ВВЕДЕНИЕ. Металл – наиболее совершенный из материалов, применяемый для постройки современных мостов

Металл – наиболее совершенный из материалов, применяемый для постройки современных мостов. Относительно невысокая стоимость, прочность, однородность, качество и возможность использования в конструктивных различных формах сделали металл самым распространённым материалом при строительстве мостов. Благодаря высокой прочности современных строительных сталей, металлические мосты, не смотря на объёмный вес, стали, оказываются наиболее лёгкими, что позволяет использовать металл для перекрытия пролётов, значительно превосходящих пролёты мостов из других материалов.

Существенное преимущество металлических мостов заключается в индустриальности их изготовления и сборки. Все элементы металлических конструкций изготовляют на хорошо оборудованных специализированных заводах. Сборку металлических мостов осуществляют механизированным методом с применением современных кранов и другого оборудования, позволяющих вести монтажные работы быстрыми темпами.

Многие системы металлических мостов могут быть легко собраны навесным способом, установлены на место надвижкой или доставкой на плаву готовых пролетных строений. Это облегчает постройку мостов через глубокие горные лощины и многоводные реки с интенсивным судоходством.

В эксплуатационном отношении металлические мосты значительно лучше деревянных т.к. требуют меньше расходов по содержанию и ремонту, а также отличаются более продолжительным сроком службы. Однако металлические мосты уступают незначительно сроком службы железобетонным мостам.

Большой недостаток металлических мостов – это коррозия металла от действия влаги, сернистых газов и других вредных воздействий. Для защиты от коррозии элементы металлических мостов покрывают специальными стойкими красками. Необходим также постоянный надзор за состоянием металла конструкций в процессе службы моста.

Благодаря прекрасным качествам металла, как материала для строительных конструкций, металлические мосты получили широкое применение во многих странах. Для мостов больших пролетов металл является единственным пригодным материалом. Для мостов средних и даже малых пролетов металл зачастую успешно конкурирует с железобетоном.

Для выбранного варианта моста необходимо произвести:

- расчет главной балки;

- расчет ортотропной плиты проезжей части;

- расчет монтажного стыка поперечной балки.

Также, необходимо произвести сметно-финансовый расчет строительства моста, и наконец, необходимо разработать положения по безопасности технологического процесса и положения по охране окружающей среды при строительстве моста.

В практике сплошностенчатые пролётные строения под автодорожные нагрузки представлены разрезными сталежелезобетонными с полной длиной L_п = 15,0; 24,0 м и с расчётной длиной L_р = 33,0; 42,0 и 63,0 м, неразрезными с неравными пролётами со схемами L_р = (33+42+33) м, L_р = (42+63+42) м, L_р = (63+84+63) м и неразрезными с равными пролётами. Балочные металлические пролётные строения под железнодорожную нагрузку представлены расчётными пролётами L_р = 18,2; 23,0; 27,0 и 33,6 м с ездой по деревянным мостовым брусьям или плитам БМП (плоским железобетонным плитам безбалластного мостового полотна). Для пролётов L_р = 45,0; 55,0 м разработаны и широко применяются сталежелезобетонные пролётные строения с ездой на балласте, с прикреплением железобетонной плиты к балкам высокопрочными болтами с помощью закладных металлических деталей.

В ранжировке напряжённых состояний несущих металлических конструкций на первом месте стоит растяжение – по причине возможности достижения в любом волокне сечения расчётного сопротивления по пределу текучести, на втором – сжатие – из-за необходимости обеспечения устойчивости, далее – растяжение с изгибом и сжатие с изгибом, на последнем – изгиб, но пролётные строения мостов из металлических балок со сплошной стенкой работают именно на изгиб.

Балочные пролётные строения с элементами, работающими на растяжение и сжатие (фермы), в данных методических указаниях не рассматриваются. В мостах под автодорожные нагрузки на дорогах III категории и выше фермы выгоднее сплошностенчатых балок и по расходу стали и по трудоёмкости, начиная с пролётов более 90 м. В этой связи при вариантном проектировании металлического моста под автодорожные нагрузки не следует применять фермы, кроме мостов под железнодорожную нагрузку С14, для которых пролёты 33,0 и 44,0 м перекрывают фермами ввиду их большей жёсткости. По данным [2] вес типового железнодорожного решётчатого пролётного строения при пролёте 44,0 м на 10% меньше, чем с балками со сплошной стенкой, при несколько более высокой стоимости.

