автореферат диссертации по строительству, 05.23.15, диссертация на тему:Исследование работы балочных распорных мостов

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

ВЕХБЕХ ГАССАН

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ БАЛОЧНЫХ РАСПОРНЫХ МОСТОВ (05.23.15 - Мосты и транспортные тоннели)

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,академик PAT Потапкин A.A.

Москва-1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр

ВВЕДЕНИЕ..............:.....................................................................2

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ И МЕТОДОВ РАСЧЕТА БАЛОЧНЫХ РАСПОРНЫХ МОСТОВ.................................................................4

1.1 .АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ................................4

1.2. ОБЗОР МЕТОДОВ РАСЧЕТА..................................................23

1.3.ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ......................... .............37

ГЛАВА 2. РАСЧЕТ БАЛОЧНЫХ РАСПОРНЫХ

МОСТОВ ПО КОМПЛЕКСНОЙ СХЕМЕ КАК ЕДИНОЙ СИСТЕМЫ, ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩЕЙ С ГРУНТОМ.....................................................39

2.1.РАСЧЕТНАЯ СХЕМА И ОСНОВНАЯ СИСТЕМА.....................39

2.2.РАСЧЕТ ПО МЕТОДУ СИЛ.....................................................41

2.3.РАСЧЕТ ПО МЕТОДУ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ..................................49

2.4.ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС "РОСТВЕРК-3 РС"...................57

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ БАЛОЧНЫХ РАСПОРНЫХ МОСТОВ НА СИЛОВЫЕ И ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ 66

3.1.ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ.........................................................66

3.2.РАСЧЕТ НА ПОСТОЯННОЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЕ ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА НАСЫПИНА УСТОИ...............................68

3.3.РАСЧЕТ НА ДАВЛЕНИЕ ОТ ПОДВИЖНОЙ

ВЕРТИКАЛЬНОЙ НАГРУЗКИ НА ПРИЗМЕ ОБРУШЕНИЯ.........82

3.4.РАСЧЕТ НА ТОРМОЗНЫЕ НАГРУЗКИ...................................92

3.5.РАСЧЕТ НА ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ.................109

ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ...................................... 127

ЛИТЕРАТУРА

129

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность темы.

Балочные распорные мосты, пролетные строения которых работают совместно с опорами и грунтом насыпей на действие горизонтальных нагрузок (тормозные силы, горизонтальное давление грунта, температурные воздействия), нашли широкое применение в практике мостостроения. Применение балочных распорных мостов позволяет снизить стоимость строительства и значительно улучшить эксплуатационные характеристики сооружений.

Однако влияние жесткостных параметров грунтов оснований опор и насыпей на работу балочных распорных мостов недостаточно изучено. Проведенные численные исследования создали практические предпосылки для проектирования и эксплуатации балочных распорных мостов. Цель диссертационной работы.

Целью работы является расчетное обоснование эффективного применения балочных распорных мостов на автомобильных дорогах. При этом ставятся следующие задачи:

- обобщение и анализ методов проектирования и строительства балочных распорных мостов;

- разработка расчетных схем балочных распорных мостов с учетом взаимодействия с грунтом ;

- разработка метода расчета балочных распорных мостов как единой системы работающей с грунтом на горизонтальные временные нагрузки, давления грунта, изменения температуры;

-3- исследования работы балочных распорных мостов на различные воздействия;

- разработка рекомендаций по проектированию балочных распорных

мостов.

Научная новизна. Новизна исследований заключается:

- В предложенных расчетных схемах и методах расчета как единой системы;

- Выявленных закономерностях (особенностях) работы опор и

пролетных строений балочных распорных мостов;

- В рекомендациях по проектированию мостов балочно-рас-порной системы.

Практическая ценность. Материалы диссертационной работы могут быть применены в практике проектирования, эксплуатации и реконструкции мостов.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения, Списка использованной литературы из 30 наименований и содержит 130 страниц машинописного текста.

Автор выражает искренную благодарность преподавателям и сотрудникам кафедры за помощь в научных исследованиях.

Автор сердечно благодарит доктора технических наук., профессора , академика PAT А.А.Потапкина, под руководством которого выполнялись исследования и ценными советами которого пользовался при написании настоящей работы.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ И МЕТОДОВ РАСЧЕТА БАЛОЧНЫХ РАСПОРНЫХ МОСТОВ 1.1 .АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ

Выбор системы моста в каждом случае зависит от местных условий строительства, генеральных размеров сооружения, подмостовых габаритов, геологического строения и физико-механических характеристик грунтов оснований.

