Конструктивні форми арочних прогонових будов
Після вибору розрахункової схеми аркової прогонової будови та обрису осі арки проектувальник призначає тип перерізу арки або склепіння, орієнтовно встановлює його розміри, а також вибирає конструкцію проїжджої частини та сполучення її з арками або склепінням.
Основним конструктивним елементом аркової прогонової будови може бутиарка, яка не має значної поперечної стійкості та жорсткості, абозведення, горизонтальна жорсткість і опір дії горизонтальних навантажень якого забезпечуються за рахунок його ширини без застосування спеціальних зв'язків.
Поперечний переріз арок буваєпрямокутним (рис. 10.6, а),двотавровим (рис. 10.6, б) абокоробчастим (рис. 10.6, в, г, д). Двотавровий та коробчатий переріз арок застосовують при значних прольотах, коли потрібно збільшити опір перерізу дії згинальних моментів. Висота перерізу арок може бути орієнтовно призначена в межах 1/30-1/60L при суцільному прямокутному перерізі та 1/25-1/40L при двотавровому або коробчастому перерізі. Величини, близькі до 1/40L, приймаються для автодорожніх мостів великих прольотів (100 м і більше).
Мал. 10.6 – Типи поперечних перерізів окремих арок
Коробчасте переріз (див. рис. 10.6, в) застосовували, як правило, при значних прольотах, так як в монолітних конструкціях його розміри повинні бути достатніми для проходу людей і отримання внутрішньої опалубки. Крім того, потрібний доступ до внутрішніх поверхонь для огляду під час експлуатації. Однак у збірних конструкціях, коли поверхні монтажних елементів проходять належний контроль під час виготовлення, цю вимогу не можна вважати обов'язковою у всіх випадках. Замкнений коробчастий переріз краще незамкнутого (див. рис. 10.6, г), оскільки йогокрутильна жорсткість у багато разів вища.
У збірних мостах великого прольоту коробчастий переріз може бути утворений із окремих плоских плит заводського виготовлення (див. рис. 10.6 а).
Висоту перерізу арок часто призначають змінною довжиною. У тришарнірній арці найбільші згинальні моменти виникають у чвертях прольоту, тому часто висоту перерізу арок приймають найбільшою у чверті прольоту, зменшуючи її до опор та замку. У двошарнірній арці моменти в чверті прольоту дещо більші, ніж у замку, але для покращення зовнішнього вигляду арки висоту перерізу в замку не зменшують. Тут можна прийняти висоту перерізу постійної на всій середній ділянці між чвертями прольоту.
Висоту перерізу безшарнірних арок у більшості випадків зменшують від п'ят до замку в 12-15 рази. Необхідно пам'ятати, що в безшарнірних арках величина згинальних моментів у перерізах залежить від закону змін моментів інерції перерізів по довжині. Зменшуючи висоту перерізу у п'ят, можна різко знизити згинальні моменти в п'ятах і скоротити витрату матеріалів на прогонову будову. Однак конструкція арки при цьому виходить складнішою.
При індустріальному виготовленні монтажних елементів збірних арок може доцільно призначити висоту перерізу постійної по всій довжині арки або на значній частині довжини, щоб отримати стандартні монтажні елементи. Збірні арки за значного радіусу кривизни осі можна складати з прямолінійних монтажних елементів.
Для забезпечення достатньої горизонтальної жорсткості ширина суцільного склепіння або відстань між осями крайніх арок повинні бути, як правило, не менше ніж 1/20L і не менше ніж 1/5–1/6f. У мостах під автомобільну дорогу ширина проїжджої частини зазвичай більша за ці величини. У цьому випадку у поперечному перерізіможе бути кілька арок з розташуванням стійок над кожною аркою та ребер над кожною стійкою (рис. 10.7 а). Для концентрації матеріалу в меншій кількості потужних конструктивних елементів, що майже завжди призводить до економії матеріалів, можна обмежитися двома арками, якщо при збірній конструкції не виходять дуже важкі монтажні елементи.
Мал. 10.7 – Поперечні перерізи аркових мостів під автомобільну дорогу
Проліт плити, що працює на вигин у поперечному напрямку між ребрами, невигідно призначати занадто великим, тому кількість ребер може бути більшою, ніж кількість арок та стійок (рис. 10.7, б). Навантаження від ребер у разі передається на стійки у вигляді поперечних балок. Необхідно враховувати також, що при завантаженні панелі надарної будови з одного боку від поперечної балки в ній з'являтимуться моменти, що крутять.
В арочних мостах з їздою поверху при великих прольотах доцільні склепіння коробчастого перерізу. Таке склепіння, що складається з верхньої та нижньої плит і вертикальних стійок (рис. 10.8), добре чинить опір вигину як у вертикальній, так і в горизонтальній площині, так як матеріал поперечного перерізу його віддалений від обох головних осей, а також кручення через замкнутість перерізу. Якщо застосовують збірну конструкцію, яка монтується на інвентарних кружалах, переріз може бути складений з плоских плит заводського виготовлення, як і для коробчатих арок. Стійки надарної будови доцільно спирати на коробчасте склепіння над поздовжніми стінками або поперечними діафрагмами.
Мал. 10.8 – Поперечний переріз коробчатого склепіння
Проїжджу частину разом із стійками чи підвісками зазвичай виконують у вигляді рамної конструкції. При цьому надарну будову спирають на окремі стійки або на поперечні стінки, якщо застосовують склепіння.
У середній частині прольоту має бути влаштовано сполучення проїжджої частини надарної будови зі склепінням або арками. Його виконують з опиранням проїжджої частини на склепіння або арки на деякій відстані від середини прольоту (рис. 10.9 а). В цьому випадку на середній ділянці довжиною з проїжджа частина являє собою надбудову на склепінь або підтримується поперечними балками, встановленими між арками. Довжина середньої ділянки залежить від пологості арки та від висоти перерізів проїзної частини та арки. Бічні ділянки поділяють на рівні панелі завдовжки d.
Мал. 10.9 – Поєднання проїжджої частини зі склепінням або арками
У збірних прогонових будівлях скорочення кількості типів монтажних елементів проїжджу частину спирають на склепіння чи арки лише у середній точці, розбиваючи на рівні панелі весь проліт (рис. 10.9, б).
Надарна будова повинна бути відокремлена від засад або сусідніх прогонових будов деформаційними швами, що допускають свободу переміщень при дії навантажень або зміни температури.
До особливої групи арочних мостів з поверховою їздою відносять арочні віадуки. Їх споруджують замість високого насипу, зазвичай у гірських умовах, із пристроєм, як правило, кількох прольотів однакової довжини при великій висоті опор.
В арочних прогонових будівлях з їздою посередині основною конструкцією, що несе, служать роздільні арки. Проїжджу частину в середній частині прогону підвішують до арок за допомогою підвісок, а у опор встановлюють на арки через стійки. Проїжджу частину мають цілком між арками або виносять окремі смуги руху на консолі (рис. 10.10). Тротуари зазвичай розташовують на консолях.
Мал. 10.10 – Арковий міст із їздою посередині під чотири залізничні колії
Проїжджу частину у вигляді плит, а частіше у вигляді плити з ребрами,спирають на поперечні балки, прикріплені до підвісок або стояків. Арки з'єднують між собою зв'язками, які з розпірок. Особливу увагу звертають на передачу на опори горизонтальних навантажень, що діють на арки та проїжджу частину. Верхні зв'язки між арками сприймають горизонтальне навантаження та передають її на кінцеві вузли зв'язків, де розташовані жорсткі розпірки. На висоті габариту проїзду мостом зв'язки перериваються. Подальша передача горизонтальних навантажень вниз забезпечується поперечними рамами, що складаються з жорстких розпірок, ділянок арок від розпірок до початку нижніх зв'язків, розташованих під проїжджою частиною, та нижніх зв'язків. Достатність перерізів цих елементів до роботи на горизонтальні навантаження перевіряють розрахунком.
Плиту та ребра проїжджої частини слід звільнити від передачі на них розпору арок, інакше вони працюватимуть на розтяг, що нераціонально. Для цього в проїжджій частині влаштовують розрізи так, щоб взаємні переміщення точок перетину проїжджої частини з аркою могли відбуватися вільно.
При невеликій ширині проїжджої частини (наприклад, в одноколійних залізничних мостах) жорсткість її в горизонтальній площині може виявитися недостатньою. В цьому випадку вдаються до влаштування спеціальних вітрових поясів, які можуть бути включені до складу проїжджої частини. Вітрові пояси забезпечують роботу проїжджої частини на поперечні горизонтальні навантаження.
Відстань між підвісками (панель проїжджої частини) при прольотах 80 м і більше можна приймати рівним 8-10 м. Остаточно цей розмір уточнюють при складанні та порівнянні варіантів. Слід уникати такої розбивки проїжджої частини на панелі, при якій отримують занадто короткі жорсткі стійки, щоб у них не виникали значні моменти, що згинають.
Підвіски в мостах зїздою посередині працюють в основному на розтягування, причому зусилля, що розтягують, сприймаються арматурою. Іноді підвіски виконують із сталевих тяжів без бетону, які не сприймають згинальних моментів і тому не можуть бути використані для передачі горизонтальних зусиль. У сучасних конструкціях для підвісок застосовують, як правило, заздалегідь напружений залізобетон.
В арочних прогонових будівлях з їздою внизу розпір арок передають на спеціальні елементи - затяжки. За характером на опори прогонове будова є балочным. Арки з затяжками можуть бути трьох видів: жорсткі з гнучкими затяжками (рис. 10.11 а), гнучкі з балками жорсткості (рис. 10.11 б) і жорсткі з жорсткими затяжками (рис. 10.11 в).
Мал. 10.11 – Види статичних схем арок із затяжками
Виганяючі моменти виникають в арках і в затяжках у будь-якому випадку так як шарнірів в конструкції не влаштовують. Однак якщо жорсткість затяжки мала порівняно з жорсткістю арки (при співвідношенні моментів інерції арки та затяжки не менше 80), робота системи наближається до роботи схеми з неповними шарнірами в місцях прикріплення підвісок до арки та повними шарнірами у вузлах затяжки. Така система, звана аркою з гнучкою затяжкою, один раз статично невизначена. Затягування в системі працює на центральне розтягування аркана стиск із вигином. Навпаки, якщо затяжка має значно більшу жорсткість, ніж арка, то робота прогонової будови по дії вертикальних навантажень стає близькою до роботи системи з повними шарнірами у вузлах арки. У цьому випадку систему називають гнучкою аркою з балкою жорсткості (арка центрально стиснута, балка працює на розтяг та вигин). Аналогічна схема може бути прийнята і для прогону з їздою поверху.
При меншому відношенні моментівінерції арки та затяжки (
Найбільш економічні прогонові будови з жорсткою аркою та жорсткою затяжкою. Правильно вибираючи співвідношення між жорсткостями арки та затяжки з урахуванням оптимальної витрати матеріалів, способу спорудження мосту та архітектурних вимог, можна отримати конструкцію, що має переваги обох розглянутих різновидів арок із затяжками.
Величину згинальних моментів в арках і затяжках можна зменшити, якщо застосувати похилі підвіски (рис. 10.11, г). Однак економія матеріалів, що отримується, до 10–15% досягається ціною ускладнення конструкції.
Поперечний переріз гнучкої арки доцільно приймати у вигляді прямокутника, який витягнутий у ширину, який має достатню площу при невеликому моменті інерції. Для жорсткої арки або жорсткої затяжки краще двотавровий поперечний переріз, здатний працювати на значні згинальні моменти. При великих прольотах може бути доцільним і коробчастий перетин.