В соответствии с [5] сталежелезобетонные автодорожные пролётные строения целесообразно использовать до пролётов 120 ÷ 130 м, а для больших пролётов – стальные с ортотропной плитой проезжей части.

1. ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ОБЪЁМ ПРОЕКТА

В соответствии с ФГОС ВПО подготовки специалистов специальности 271.501 (Строительство железных дорог, мостов и транспортных тоннелей) специализации «Мосты» по дисциплине «Проектирование мостов и труб» студенты выполняют курсовой проект – «Проект моста с металлическими балочными пролётными строениями со сплошной стенкой».

Цель проекта – практическое закрепление теоретических знаний по балочным металлическим мостам, развитие у студентов способности самостоятельного и творческого решения инженерных задач.

Задания на курсовой проект выдаются каждому студенту индивидуально. Заданием предусматривается выполнение проекта в 5 этапов. Исходная информация выдаётся перед вариантным проектированием (этап 1), расчётом и конструированием элементов проезжей части (этап 2), пролётного строения (этап 3), опорных частей (этап 4). При выполнении этапа 5 (составление чертежей элементов пролётного строения) используются расчётно-конструктивные данные этапов 2 ÷ 4. Исходная информация на этапы 2 ÷ 4 выдаётся по мере выполнения предыдущих этапов, после проверки и зачтения требуемых материалов.

Исходные данные к этапу 1, касающиеся поперечного профиля пересекаемой реки и геологических условий, принимаются по табл. 1.1. Уровни воды и ледохода, вертикальные и горизонтальные расстояния профилей принимаются в зависимости от последней цифры номера зачётной книжки.

Выполненный курсовой проект представляется пояснительной запиской объёмом 40÷50 страниц формата А4, двумя листами чертежей формата А1 (594×841 мм) и одним листом формата А2 (594×420 мм).

1.1. Исходные данные к построению профилей

Последняя цифра номера зачётной книжки	Вертикальные и горизонтальные расстояния, м	Уровни воды и ледохода, м
А	В	УМВ	УВВ	РСУ	УНЛ	УВЛ
		15,0	0,66	1,02	0,73	0,80	0,89
		14,5	0,65	1,01	0,72	0,79	0,89
		14,0	0,64	1,00	0,71	0,78	0,89
		13,5	0,53	0,98	0,70	0,77	0,90
		13,0	0,51	0,97	0,71	0,76	0,91
		12,5	0,62	0,96	0,72	0,75	0,91
		12,0	0,63	0,95	0,75	0,76	0,92
		11,5	0,64	0,94	0,74	0,77	0,92
		11,0	0,65	0,95	0,75	0,76	0,93
		10,5	0,66	0,96	0,76	0,78	0,92

Примечание: для УМВ, УВВ, РСУ, УНЛ, УВЛ – множитель В.

Пояснительная записка должна содержать следующие основные части:

Введение;

1. Природно-климатические условия;

2. Вариантное проектирование;

3. Расчёт и конструирование проезжей части;

4. Расчёт и конструирование пролётного строения;

5. Расчёт и конструирование опорных частей;

Библиографический список.

Основные рекомендации по составлению пояснительной записки приведены в седьмом разделе, а требования к выполнению чертежей и их содержанию изложены в восьмом разделе.

ВАРИАНТНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Цель проектирования – выбор экономически выгодной и технически целесообразной схемы и конструкции моста. С этой точки зрения вариантное проектирование является одной из важнейших частей проекта.

Прежде чем приступить к вариантному проектированию, следует глубоко проработать соответствующий материал по лекционному курсу и литературным источникам [2, 3, 4]. Необходимо хорошо знать различные конструкции балочных металлических мостов, способы их возведения, технико-экономические преимущества и недостатки той или иной конструкции. Только в этом случае можно правильно подойти к разработке вариантов, провести их полноценный критический анализ.

Оценку вариантов моста осуществляют по трём основным факторам: экономическому, техническому и эстетическому. Рассмотрение каждого варианта моста следует проводить с учётом всех факторов, однако, в зависимости от конкретных условий задания тот или иной фактор может выдвигаться на первое место. Так, для городских условий определяющим фактором, влияющим на выбор системы моста, являются эстетические требования. В остальных случаях определяющим фактором является приведённая стоимость моста и лишь в немногих случаях – технические требования.