В железобетонных мостах наиболее часто применяют сборные балочные системы. При пролетах до 33 м широко используют сборные железобетонные пролетные строения плитной или ребристой конструкции .

Для улучшения эксплуатационных характеристик сборные балочные конструкции часто превращают в неразрезные и температурно-неразрезные системы.

В конструкциях опор вместо массивных все шире используются гибкие железобетонные конструкции: свайные, свайно-стоечные, безростверковые, опоры-стенки.В отличие от массивных конструкций опор, которые передают свайным фундаментам преимущественно сжимающие усилия, в гибких опорах от действия горизонтальных сил ( торможение, температурные усилия, горизонтальное давление грунта насыпи подходов) в сваях, кроме сжимающих усилий возникают значительные изгибающие моменты.

В мостах небольшей длины существенную экономию дают решения необсыпных устоев с откосными крыльями. При этом возможно исключить по меньшей мере один пролет, который необходим при обычных обсыпных устоях.

Экономия достигается также за счет исключения работ по отсыпке и укреплению конусов, которые существенно усложняют технологический процесс при обсыпных устоях.

Дополнительное облегчение устоев может быть достигнуто в случае, когда горизонтальное давление грунта насыпи будет передаваться в верхней части на балки пролетных строений. Такая система, которую можно назвать балочной распорной ,впервые была разработана инж. Н.А.Словинским для мостов малых пролетов с плитными пролетными строениями [4] .

В конструкции Словинского использована идея четырехшарнирного балочного распорного моста (рис.1.1). В нижней части горизонтальные реакции давления грунта передаются на специальные распорки.

При этом вся система однопролетного моста превращается в геометрически изменяемую четырехшарнирную систему. Геометрическая неизменяемость четырехшарнирной системы обеспечивается работой грунта насыпи, за счет пассивного его отпора.

На грунт основания фундаменты передают только вертикальное давление. При малых пролетах система Словинского может использоваться не только в однопролетных, но и в двухпролетных мостах. Четырехшарнирные системы, в которых пролетные строения работают как распорки, обеспечивают экономию в кладке опор до 50% по сравнению с мостами, имеющими обычные типы опор в виде устоев с обратными стенками или откосными крыльями.

Монолитные четырехшарнирные мосты с условными шарнирами внизу разработаны в однопролетном варианте при отверстии в свету 2... 6 м и высоте насыпи 1,5 ... 6 м . Береговые опоры выполняются в виде

Рис.1.1. Четырехшарнирный мост с условными шарнирами внизу 1 - сваи; 2 - штырь; 3 - распорка.

тонкостенных устоев с прямыми откосными крыльями, причем стенка и крылья составляют одно целое и изготавляются из бетона класса В20 толщиной 0,30... 0,90 м в зависимости от высоты моста и величины пролетов [7]. Стенки,заглубленные в грунт, составляют одно целое с фундаментом, который образуется выступом высотой 0,6 м и с требуемый по расчету на прочность по грунту шириной.

Эта ширина фундамента по подошве не должна быть слишком большой, чтобы обеспечить возможность ее поворота, т.е. шарнирность опирания. Нижние распорки железобетонные, прямоугольного сечения с размерами 20 х 30 см, укладываются на нижние уступы стенки, на глубине не менее 1,0 м от поверхности грунта через 3... 3,5 м ( рис. 1.1 ,а).

При слабых грунтах, когда стенку - фундамент нельзя устраивать на естественном основании, применяют свайный фундамент из железобетонных свай ( рис. 1.1 ,б).

В этом случае сваи располагают в один ряд по оси фундамента, в крайнем случае - в два ряда в шахматном порядке, чтобы обеспечить податливость фундамента и его работу только на вертикальную нагрузку.

Сборный четырехшарнирный мост с явными шарнирами внизу (рис. 1.2,а) также состоит из устоев с прямыми откосными крыльями, которые вверху объединены плитными пролетными строениями. Нижние сборные распорки располагаются в уровне опорных подушек, в местах их стыков и у концов.

