной нагрузки, и в составе балки жесткости преимущественно на осевые силы. Элементы ортотропных плит рассчитывают на местные вертикальные нагрузки, а полученные усилия суммируют с усилиями от работы плиты в составе балки жесткости. Действительная работа ортотропной плиты под местной нагрузкой имеет ярко-выраженный пространственный характер.
С учетом того, что удельный вес ортотропных плит в объеме производства некоторых заводов достигает 25%, проектными организациями и заводами по изготовлению мостовых конструкций проведена унификация параметров плит, позволяющая повысить оснащенность технологического процесса их изготовления и уменьшить количество переналадок заводских кондукторов.
Ниже представлены некоторые утвержденные к применению параметры рядовых плит:
1. Ширина листа настила – 2480 мм (в обоснованных случаях одна из плит между главными балками может быть принята меньшей ширины);
2. Минимальная толщина листа настила определяемая не прочностью, а жесткостью, для обеспечения трещиностойкости дорожного покрытия – 12 мм (в обоснованных случаях возможно увеличение толщины настильного листа отдельных поперечных рядов ортотропных плит до 14, 16, 20 мм с изменением толщины в монтажных стыках). Во всех случаях, упругие прогибы листа должны быть не более 1/300´а – пролета, равного расстоянию между линиями опирания настила на продольные ребра;
3. Длина листа настила – 10 500 мм;
4. Длина продольных ребер жесткости – 10300 мм;
5. Расстояние по осям продольных ребер жесткости – 300 мм; 350 мм. Этот размер принимается единым для всех плит пролетного строения;
6. Высота полосовых продольных ребер жесткости – 180мм;
7. Толщина полосовых продольных ребер жесткости – 14 мм (в обоснованных случаях при толщине настильного листа до 20 мм толщина продольных ребер жесткости может быть равной толщине настильного листа);
8. Высота тавровых поперечных ребер жесткости – 640 мм; 720 мм; 800 мм (в обоснованных случаях высота тавровых ребер жесткости может быть увеличена на значение, кратное 80 мм). Этот размер принимается единым для всех плит пролетного строения;
9. Расстояние между тавровыми поперечными ребрами жесткости – 3000 мм, 3500 мм. Этот размер принимается единым для всех плит пролетного строения;
10. Монтажные соединения – настильные листы на сварке, продольные и поперечные ребра жесткости на высокопрочных болтах.
Подготовлено с использованием материалов:
Мамлин Г.А. Изготовление конструкций стальных мостов. – М.: Транспорт, 1976. – 360 с.
Балочные пролетные строения с ортотропной плитой проезжей части
- оптимальны в диапазоне от 63 до 150 м, однако при определеннных условиях могут быть целесообразны и при пролетах 15…30 м, а также в отдельных случаях до 200 м (мост через Енисей в Красноярске).
Появились ортотропные плиты в Германии после второй мировой войны, когда вопрос экономии материала стоял очень остро. Включение в совместную работу с главными балками материала ортотропной плиты позволяло сэкономить металл и более эффективно его использовать.
Появлению ортотропных плит также способствовало совершенствование технологии сварки, в особенности появление сварочных автоматов, а также появление теорий расчета.
Первый опыт эксплуатации ортотропных плит обнаружил два недостатка – малую усталостную прочность стали в конструкции плиты и разрушение асфальтобетонного покрытия на плите. Этим двум недостаткам ортотропной плиты были посвящены годы исследований и в настоящее время создан ряд рекомендаций для уменьшения этих неблагоприятных факторов.
Конструкция.
В общем случае ортотропная плита состоит из листа настила, подкрепленного продольными и поперечными ребрами. Продольные ребра иногда называют стрингерами, а поперечные ребра также иногда называют поперечными балками.
Продольные ребра могут быть любого поперечного сечения – полосовые, коробчатые, уголковые, тавровые, полособульб и т.п.
Поперечные ребра выполняют, как правило, таврового сечения.
Полосовые продольные ребра выпускались за рубежом с 1947 года до середины 50-х годов. В настоящее время за рубежом их уже не делают, у нас до сих пор применяют.
Достоинство у полосовых ребер одно – простота изготовления и монтажа.
Недостатков много – малая крутильная жесткость, недостаточно высокая изгибная жесткость, что требует их частой установки. Как следствие малой жесткости, низкая долговечность покрытия проезжей части.
Параметры полосовых ребер – высота не менее 180…200 мм, толщина не менее 12 мм, рекомендуемый шаг ребер 300…320 мм при толщине листа настила не менее 12 мм, в последние годы, в связи с появлением нагрузки А14, толщина листа назначается не менее 14 мм.
Параметры поперечных ребер определяются расчетом плиты на местную нагрузку (высота ребра, сечение нижнего пояса и толщина стенки), а шаг поперечных ребер назначается обычно в интервале 2,5…3,5 м.
Поперечное сечение пролетного строения путепровода через железную дорогу на Красносельском шоссе.
Расчеты ортотропных плит основаны на предпосылке замены реальной плиты балочным ростверком, где продольные ребра рассматриваются как неразрезные балки на упругих опорах.
До конца 80-х годов определение усилий в ортотропных плитах выполнялось вручную, по таблицам Гомберга. При расчленении плиты на балочную клетку лист настила аппроксимируется непрерывной системой, с приведенной жесткостью на погонный метр ширины плиты. При этом для поперечного ребра это 0,2L, но не более l, где l – расстояние между поперечными ребрами. Методика расчета плиты хорошо изложена в книге Корнеева М.М.
