Опоры мостов. Характеристика

Геологический разрез определяет выбор типа оснований и фундаментов для промежуточных: русловых и пойменных и крайних – береговых опор.

Опоры моста являются ответственными сооружениями, которые должны отвечать требованиям прочности, устойчивости, надежности. Основное назначение опор заключается в передаче нагрузки от опорных частей и(или) подферменных площадок пролетных строений на грунты основания. Разделение опор на береговые и промежуточные производится по условиям эксплуатации, передачи нагрузок и расположению. Промежуточные опоры чаще всего располагаются в зоне переменного уровня воды и подвергаются воздействию не только вертикальных, но и горизонтальных нагрузок, в том числе ледохода и навала судов. Береговые опоры в большинстве своем располагаются на суходоле и сопрягаются с конусами подходных насыпей. Поэтому на береговые опоры, кроме вертикальных нагрузок, действуют значительные горизонтальные силы от давления грунта.

В плане тело опор имеет различное очертание: прямоугольное, с закругленными или заостренными боковыми гранями, круглое (рис. 2.3)

Рис. 2.3.1. Типы сечений тела опоры: а – прямоугольное; б – закругленное; в – заостренное; г – круглое; А оп – размер вдоль оси моста; Воп – размер поперек оси моста; dоп – диаметр

 

При проектировании на выбор формы тела опоры большое значение оказывают классность реки и интенсивность ледохода. Опоры, возводимые на суходоле, как правило, применяются прямоугольного сечения в плане. Опоры, располагаемые в русловой части, должны обеспечивать пропуск паводков (высоких вод) под мостом без подмыва (размыва) грунта основания и иметь закругление (заострение) боковых граней.

В современных условиях применяются опоры массивные и облегченные, монолитные, сборно-монолитные и сборные. При сооружении средних мостов предпочтение отдается сборно-монолитным и сборным конструкциям.

Массивные сборно-монолитные опоры применяются при наличии на реке ледохода. Они состоят из контурных бетонных или железобетонных блоков, служащих облицовкой, и монолитного бетона заполнения (прил. 2, рис. 1 и прил. 3, рис. 1). Контурные блоки облицовки должны иметь толщину и высоту не менее 40 см, но чаще всего применяются высотой 70 см или 100 см. Блоки имеют анкеровку в бетон заполнения преимущественно арматурными выпусками. Располагаются контурные блоки горизонтальными рядами с перевязкой или без перевязки швов. Стыки между блоками толщиной 10–15 мм заполняются бетоном ядра сечения опоры с расшивкой цементно-песчаным раствором с наружной стороны.

Массивные сборно-монолитные опоры проектируются, как правило, на фундаментах глубокого заложения (сваях, сваях-оболочках, буронабивных или буроопускных столбах).

В современных условиях широкое распространение получили безростверковые опоры (рис. 2.3.2)

В зависимости от местных производственных условий, опо­ры сооружают:

• сборными из изготовленных на полигонах и заводах эле­ментов (столбов, стоек, ригелей и пр.);

• сборно-монолитными, выполняемые частично из сборных элементов, частично из монолитного бетона или железобе­тона;

• монолитными, бетонируемыми на месте в стационарной, щитовой скользящей и другой опалубке.

 

 

Рис. 2.3.2. Безростверковые опоры: а – промежуточная; б – береговая;

1 – монолитная насадка; 2 – свая-оболочка; 3 – монолитный бетон; 4 – подводный бетон; 5 – буронабивной столб; 6 – продольная арматура; 7 – надфундаментная стойка; 8 – шкафной блок; 9 – уровень сезонного промерзания грунта; 10 – металлический кожух

Для мостов применяется монолитная насадка, размеры которой в плане определяются в зависимости от расположения опорных частей, количества и размещения свай (столбов, оболочек), а высота должна быть не менее 0.7 м

Сваи-оболочки проектируются диаметром 1,6–3,0м с длиной секций 4-8 м. Свая-оболочка представляет собой железобетонную конструкцию круглого сечения толщиной 12–15 см, заполненную армированным бетоном, или полую. Как правило, в ней предусматривается горизонтальное армирование и сварные равнопрочные стыки [ 7]. Технология погружения свай-оболочек определяется способом разработки опережающей скважины в зависимости от вида грунта основания. После ее погружения устанавливается арматурный каркас и производится заполнение оболочки бетоном.

Буронабивные столбы проектируются диаметром 0,8–1,0 м и состоят из двух элементов: надфундаментной стойки и вертикального столба, объединенных с помощью водонепроницаемого металлического кожуха или бетона омоноличивания [7]. Наибольшее применение получили три типа буронабивных столбов: первый – с диаметрами буронабивного столба d1= 1,5 м и сборной стойки d2 =1,35 м; второй – d1=1,5 м и d2 = 0,8 м; третий – d1 = 1,2 м и d2 = 0,6 м. Для безростверковых опор буронабивные столбы проектируются при условии, что бурение скважин и подводное бетонирование осуществляется с применением извлекаемых обсадных труб [7]. Буронабивной столб сооружается устройством в грунте скважины с креплением стенок обсадными трубами, установкой в нее арматурного каркаса и заполнением бетонной смесью способом вертикально перемещающейся трубы или под давлением бетононасосами.

Буроопускные столбы проектируются диаметром 0,6–0,8 м. Железобетонные столбы заводского изготовления длиной от 6 до 15 м (с шагом 1 м) устанавливаются в предварительно пробуренные скважины диаметром 0,8–1,0 м с последующим заполнением пазух вокруг столба цементно-песчаным раствором. Находят применение также столбы с уширенной пятой, основные параметры которой приведены в [7].

Безростверковые опоры состоят из одной-двух вертикальных или наклонно погруженных свай (столбов, оболочек). Размеры поперечного сечения и длину свай назначают по результатам расчета несущей способности фундаментов с учетом действующих нагрузок, геологических, гидрологических условий, глубины сезонного промерзания грунтов, общего и местного размывов дна русла, особенностей технологии их возведения.

Последовательность разработки конструкции промежуточной или береговой опоры заключается в следующем: выбирают тип конструкции, назначают геометрические параметры элементов (опорных площадок, подферменной плиты, насадки (ригеля), тела опоры, свай, свай-оболочек, буронабивных или буроопускных столбов), осуществляют расчет фундамента и уточняют первоначальные размеры опоры.

Основные размеры опор следует назначать с соблюдением принципов модульности и унификации в строительстве, а также возможности использования при монтаже и перевозке строительных кранов и имеющихся транспортных средств, рекомендуется ознакомиться с типовыми проектами автодорожных опор: 3.503.1-90, 3.503.1-76, 3.503-49, 3.503-51, 3.503.1-53, 3.503.1-57, 3.503.1-60, 3.501-61, 3.503.1-69, 3.503.1-79, 3.503.1-92, 3.503.1-94, 3.503.1-100 унифиц, 3.503.1-102, 3.503.1-104, 3.503.1-105, 3.503.1-109.93.

 

Береговые опоры.

Важным конструктивным элементом продольной схемы моста является береговые опоры которые предназначены для опирания на них крайних пролётных строений, для удержания насыпей под­ходов от обрушения и сопряжения конструкции моста с подхода­ми.

Существует большое разнообразие конструктивных форм береговых опор. Они подразделяются на два типа: обсыпные, когда конус насыпи выходит за переднюю стенку, уменьшая живое сечение русла; необсыпные, когда конус подходной насыпи не выходит за переднюю грань и фундамент (рис. 2.3.3).

Рис. 2.3.3. Береговые опоры: а – необсыпные; б – обсыпные;

1 – шкафная стенка; 2 – подферменная плита; 3 – передняя стенка; 4 – фундамент; 5 – пролетное строение; 6 – шкафной блок; 7 – плита насадка; 8 – свая-оболочка; 9 – подходная насыпь; Н – высота насыпи

Необсыпные устои применяются преимущественно при высоте насыпи Н<6 м, а обсыпные – Н> 6 м в средних или больших мостах.

Крутизна откосов выполняется в соответствии с техниче­скими условиями, их значения приведены в табл. 2.3.2.

 

 

Таблица 2.3.2.

Вид устоя	Высота насыпи h	Крутизна откоса т
Необсыпной	До 6м 6... 12м Более 12 м	1:1,25 1:1,5 1:1,75
Обсыпной	-	1:1,5

При пролётных строениях малой длины обычно применяют облегчённые сборные обсыпные устои.

Для пролётов 12... 15 м применяют обсыпные свайные од­норядные или двухрядные устои (рис. 2.11,а).

Для пролётных строений длиной 18...33 м и при высоте опоры менее 6 м применяют свайные козловые устои с верти­кальными и наклонными сваями (рис. 2.11,6).

Глубина забивки свай не менее 4 м.

Рис. 2.3.4. Облегченные конструкции устоев:

а-свайные(одно, двухрядные), б-свайный козловый

Обсыпные стоечные устои и козловые стоечныеприме­няют при длине пролётных строений до 33 м и при высоте насы­пи до 12 м (рис. 2.3.5)

 

 

Рис. 2.3.5. Вид обсыпных устоев:

а-стоечный, б-козловый стоечный

В балочных мостах применяют массивные обсыпные устои, в которых конус заходит в крайний пролёт моста. Конус насыпи должен проходить ниже подферменной площадки на 0,5...0,75 м.

Рис. 2.3.6. Массивный обсыпной устой

В зависимости от высоты подходной насыпи Н и длины пролетного строения l_n применяются монолитные, сборно-монолитные и сборные устои. При выборе береговых опор моста следует отдавать предпочтение использованию типовых конструкций, а также соблюдению условий индустриальности. Кроме того, надо помнить о соблюдении условий, связанных с дальностью перевозки сборных элементов от полигона или МЖБК до места расположения моста. Экономически выгодной считается дальность транспортировки элементов железнодорожным транспортом – 2,0 тыс. км, речным – 1,5 тыс. км, автомобильным – до 200 км.

Минимальная ширина береговых опор(устоев) рис.2.3.4.

 

 

Рис. 2.3.7. Назначение размеров в верхней части устоя

 

При закругленном конце подферменной плиты а₁=в₁.

Высота шкафной стенки h _ш устоев от уровня подферменной плиты складывается из строительной высоты пролётного строе­ния, считая от низа балок на опоре h до отметки проезжей части, высоты опорных частей h_oр„ и высоты выступающей площадки (подферменника) h_подф.

Чтобы вода не задерживалась на ригеле, её поверхности, за исключением площадок для установки опорных частей, придают уклоны (сточный треугольник) от середины к краям не менее 1:10. Во избежание образования потёков на поверхности опоры устраива­ют карнизы со свесами не менее 10 см, на нижней поверхности которых делают специальную канавку-слезник.

Пойменные опоры, расположенные в эстакадной части моста (при незначительных глубинах воды), в зоне редкого затопления или на сухом месте, проектируют облегченного типа.

В малых и средних мостах, при грунтах, допускающих за­бивку свай, при отсутствии или слабом ледоходе применяют свайные опоры. Они просты по конструкции и экономичны.

Глубина забивки свай в грунт должна быть не менее 4 м.

При пролётах до 12 м свайные опоры делают однорядными, а при пролётах 15...21 м - двухрядными (рис. 2.3.5).

Промежуточные опоры.

При выборе типа промежуточных опор необходимо проанализировать геологические, гидрологические, климатические и другие местные условия района проектирования моста.

В конструкции промежуточной опоры обычно различают следующие части: подферменную плиту, оголовок (ригель), тело опо­ры и фундамент. На подферменную плиту непосредственно пе­редаётся опорное давление от пролётного строения. Размеры подферменной плиты определяются условиями расположения опорных частей [мит].

Некоторые параметры опор назначают методом последовательных приближений исходя из требований эксплуатации. К таким параметрам относятся: отметка низа опоры, положение обреза фундамента; минимальные размеры конструкции опоры и фундамента подробно рассмотрены в [метод Драновский, костерин, кирилов, справочник Г.И швецов]

В соответствии с рис. 2.3.4 можно определить отметку низа опоры и отметку верха опоры, необходимые для составления схе­мы моста

 

а)

б)

Рис. 2.3.3. Назначение отметок опоры: а-низа опоры; б-верха опоры

 

Размеры в плане подферменной плиты для мостов балочной системы назначают, исходя из числа балок пролётного строения и расстояний между ними, размещения опорных частей, размеров в плане их опорных листов, из условия безопасного удаления опорных частей от граней подферменных плит.

При проектировании промежуточных опор определяют минимально требуемые размеры исходя из геометрических показателей пролетных строений, опирающихся на опору (l_n + l_р), опорных частей а_оч, b_оч, опорных площадок с₁, подферменной плиты с₂, с₃ (рис. 2.3.5.).

Рис. 2.3.5. Схема опоры для определения минимальных размеров: а – вид вдоль оси моста; б – вид поперек оси моста; Аоп, Воп – размеры опоры вдоль и поперек оси моста; К – расстояния между осями главных балок пролетного строения; а_оч, b_оч – размеры опорной части вдоль и поперек оси моста.

Минимальный требуемый размер опоры вдоль оси моста Аоп, м,

определяется из выражения

где а_оч – продольный размер опорной части (прил. 1, табл. 1); с₁ – расстояние между торцами опорной части и опорной площадки, с₂ – расстояние между торцами опорной площадки и подферменной плиты, е-расстояние между торцами подферменных плит.

Минимально требуемый размер опоры поперек оси моста Воп, м, определяется по формуле:

где К – расстояние между осями крайних главных балок пролетного строения; b_оч – поперечный размер опорной части (прил. 1, табл. 1); с₃ – поперечный размер подферменника от опорной площадки (рис. 2.6, б).

Рис. 2.3.5. Пример подферменной площадки опоры под разрезные пролётные строения: а – вид с боку; б – вид с верху

Высота подферменной плиты составляет 0,10–0,40 м.

В настоящее время для средних мостов с пролетными строениями длиной до 33 м рекомендуется отдавать предпочтение опорам на сваях-оболочках, буронабивных или буроопускных столбах.

При разработке безростверковых опор под цельноперевозимые железобетонные пролетные строения железнодорожных мостов предпочтение отдается типовым проектам столбов, но допускается их проектировать индивидуально с учетом местных условий и возможностей строительных организаций. Тип свайных элементов безростверковых опор выбирается с учетом использования прочностных свойств материала свай при минимальной стоимости работ по их возведению.

В мостах через реки со слабым ледоходом, если грунтовые условия не позволяют забить сваи, устраивают стоечные опоры (рис. 2.8,5).

рис.2.3.6.Промежуточные опоры облегченной конструкции:

а-свайные(одно,двухрядные); б-стоечная; в-столбчатая.

 

При пролётах до 33 м при отсутствии или малой интенсив­ности ледохода применяют сборные столбчатые опоры (рис. 2.3,6 в)

При больших пролётах, а также при значительных ледохо­дах применяют массивные опоры (быки).

Они могут быть сборными из сплошных бетонных блоков, сборно-монолитными из пустотелых бетонных или железобетон­ных контурных блоков, заполняемых бетоном, и монолитные.

Монолитные сплошные быки в настоящее время применя­ются редко. Сборные и сборно-монолитные быки делают с вер­тикальными гранями.

При большой высоте промежуточных опор под пролётные строения длиной 18...33 м применяются быки с облегчённой верхней частью(рис. 2.9,а).

Нижняя часть опоры в пределах колебаний уровней воды делается массивной сборной, сборно-монолитной или монолит­ной конструкцией. Верхняя часть опоры выполняется в виде рам­ной надстройки, состоящей из стоек и ригеля, на который через подферменники опираются балки пролётного строения.

Под пролётные строения до 33 м наиболее часто применя­ются массивные опоры (рис. 2.9,б).

 

рис.2.3.7. Сборномонолитные промежуточные опоры:

а- с облегченной верхней частью, б- массивная

 

В исходных данных на курсовое проектирование указывается вид подстилающего грунта, характеристики которого служат основой определения параметров фундамента.

Безростверковые опоры на столбах допускается проектировать в любых немерзлых и вечномерзлых грунтах, включая крупнообломочные и скальные. Забивные сваи целесообразно применять в грунтах, допускающих возможность их погружения на расчетную глубину без устройства лидерных скважин [ 7].

На постоянно действующих водотоках при отсутствии ледохода возможно применение столбов и свай-оболочек для безростверковых опор. При наличии ледохода необходимо предусматривать специальные защитные устройства (металлические кожухи).

Материал элементов опоры определяется с учетом климатических условий района проектирования моста.

На листе формата А3 вычерчивается разработанная конструкция промежуточной опоры с видами вдоль, поперек оси моста.

Глубина заложения и требуемое количество свай, столбов или оболочек определяются на основании эскизного анализа различных вариантов по затратам материалов и проверяются по приближенным расчетам по прочности грунтового основания.

После определения минимально требуемых размеров ригеля (насадки) безростверковой опоры (рис. 2.3.2) первоначально принимают количество железобетонных столбов – 4, оболочек – 2.

Размещение их в монолитной плите осуществляется с соблюдением следующих условий (см. рис. 2.3.8): расстояние от столба до грани плиты должно быть не менее 0,25 м, а в свету между столбами – не менее 1,0 м. Если подобранные ранее размеры А_оп и В_оп не удовлетворяют условию размещения свай, столбов, оболочек в плите насадке, то они корректируются.

 

Рис. 2.3.8. Схема размещения свай в плите.

 

Необходимое количество свай, столбов, оболочек в плите определяют по условию их размещения.

Далее определяется первоначальная глубина заложения свай (столбов, оболочек) в грунт основания h_з (рис. 2.3.9.).

При определении длины сваи (столба, оболочки) учитывается глубина общего h_пр и местного размыва h_мр, а также заделка в грунт не менее 4 м.

 

Рис. 2.3.9. Схема опоры для определения глубины заложения сваи (столба, оболочки): ВМГ – граница вечномерзлого грунта; СКГ – граница скального грунта

 

Нижний конец свай следует заглублять в прочные грунты не менее 1,0 м, прорезая более слабые напластования грунтов. Анкеровка столбов или оболочек в вечномерзлые грунты должна осуществляться на глубину не менее 2,5–3,0 м, а в скальные – не менее 2,5 м.