Блоки стенок имеют вертикальные пазы для их взаимного объединения, заполняемые при омоноличивании цементным раствором (рис.1.2,6). Стыки плит пролетного строения располагают вразбежку со стыками блоков стенки, поэтому анкерные штыри вверху устанавливают

Рис.1.2. Четырехшарнирный мост с явными шарнирами внизу : 1 - блоки пролетного строения; 2 -анкер-штырь; 3 -верхняя распорка; 4 -окаймляющая балка; 5 - нижние распорки; 6 - блок опорной подушки; 7 -фундамент; 8 - блоки стенки ; 9 - битум; 10 - войлок, пропитанный смолой; 11 -

цементная шпонка в пазах блоков стенки.

одновременно с омоноличиванием этих швов. Эти штыри пропускают через отверстия в плите пролетного строения и заделывают одновременно с омоноличиванием этих швов. Эти штыри пропускают через отверстия в плите пролетного строения и заделывают в вертикальном пазе -шпонке стыка между вертикальными блоками стенки. Блоки стенки, плиты пролетного строения и нижние распорки образуют четырехшарнирную систему.

Опорные подушки укладывают на цементном растворе на монолитные или сборные фундаменты мелкого заложения (при прочных грунтах).

Так как четырехшарнирная система создается выше фундамента, не исключена возможность устройства свайных фундаментов в виде низких свайных ростверков , если этого требуют грунтовые условия.

Рациональным типом легких сборных опор для малых мостов являются свайные устои с железобетонными заборными стенками (рис. 1.3).

Для установки железобетонных плит заборной стенки предусмотрена укладка лежня. В данном случае для облегчения работы сваи пролетное строение также используется как распорка.

Таким образом, основные особенности конструкции распорно-балочных мостов малых пролетов с облегченными устоями следующие:

а) использование пролетных строений , помимо их основного назначения, в качестве распорок между устоями;

б) устройство нижних распорок между фундаментами устоев , противостоящих сдвигу устоев в сторону пролета;

в) применение четырехшарнирной системы, устойчивость которой в эксплуатационных условиях обеспечивается заделкой ее в грунт насыпи, с учетом пластических деформаций грунта под подошвой фундамента;

Фасад

Ородшный разрез

Ю68

блока

теми^^ г Гравийная пвдгвтодха

блоки заёорнви стенки.

и

П

1-/ Н

и

>¿111-1^

5=

л

» 1' ! > >: .1 'I II ! ' 11 П

1ГЛ о '

Грабийная с$аи сечшем 25хЧ0см\

!! и

.а

I)

и

У

п

■ I

!!

и

О

Одиночное [мощение 15см

Рис. 1.3. Малый мост на свайных опорах.

-11г) объединение откосных крыльев с телом устоев вместо отделения их осадочными швами, как это обычно принималось;

д) учет упругого отпора грунта по плоскости стенок опор (их расчет ведут как расчет балок, лежащих на упругом основании).

Между тем эксплуатация четырехшарнирных мостов показала, что при пучинистых грунтах насыпи наблюдаются отрывы стенок крыльев от основной стенки опоры.

Кроме этого, при промерзании даже песчаных грунтов погруженная в них часть опорной стенки окажется заделанной и мост из четырехшарнирного может превратиться в систему с жестко заделанными внизу стенками,а распорки окажутся выключенными из работы.

Анализ разнообразных типов опор для наиболее распространенных условий равнинной и слабопересеченной местности с малыми реками показал,что наиболее рациональны свайные опоры. При высоте опор до 5 м наиболее часто используются забивные призматические сваи длиной до 14...16 м сечением 35 х 35 см.

Опоры обычно имеют сборные или монолитные насадки. Свайные опоры при высоте более 6 м могут оказаться трудновыполнимыми вследствии большого размера свай, требующих для транспортировки и забивки мощного механического оборудования.

Поэтому нашли широкое распространение опоры, у которых нижний ярус состоит из ряда забитых в грунт свай, связанных плитой ростверка, а вверху железобетонной насадкой (рис. 1.4,5).

В качестве верхнего яруса могут быть использованы также сплошные стенки сборной конструкции .

ГОТГЖ"'^

1 . . га га/ Т-

800 ■

Рис. 1.4. Свайная опора с высоким ростверком в виде рамной надстройки.

№1

и

730

'80

■е

■25

/нмезодствтые' сВаи 30*30см

>: -.! 1.1 I,! и! 'Ц

у

и

I !

У

1

И

( ! 1 I

и

{

и

I

и

11 I I

и

Рис. 1.5.Береговая свайная опора с высоким ростверком для балочного

пролетного строения.

При такой конструкции и большой высоте опоры являются весьма гибкими в направлении продольной оси моста.

Применение гибких опор рационально для путепроводов, мостов на судоходах и водотоках,не имеющих ледохода или со слабым ледоходом.

Таким образом, гибкие опоры со свайными фундаментами нашли широкое применение в мостах малых пролетов при разрезных балочных пролетных строениях.

Работа балочных разрезных мостов существенным образом зависит от характера работы опорных частей [4].

При плоских стальных тангенциальных опорных частях силы трения так велики, что балочные разрезные мосты работают как статически неопределимые системы, в которых при определении усилий необходимо учитывать деформации конструкций и оснований.

В расчетах гибких опор приходится учитывать не только вертикальные реакции от пролетных строений на каждую опору, но и горизонтальные усилия от действия тормозных сил, температурных воздействий, давления грунта (на крайнюю опору).

При этом, в каждой секции многопролетного моста опоры оказываются связанными в статическом отношении друг с другом и нагрузки между ними распределяются в зависимости от продольной жесткости всей опоры вместе со свайным фундаментом.

В температурно-неразрезных балочных мостах (рис. 1.7) при использовании резиновых опорных частей (РОЧ) гибкие опоры активно включаются в работу на горизонтальные нагрузки ( температура, торможение). Однако в расчете необходимо учитывать горизонтальные деформации ( сдвиги) резиновых опорных частей .

к

Рис. 1.6. Цепь температурно-неразрезных пролетных строений 1- деформационный шов; 2 - соединительная плита; 3 - подвижные опорные части; 4 - неподвижные опорные части .

Рис.1.7.Мост рамной системы со свайными опорами.

Рис. 1.8. Плитный мост с торцовыми стенами, опертыми на сваи

Рис. 1.9.Схема моста с "интегральными устоями": 1 - былки; 2 - плита проезжей части; 3 - ригель устоя, объединенный с главными балками; 4 - гибкие сваи; 5 - железобетонная плита .

Среди систем мостов, опоры которых передают значительные горизонтальные нагрузки на свайные фундаменты, следует выделить однопролетные рамные мосты.

На рис.1.8 приведены схемы однопролетного моста с торцовыми стенами,опертыми на сваи,которые построены в Польше [24].

В США балочно-распорными называются мосты с "интегральными" устоями (устои объединяются в единую конструкцию с пролетными строениями) [28].

Такие мосты нашли достаточно широкое применение в США.

Начиная с 7 Ох годов, в США построены сотни мостов с объединенными устоями. Достоинством таких мостов является отсутствие деформационных швов. Классический тип моста с интегральными устоями представлен на рис. 1.9. В мостах такой системы отсутствуют дорогие опорные части и не требуются наклонные сваи для восприятия горизонтального давления грунта.

Отсутствие деформационных швов уменьшает эксплуатационные расходы.

Пролетные строения могут быть любыми: железобетонными или металлическими.

Практика многолетней эксплуатации мостов с объединенными устоями в различных штатах США (Канзас,Калифорния, Колорадо и др.) показала достаточную их эксплуатационную надежность.

Характерной особенностью работы этих мостов является существенное влияния температурных воздействий.

Из-за недостаточной изученности этого вопроса в США в различных штатах ограничена общая длина моста (по настилу).

Эти ограничения для некоторых штатов доходят до 30 м.

Однако в некоторых регионах США разрешено применять мосты длиной до 180 м.

На (рис. 1.10) показаны полуинтегральные устои они были сконструированы и испытаны в Калифорнии и Муссурри (США) с целью передачи на сваю вращательных перемещений [28].

Основной трудностью в назначении предельной длины моста является недостаточная обоснованность нормативов по температурному воздействию.

Для металлических пролетных строений в США принимают меньшие допустимые длины моста.

Другим недостатком объединения свай с пролетным строением является передача на сваи изгибающих моментов от временных нагрузок.

В таблице №1 приведены данные по количестве построенных мостов с интегральными устоями в настоящее время в США.

Таблица № I

Максимальная