На практике для расчета плиты на местные нагрузки применяются программные средства, позволяющие создать пространственную модель плиты, которая загружается сосредоточенными нагрузками, моделирующими временную нагрузку.
Конструкции стальных ортотропных плит
Термин «ортотропная плита», ставший сейчас международным, является сокращенным обозначением понятия «ортогонально-анизотропная плита», т. е. 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, из приваренных к нему продольных ребер и из 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).
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 (рис. 26.2,а). 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. 26.2,б). Благодаря совместной работе листа настила с поперечными балками одноярусная плита требует несколько меньше металла, чем двухъярусная, но конструктивная форма двухъярусной плиты проще. С двухъярусных конструкций началось развитие ортотропных плит, причём на первых его этапах считалось, что трудоемкость изготовления и монтажа двухъярусных плит много меньше. Опыт не подтвердил этого, и в настоящее время доминируют одноярусные конструкции ортотропных плит.
Для одноярусных конструкций наиболее характерны следующие сечения продольных ребер; плоское (полосовое, рис. 26.3, а), наиболее простое конструктивно и удобное для стыкования (обычно на высокопрочных болтах), но невыгодное для работы на изгиб; замкнутые, холодногнутые (трапециевидные, а также U-образные или треугольные, рис. 26.3,б) из тонкой стали (толщиной 6 мм), герметизированные заглушками по концам и не окрашиваемые внутри, эффективные для работы на изгиб и хорошо сопротивляющиеся кручению (что 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. Длительный опыт эксплуатации и специальные исследования показали, что опасения недостаточной долговечности (коррозиестойкости и выносливости) замкнутых ребер не подтвердились.
В одноярусных ортотропных плитах применяли также продольные ребра из судостроительных полособульбовых профилей (рис. 26.3, б). 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. 26.3, е), относительно металлоемкие в связи с наличием лишнего пояса у пастила; тавровые, из прокатных тавров, из половин прокатных двутавров и сварные (рис. 26.3, д), достаточно эффективные; из неравнополочных уголков (рис. 26.3, е), несимметричность которых затрудняла проектное положение ребер после их приварки к листу настила.
Некоторые из перечисленных сечений продольных ребер применялись и в одноярусных конструкциях ортотропных плит.
Поперечные балки применяют при одноярусной конструкции сварного таврового сечения (недостающий пояс заменяет лист настила). При двухъярусной плите 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. В конструкции выреза следует помнить о снижении концентрации напряжений (рис. 26.2, в). Полосовые продольные ребра обычно приваривают к стенке поперечной балки только с одной стороны, что существенно упрощает изготовление плит. По предложению УкрПСК можно еще больше упростить конструкцию и вообще не приваривать полосовые (или полособульбовые) продольные ребра к стенкам поперечных балок (рис. 26.2,г); тогда нагрузка передается с продольного ребра на поперечную балку только работой листа настила на изгиб. Надежность такого узла проверена в лабораторных и в 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 большом числе сварных швов, что определяет значительность сварочных деформаций и повышенную трудоемкость изготовления ортотропных плит. Изготовление чаще всего ведут в специальной оснастке, лист настила предварительно выгибается для погашения сварочных деформаций, сварку ведут двухдуговыми автоматами.
Отправочные марки ортотропной плиты имеют, исходя из условий транспортирования, ширину 2,4—3 м 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 (рис. 26.2,д). Возможно выполнение их также на удаляемых или остающихся стальных подкладках. При невозможности обеспечить на заводе достаточную точность кромок листов, листы 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.
Возможны монтажные соединения листов настила на высокопрочных болтах, что в общем желательно для конструкций северного исполнения и реализуется соответствующими разработками Ленгипротрансмоста. 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 по предложению УкрПСК (Проверенному на ряде объектов) значительно уменьшить трудоемкость монтажа ортотропной плиты и число высокопрочных болтов, отказавшись от соединения продольных ребер в швах между блоками плиты (рис. 26.2, е). Ребра обрываются у шва с устройством скосов, уменьшающих концентрации напряжений. Для компенсации ослабления сечения плиты лист настила у шва утолщается вваркой при изготовлении блоков соответствующих вставок по обе стороны шва.
Металлоемкость верхней ортотропной плиты колеблется в пределах 160—200 кг/м2, что составляет около половины расхода стали на все пролетное строение.
Конструктивные особенности нижних ортотропных плит (практически всегда одноярусных) состоят в больших расстояниях между продольными и поперечными ребрами, являющихся здесь уже не балками, а только ребрами жесткости. Поперечные ребра являются элементами 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.
В ЦНИИПроектстальконструкции предложена прогонная конструкция верхней плиты с непересекающимся реберным набором, характеризующаяся уменьшенными хметаллоемкостью и особенно трудоемкостью изготовления и монтажа (рис. 26.4). На поперечные связи между главными балками опираются прогоны, а на главные балки и прогоны — щиты плиты, состоящие из листа настила и треугольного или поперечного набора ребер. Главная особенность конструкции, определяющая ее технологичность, состоит в том, что ребра не соединяются с главными балками и прогонами. Местная нагрузка передается на главные балки и прогоны работой на изгиб листа настила.
Читайте также: