Основные виды мостов, применяющиеся в малом мостостроении
Наиболее распространенным видом малых мостовых сооружений являются балочные мосты и путепроводы с обсыпными устоями. Устои могут быть и необсыпными: в виде массивных конструкций с обратными стенками или с откосными крыльями. Такие конструкции характерны для мостов всех классов.
Типовая схема таких мостов показана на рис. 1.1. В общем виде мост может быть многопролетным.
Рис. 1.1. Схема балочного моста с обсыпными устоями: 1 — пролетное строение; 2 — деформационный шов;
3 — шкафной блок; 4 — переходная плита
Для такой конструкции малых мостов характерны следующие закономерности.
Около 80% мостов построены по типовым проектам, которые не пересматривались более 30 лет. Сооружение их ведется с использованием типовых технологических операций.
Мосты выполнены практически полностью из сборных элементов. Причина в том, что малые мосты имеют большой разброс по линии. Технологически рационально доставлять на монтаж готовые элементы, вместо того чтобы изготовлять их на месте. В силу линейной разбросанности объектов создание полигонов на каждом из них является затруднительным, а часто и невозможным.
По этой причине показатель сборности всегда имел в отечественном мостостроении особое значение. 100%-ный уровень сборности был идеалом, к которому стремились проектировщики и строители.
Указанное стремление неизбежно приводит к расчленению моста на конструктивные элементы, самостоятельные по отношению один к другому. Это, в свою очередь, приводит к дифференцированному расчету мостового сооружения, когда все элементы моста рассматриваются индивидуально, вне системной связи между собой (пролетные строения, устои, промежуточные опоры, фундаментные элементы). Изменение типовой схемы малого моста локальным объединением конструктивных элементов происходит лишь в исключительных случаях, например когда разрезные пролеты трансформируют в температурно-неразрезные и, очень редко, в неразрезные и рамные системы.
Крупные конструктивные элементы делятся на более мелкие, удобные для изготовления, транспортировки и монтажа.
Наиболее распространенными в малом мостостроении являются железобетонные пролетные строения. Их собирают из отдельных ребристых балок. Конструкция балок предполагает объединение их в поперечном направлении, но исключает возможность создавать жесткие продольно связанные (неразрезные) пролеты. Разрезность пролетов подчеркивается в натуре установкой ДШ, отделяющих пролеты один от другого и от насыпи.
Более редкое применение находят типовые сталежелезобетонные пролетные строения по проектам ЦНИИПСК, Киевсоюздорпроек- та и Ленгипротрансмоста. Здесь совместная работа главных металлических балок и сборных железобетонных плит обеспечивается жесткими дискретными упорами.
В сталежелезобетонных пролетных строениях после 20—30 лет эксплуатации обнаруживаются серьезные недостатки, снижающие их грузоподъемность. Наиболее слабым звеном в этих конструкциях выступает узел сопряжения плиты и главных балок.
Вследствие низкой долговечности железобетонных и сталежелезобетонных пролетных строений в последние годы на малых мостах все более широкое применение находят металлические конструкции, несмотря на их высокую стоимость. Так, по данным НИЦ «Мосты» ОАО ЦНИИС соотношение стоимостей пролетных строений (длиной 42—43,5 м) металлических, сталежелезобетонных и железобетонных составляет: 1:0,79:0,64.
Индивидуальными конструкциями пролетных строений, характерными только для малого мостостроения, являются плитные пролетные строения. Однако и они создавались «с оглядкой» на коробчатые пролетные строения больших мостов. Это привело к появлению пустотных плит. О них более подробно речь пойдет в п. 2.1.
Пролетные строения железнодорожных мостов выполняются преимущественно из железобетона в виде плитных конструкций длиной от 2,95 до 7,7 м и ребристых длиной 9,3; 11,5; 13,5 и 16,5 м (типовой проект Ленгипротрансмоста инв. № 557). Преднапряженные конструкции применяются в пролетах длиной 16,5; 18,8; 23,6 и 27,6 м (типовой проект Ленгипротрансмоста инв. № 556). Они предназначены для применения в обычных климатических условиях. В начале 1970-х гг. блоки длиной 23,6 и 27,6 м с участием автора были усовершенствованы для применения их при температуре ниже минус 40 °С. Это позволило широко использовать их на строительстве БАМа. Сталежелезобетонные пролетные строения имеют длину 18,8; 23,6; 27,6 и 34,2 м (типовой проект Ленгипротрансмоста инв. № 739).
Устои обладают высокой степенью самостоятельности по отношению как к пролетным строениям, так и к подходной насыпи. Во втором случае самостоятельность достигается за счет массивности устоев и их жесткости (рис. 1.2) или заякоривания гибких опор в грунтовом массиве (рис. 1.3).
Рис. 1.2. Типы устоев: а — массивные; б — жесткие
Для заякоривания применяют анкера (рис. 1.3, а), продольные открылки, которые выполняют функцию стабилизатора положения опоры в насыпи (рис. 1.3,6), переходные плиты, выведенные за пределы призмы обрушения (рис. 1.3, в). Переходные плиты поверхностного типа либо полузаглубленные (с различным конструктивным решением анкеровки) предполагают шарнирное опирание тела устоя на фундамент.
Рис. 1.3. Способы заанкеривания гибкой опоры в насыпи подходов: анкера (а), продольных открылков (б) или переходной плиты (в)
Устои воспринимают неуравновешенное активное давление грунта насыпи и временной нагрузки, которая находится на призме обрушения. Это порождает задачу по снижению активного давления. Она решается размещением стоек вдоль оси моста, а не поперек («самолетики» — тип опор под железнодорожную нагрузку), срезки части насыпи (рис. 1.4, а), устройства стенки, армированной геотекстилем, устройства наклонной подпорной стенки (рис. 1.4, б). Для этих случаев применяют также стенки криволинейного очертания (рис. 1.4, в). При этом внешние горизонтальные нагрузки от грунта засыпки в сторону пролета уравновешиваются опрокидывающим моментом в сторону насыпи от вертикальной нагрузки на устой.
Рис. 1.4. Способы снижения активного давления грунта на устой с помощью срезки части насыпи (а), устройства наклонной подпорной стенки или опоры (б) либо криволинейной стенки (в)
Схемы построения малых мостов не отличаются от средних и больших. Применяемые конструкции также не имеют существенных отличий. Отсюда следует, что деление мостов на классы является условным. Условность проявляется в отсутствии обоснованных границ между классами. На практике это означает, что при проектировании, строительстве и эксплуатации мостов не учитывается принадлежность их к тому или иному классу. К мостам всех классов подход одинаковый.
Существует несколько типов балочных мостов, которые применяются практически только в малом мостостроении. К ним относятся мосты с устоями лежневого типа и распорные мосты.
Однопролетный балочный мост с устоями лежневого типа (диванные устои) показан на примере конкретного сооружения (рис. 1.5).
Рис. 1.5. Мост с устоями диванного типа: 1 — щебеночная подушка;
2 — скальная отсыпка; 3 — грунтовое основание; 4 — шкафной блок;
5 — деформационный шов; 6 — пролетное строение; 7— переходная плита
Балочное пролетное строение может быть железобетонным, металлическим или сталежелезобетонным. Непосредственно под шкафным блоком расположена опорная плита, под которой устраивается щебеночная или песчано-гравийная подушка, которая является элементом дренажной системы, выполняет функции обратного фильтра и снижает эффект агрессии пучения подстилающих грунтов. Подушка, кроме того, позволяет снизить вертикальную нагрузку от плиты- лежня на основание увеличением зоны распределения нагрузки. Увеличение зоны зависит от высоты подушки и угла внутреннего трения материала, из которого она выполнена.
Балочные мосты с устоями диванного типа эпизодически применяются отдельными строительными и проектными организациями на сети автомобильных и, весьма редко, железных дорог.
На притрассовых автодорогах БАМа «Мостострой-9» по проектам Сибгипротранса построил 20 мостов с габаритом проезда Г—4,5 + 2 х х 0,75 м и длиной пролетов от 22 до 33 м при высоте насыпи подходов от 3 до 6 м. Кроме них, были построены мосты с другими габаритами, где расчетное давление на грунт принимали до 2—2,5 кгс/см2. С участием ЦНИИС построены мосты с диванными устоями в многопролетном варианте.
Наибольшая длина пролета автодорожного моста составляет 42,6 м (мосты в Новосибирской области, выполненные по проекту Сибгипротранса, 1981 г.), железнодорожного —34,2 м (совмещенный мост на временном обходе на 72 км ж.-д. линии Обская—Бованен- ково, проект Ленинградского отдела Гипростроймоста).
Применение диванных устоев наиболее выгодно в бесконусных вариантах насыпи, которые обеспечиваются применением контрфорсов (рис. 1.6).
Этот эффект достигается также армированием основания под диванными блоками металлическими и железобетонными георешетками или геотекстилем.
Рис. 1.6. Устой диванного типа на контрфорсе: 1 — контрфорс;
2 — лицевая стенка; 3 — каменная рисберма; 4 — гравийная отсыпка;
5— пролетное строение; б —деформационный шов; 7— переходная плита;
Достоинством этого вида мостов является их совместная работа с насыпями, отказ от трудоемких работ по устройству глубоких фундаментов, простота и гарантированное выполнение качества работ, выполняемых «поверху». Бесконусное сопряжение моста с насыпью позволяет заменить обычные балочные двухпролетные схемы мостов на однопролетные. Недостатком является то, что мосты применяют нередко в многопролетных схемах с существенно различной деформируемостью основания под промежуточными и береговыми опорами.
Распорный балочный мост в общем случае включает в себя балочное пролетное строение /, гибкие устои-стенки 2, переходные плиты 3 и лежни 4 (рис. 1.7). Эта схема одинаково применима как под автомобильную, так и железнодорожную нагрузку. Такие сооружения называют еще мостами тоннельного типа.
Рис. 1.7. Распорный мост: 1 — балочное пролетное строение; 2— гибкие устои-стенки; 3 —переходные плиты; 4 — лежни; 5 — распорки
Рис. 1.8. Рамные мосты: 1 — пролетное строение; 2 — устои; 3 — промежуточная опора; 4 — раствор
Первые рамные мосты в монолитном исполнении конструкции Геннебика (Франция) начали применять с 1894 г. (в России — с 1899 г.).
Одна из конструкций распорного автодорожного моста, предложенная инж. Н.А. Словинским, показана на рис. 1.8, а. Устои выполнены в виде гибких стенок из сборных плит, объединенных поверху насадками. Плитное пролетное строение длиной 6 м шарнирно связано с устоями. С 1958 г. в Москве эксплуатируются одно- и двухпролетные путепроводы, построенные по проектам института «Мо- синжпроект» (рис. 1.8, б).
Свободная работа стоек (стенок) обеспечивается деформируемостью грунта по горизонтали. Это может быть достигнуто также устройством амортизирующих прослоек между стенками и грунтом насыпи. Прослойка может быть выполнена из литого асфальта толщиной от 5 до 15 см, играющего роль водонепроницаемого экрана и демпфера. Она достаточно пластична и подвижно реагирует на деформации сооружения. Прослойка долговечна, поскольку на нее не оказывает воздействие солнечная радиация.
Поставленная цель может быть достигнута дополнительной подпорной стенкой (рис. 1.9). Такая конструкция моста запроектирована в Гипродорнии. Длина пролета достигает 24 м. Схема моста вместе с переходными плитами длиной по 6 м имеет два ДШ.
Рис. 1.9. Распорный мост с разгрузочной подпорной стенкой:
1 — пролетное строение; 2 — гибкая опора; 3 — подпорная стенка
Нагрузку со стороны насыпи на стойки опор снимают также армированием грунта геотекстилем, установкой анкерного крепления и т.д.
Распорные балочные мосты на железных дорогах, как правило, однопролетные. Их применяют в двух вариантах. Первый вариант предполагает традиционное сопряжение пролетного строения с устоями и наличие подвижных и неподвижных опорных частей. Между торцами балок пролетного строения и шкафными блоками устраивают демпфирующие прокладки, выполняющие функции фильтра усилий (рис. 1.10, а). Второй вариант содержит дополнительную балку, воспринимающую распор от устоев (рис. 1.10, б, 1.11 и 1.12).
Оба варианта в опытном порядке были применены на БАМе в начале 1980-х гг. с учетом разработок лаборатории опор мостов ЦНИ- ИСа. Мосты по второму варианту были построены на линии Ягельная—Ямбург и Нерюнгри—Томмот.
К достоинствам распорных мостов относятся отсутствие конусов под пролетом, что увеличивает подмостовое пространство; практическая независимость от высоты насыпи; гибкость опор и снижение тем самым материалоемкости устоев; повышенная сопротивляемость сооружения динамическим нагрузкам посредством улучшения диссипативных и демпфирующих свойств сооружения, заанкеренного в геомассиве. В балочных распорных системах изгибающие максимальные моменты в стойках опор в несколько раз меньше, чем в стойках обычного балочного моста.
Рис. 1.10. Железнодорожные распорные мосты с демпфирующими прокладками (а) или с дополнительной балкой для восприятия распора от устоев (б): 1 — демпфер; 2 — распорка
Рис. 1.11. Распорный мост на железнодорожной линии Ягельная—Ямбург: 1 — пролетное строение; 2 — распорка
Рис. 1.12. Распорный мост на 378 км железнодорожной линии Беркакит— Томмот: 1 — пролетное строение; 2 — распорка
Особым видом мостов, применяемых только в малом мостостроении, являются арочные засыпные мосты. Они включают в себя арочное пролетное строение, ростверки и свайные элементы. Мост может быть выполнен на естественном основании; с оголовками, включающими в себя порталы и открылки, или без них (рис. 1.13).
Рис. 1.13. Арочный засыпной мост:/— стрела арки; Lp— расчетный пролет
Арки могут быть выполнены из железобетона (монолитного или сборного), металла или сталежелезобетона. В последнем случае металлический, как правило, гофрированный лист применяется в качестве поддона при бетонировании и в дальнейшем используется в качестве внешнего армирования.
Первое изобретение в области арочных засыпных мостов со сборной конструкций арок было сделано в СССР в 1951 г. К.В. Самохваловым (авторское свидетельство № 93239). Однако мосты такого типа в те годы заметного распространения не получили. Позже, в 1966 г., подобная конструкция была разработана в Швейцарии Вернером Хойлером и получила название «БЕБО». Еще позже аналогичные конструкции и технология строительства были запатентованы во Франции под названием «МАТЬЕР». В США первый арочный мост системы «БЕБО» был построен в штате Миннесота в 1981 г. Впоследствии были сооружены сотни подобных мостов пролетами до 15 м.
В 1980-х гг. мосты такого типа признаны выдающимся достижением мирового мостостроения.
В нашей стране арочные засыпные мосты лишь в опытном порядке стали применять в 1980-е гг. Под железнодорожную нагрузку было построено несколько мостов пролетом 6 м на БАМе и АЯМе.
По разработкам Гипродорнии построено несколько автодорожных мостов и путепроводов пролетами до 18 м.
В последние годы построен ряд железобетонных полносборных арочных засыпных мостов по типовым и индивидуальным проектам, выполненным автором. Пролеты автодорожных мостов составляют от 4 до 12 м, железнодорожных — 6,6 и 8,8 м. Мосты под автомобильную и железнодорожную нагрузку нашли применение в Архангельской, Вологодской, Ульяновской, Калужской и других областях, в Мордовии, на федеральной дороге «Амур» и в других регионах страны.
С начала текущего столетия место арочных засыпных мостов активно занимают металлические гофрированные трубы диаметрами до 7 м отечественного производства и до 15—17 м — европейского.
В отличие от водопропускных труб арочные засыпные мосты выгоднее потому, что:
• имеют высокую водопропускную способность;
• обладают развитым живым сечением, что допускает расчистку лотка механизированным способом, а также способствует доступу холодного воздуха к вечномерзлым грунтам основания;
• надежно работают на пропуск льда, карчехода и селевых потоков (в этих условиях применение труб вообще исключено);
• менее зависимы от воздействий наледи;
• в них исключена растяжка в поперечном (относительно дороги) направлении, так как арочные элементы жестко объединены между собой;
• допускается возведение без строительного подъема с учетом того, что фундаменты арочных засыпных мостов более основательны, чем фундаменты труб;
• более совершенны в отношении экологии, так как обеспечивают пропуск нерестовых рыб.
В отличие от балочных мостов засыпные:
• не имеют опорных частей, ДШ, переходных плит и шкафных стенок, т.е. тех элементов, которые отрицательно влияют на комфортность движения и долговечность сооружения;
• не меняют условия движения транспорта по дороге (не создают стеснение проезжей части и обочин, не требуют изменения типа дорожной одежды, обеспечивают идеальное сопряжение моста с насыпями подходов);
• практически не имеют реакций от динамической составляющей временных нагрузок, которые являются одной из причин ускоренного выхода из строя балочных пролетных строений;
• имеют классическую форму и наиболее естественно вписываются в природный ландшафт. Здесь можно говорить об их эстетической привлекательности и исторической преемственности.
Арочные мосты из камня являются традиционными искусственными сооружениями, покоряющими своей эстетической выразительностью и долголетием. До наших дней дошли арки времен Древнего Рима, имеющие возраст почти 2,5 тысячелетия. Их строят и в настоящее время (рис. 1.14).
Рис. 1.14. Каменный мост