Следует отметить, что вариантом моста, имеющим право на всестороннее рассмотрение, является не любое возможное решение, а только одно из конкурентоспособных. При выборе первого варианта следует принимать решение, которое проектировщику кажется наиболее приемлемым для рассматриваемого случая. Каждый последующий вариант моста составляется на основе всестороннего анализа предыдущего и разрабатывается с целью получения каких-либо преимуществ: экономических, технических, эксплуатационных и т.п.

Прежде чем приступить к разработке вариантов моста, необходимо тщательно проанализировать геологические и гидрогеологические условия места постройки моста, предъявляемые к нему требования.

Разрезные балочные системы следует применять при неблагоприятных грунтовых условиях, когда возможны значительные осадки опор, а также когда необходимо наиболее упростить возведение моста, применяя типовые пролётные строения и пользуясь простейшими способами их сборки и монтажа.

При благоприятных грунтовых условиях, когда возможно устройство опор на надёжных фундаментах, рационально применение неразрезных систем, обладающих рядом преимуществ по сравнению с разрезными системами, особенно при перекрытии больших пролётов. При неблагоприятных грунтовых условиях и при необходимости перекрытия больших пролётов может оказаться рациональным применение консольной системы.

При выборе схемы моста необходимо рассматривать варианты из различных материалов. Часто рациональным вариантом является такой, при котором в судоходной части перехода назначаются металлические пролётные строения, а на пойменных участках – железобетонные. При этом должны соблюдаться два правила рационального проектирования вариантов: первое – в каждом варианте следует применить не более двух типов пролётных строений; второе – при одном типе пролётного строения следует применить не более двух его типоразмеров.

При разработке вариантов не следует ограничиваться общепринятыми правилами, техническими традициями и известными проверенными решениями. Именно в процессе вариантного проектирования находят новые конструктивные решения, и не следует опасаться того, что они не проверены ни расчётом, ни пробным конструированием, ни практикой эксплуатации. В дальнейшем детальное проектирование выявит достоинства и недостатки нового решения, покажет, как избавиться от этих недостатков и сохранить преимущества.

При вариантном проектировании необходимо предусмотреть также прогрессивные приёмы конструирования, направленные на снижение трудоёмкости и расхода стали: использование сварных конструкций и соединений на высокопрочных болтах, применение сталей повышенной прочности, регулирование напряжений, применение облегчённых конструкций проезжей части и т.д.

Рекомендуется следующий порядок составления вариантов моста:

1. Поле чертежа формата А1 разбивается по высоте на четыре условные полосы: в первых трёх будут размещены чертежи вариантов моста, в четвёртой – план третьего варианта. Условно полагается, что направление течения реки – от проектировщика.

2. Посередине верхней условной полосы в масштабе 1:400 или 1:500 вычерчивается заданный профиль по оси проектируемого моста с нанесением уровней воды и ледохода, а также геологического разреза.

3. В пределах ширины реки по уровню меженных вод (УМВ) выбирается положение судоходных пролётов моста. Судоходные пролёты располагаются в наиболее глубокой части реки.

4. На уровне расчётного судоходного уровня вод (РСУ) назначаются и вычерчиваются контуры взводного и низового подмостовых судоходных габаритов, соответствующие заданному классу реки. Так как план мостового перехода и принято направление течения реки – от проектировщика, то, в соответствии с тем, что на судоходных реках РФ принято правостороннее движение и суда должны расходиться левыми бортами, низовой габарит следует разместить справа.

По размещённым судоходным габаритам намечаются расчётные пролёты конструкций, перекрывающие судоходные пролёты, которые примерно равны

L_р = L₀ + (1,5 ÷ 2,5), м, (1)

где L₀ – пролёт в свету, т.е. расстояние между гранями опор, принимаемое равным длине судоходного габарита либо более неё.

Пролётные строения, перекрывающие судоходные габариты, могут быть приняты такими, как в типовых проектах, с соответствующими расчётными пролётами.

Для низового и взводного направлений ГОСТ 26775-85 предусматривает различные величины пролётов, но по экономическим и производственным условиям судоходные пролёты могут быть приняты равными.

5. Назначаются отметки проезжей части моста в пределах судоходных пролётов (УПЧ), которые равны

УПЧ = РСУ + H + h_с, (2)

где H – высота судоходного габарита; h_с – строительная высота пролётного строения с ездой поверху (табл. 1) [6].

6. Выбирается тип и назначаются размеры опор для пролётных строений, перекрывающих судоходные пролёты.

Размеры верхней части оголовка опор назначаются из условия размещения опорных частей пролётных строений. Обрез фундамента располагается ниже УМВ на 50÷75 см. Размеры фундаментов назначаются в зависимости от опорной реакции с учётом геологических условий, глубины размыва, способов производства работ и других требований.

Ориентировкой в выборе промежуточных опор балочных мостов могут служить опоры, представленные в [6, рис. 12].

7. Вычерчиваются пролётные строения, перекрывающие судоходные пролёты.

Элементы пролётных строений, невыражаемые в принятом масштабе, изображаются линиями. Все остальные элементы должны быть изображены в соответствии с принятым масштабом.

8. Производится разбивка на пролёты пойменных участков отверстия моста. На пойменных участках реки следует применять пролётные строения с ездой поверху, что позволяет уменьшить объёмы кладки опор. С целью уменьшения высот насыпей на подходах к мосту пойменные участки моста можно располагать на уклонах до 2%. При этом подферменные площадки опор должны возвышаться над УВВ не менее чем на 0,25 м. В случае применения балочной разрезной системы на пойменных участках моста наивыгоднейшей длиной пролётных строений является такая, при которой стоимость одной опоры равняется стоимости одного пролётного строения без проезжей части.

Тип опор под пойменные пролётные строения назначается такой же, как и опор под пролётные строения судоходных пролётов.

9. Проектируются сопряжения моста с насыпями подходов. При этом особенное внимание уделяется выбору типов устоев, обсыпке устоев конусами, укреплению оснований конусов и их откосов.

Для сопряжения моста с насыпями применяют переходные плиты. Их длина – 4 м при высоте насыпи до 4 м, 6 м – при высоте насыпи от 4 до 7 м, и 8 м – при высоте насыпи более 7 м. Переходные плиты опираются одним концом на консоль шкафной стенки, другим – на лежень, и делаются горизонтальными при цементобетонной дорожной одежде насыпей подходов. В случае применения асфальтобетона для дорожной одежды расстояние от переходной плиты, в месте опирания её на лежень, до верха дорожной одежды должно составлять не менее 40 см.

При высоте насыпи до 12 м откосы конусов обсыпных устоев должны иметь уклоны не круче 1:1,5, а при высоте насыпей свыше 12 м должны определяться расчётом по устойчивости.

На устоях выбираются два типа шкафных стенок: 1 – прямые с откосными консолями; 2 – П-образные шкафные стенки с заглублением открылков в тело насыпи. В последнем случае открылки устоев должны входить в конус насыпи на 0,75 м при высоте насыпи до 6 м и на 1 м при высоте насыпи свыше 6 м. Земляное полотно на протяжении 10 м у моста устраивается в соответствии с п. 1.67 СНиП 2.05.03-84^* [1] уширенным на 1 м. Переход к нормальной ширине делается плавно на расстоянии 15÷25 м.

Сечение, которым показывается вариант моста, проходит для левой половины варианта перед мостом (фасад) и по продольной оси моста – для правой половины (разрез). На правой половине моста показывают показывают в разрезе и сопряжение моста с насыпью.

10. Под третьим вариантом моста вычерчивается его план. На плане показываются: план проезжей части с тротуарами, план сопряжения моста с насыпью с указанием границ укрепления откосов, план связей, опор и пр.

Для каждого варианта моста вычерчиваются необходимые поперечные разрезы. При двух типах пролётных строений даются поперечные разрезы каждого из них. На всех вариантах моста должны быть указаны длины пролётов и зазоры между ними, толщины опор вверху и на уровне обреза фундаментов, отметки бровки насыпи, низа пролётных строений, подферменных площадок и фундаментов.

На каждом варианте моста показывается сечение реки с уровнями вод, ледохода, судоходства и грунта с геологическими данными, проставляется пикетаж опор.

По каждому варианту с достаточной степенью приближения необходимо определить расход металла и оценить строительную стоимость моста. Материалы этих подсчётов приводятся в пояснительной записке в форме таблицы.

Для балочных металлических пролётных строений вес металла главных балок можно определить по формуле проф. Н.С. Стрелецкого [6]:

где – вес металла на 1 пог. м фермы или балки; – расчётный пролёт фермы или балки, м; γ – объёмный вес металла, кг/м³ (7850); – вес проезжей части и тротуаров на 1 пог. м фермы или балки; – эквивалентная нагрузка от всех видов временной нагрузки (автомобили плюс толпа) с учётом коэффициентов поперечной установки, многополосности и динамического коэффициента

= (1+µ) β₀η_авт + 0,4η_т,

где η_авт, η_т – коэффициенты поперечной установки; β₀ – коэффициент многополосности; – эквивалентная нагрузка от одного ряда автомобилей для треугольной линии влияния с вершиной в четверти пролёта; 0,4 – нагрузка от толпы на 1 м² тротуара, т; и – характеристики веса, различные для разных типов пролётных строений (табл. 2.1).

Эквивалентная нагрузка для железнодорожных мостов принимается согласно заданию по прил. 1 [10].

Вес металла складывается из веса балочной клетки, проезжей части и тротуаров, веса главных ферм или балок и веса связей.

2.1. Характеристики веса пролётных строений

Системы пролётных строений	Схема конструкции	Тип поперечного сечения	Основные размеры	Характеристики веса
1. Разрезные балки	Рис. 1, а	Рис. 1, д, г, ж   Рис. 1, д, г, ж	l = 40 ÷ 60 м h =	a b 4,5
2. Неразрезные балки	Двухпро -лётные	Рис. 1, б	l = 50 ÷ 70 м h =	a 4,8 b 3,7
Трёх- и многопролётные	Рис. 1, в,г	l = 40 ÷ 80 м l1 = [0,3 ÷ 1,0] l h = = 100 ÷ 160 м = [0,6 ÷ 0,8] H [1,5 ÷ 3,0]

Так как предложенные варианты моста в эксплуатационном отношении примерно равноценны, допустимо сравнить их не по приведённой, а по строительной стоимости. Необходимо учесть также прогрессивность конструкции, удобство эксплуатации и монтажа, долговечность и архитектурные особенности.

К детальному проектированию принимается вариант, имеющий наибольшее количество положительных показателей и утверждённый руководителем. В отдельных случаях руководителем может быть утверждён вариант, уступающий по некоторым показателям, но более интересный для разработки. К расчёту принимается одно из пролётных строений выбранного варианта моста.

Расчёт и конструирование пролётного строения проводится в порядке передачи давления нагрузки от одного элемента к другому, а именно: расчёт настила (плиты) проезжей части моста, расчёт и конструирование элементов балочной клетки проезжей части, расчёт и конструирование главных несущих элементов пролётного строения, расчёт и конструирование опорных частей.

Примеры вариантного проектирования приведены в прил. 4.

После разработки вариантов проектирования необходимо выполнить описание каждого варианта по примеру, приведённому в прил. 5.

2.1 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ СРАВНЕНИЕ ВАРИАНТОВ

В данном разделе проекта производится сравнение вариантов по следующим показателям:

- экономическому;

- эксплуатационному;

- техническому;

- производственному;

- архитектурному.

Сравнение вариантов по экономическому показателю заключается в выборе самого дешёвого. Стоимость вариантов определяется в табличной форме (табл. 2.2). Единичная стоимость в таблицах дана в ценах 1984 года и, чтобы перейти к стоимости текущего года, необходимо стоимость, указанную в таблицах, умножить на коэффициент пересчёта.

В эксплуатационном показателе учитываются: безопасный пропуск по мосту подвижной нагрузки и пешеходов, безопасный пропуск ледохода под мостом и удобства ремонта и осмотра конструкций пролетных строений и опор.

В техническом показателе учитываются: жёсткость, прочность и устойчивость конструкций моста.

В производственном показателе варианты оцениваются с точки зрения максимальной степени готовности, простоты и сокращение сроков сборки.

В архитектурном показателе основным критерием является эстетический вид моста, его вписываемость в окружающий ландшафт.