Выбрав ту или иную систему, определяли усилия, возникающие в конструкции под действием эксплуатационной нагрузки, исходя из того, что в элементах конструкции до вступления в работу в принятой системе усилия равны нулю.
В настоящее время во многих случаях применяется искусственное регулирование усилий в строительных конструкциях.
Регулирование заключается в том, что в конструкции тем или иным способом искусственно создаются начальные постоянно действующие усилия, обратные по знаку тем, которые возникают от эксплуатационных нагрузок. Напряжения в элементах от эксплуатационной нагрузки суммируются с напряжениями от начальных усилий и могут быть существенно снижены. При этом открываются весьма плодотворные возможности создания наиболее эффективных конструкций.
В современной практике регулирование усилий достигается разнообразными приемами: специальным порядком монтажа, введением конструкции в работу по этапам с изменением при этом статической схемы, пригрузом на определенных участках, повышением или понижением уровня опор, методами предварительного напряжения с использованием высокопрочных металлов и др.
Наиболее просто регулирование усилия производится особым порядком монтажа.
Городской мост через р. Даугаву в Риге имеет пролетное строение в виде семипролетной неразрезной балки с пролетами от 50,6 до 85,1 ,м (рис. 63 и 64).
При проектировании этого моста было предусмотрено, что монтаж балок производится на берегу с продольной надвижкой в пролет.
Пролетное строение было изготовлено таким образом, что низ балки горизонтален по всей длине пролетного строения (рис. 65, а), верх балки очерчен по ломаной на протяжении 143,75 м с каждой стороны и горизонтален на среднем участке пролетного строения длиной 179,4 м.
Опорные части расположены на разных отметках с разницей между крайней и средней опорой 3,7 м, в результате чего при установке на опорные части балка изогнулась в крайних двух пролетах с каждой стороны по наклонной прямой, а на среднем участке по кривой радиусом 4502 м (рис. 65, б). Этот изгиб произошел под влиянием собственного веса.
В среднем пролете отрицательный изгибающий момент от изгиба балки равен 443 тм, вследствие чего расчетный положительный изгибающий момент в середине пролета уменьшился на 443 тм, а расчетный отрицательный момент над опорой соответственно увеличился.
В связи с относительной простотой изготовления, удобством монтажа крупными блоками, благоприятным архитектурным обликом и возможностью регулирования изгибающих моментов пролетные строения в виде неразрезных балок со сплошными стенками нашли применение в зарубежной практике для пролетов до 200 м и более (табл. 1).
| Название моста | Величина главных пролетов, м | Год ввода в эксплуатацию | Местоположение |
| Сава | 75+261+75 | 1956 | Белград (СФРЮ) |
| Зообрюкке | 74+259+145+120 | 1966 | Кельн (ФРГ) |
| Сан-Матео-Хейвард | 114+229+114 | 1967 | Сан-Франциско (США) |
| Дюссельдорф- Нейс | 103+206+103 | 1951 | ФРГ |
| Ширштайн | 85+205+85 | 1962 | Висбаден (ФРГ) |
| Вайзенау | 74+204+132 | 1961 | Майнц (ФРГ) |
| Сан-Диего-Коронадо | 201+201+171 | 1969 | Сан-Диего (США) |
В 1971 г. сдан в эксплуатацию мост Бонн-Сад в Бонне (ФРГ) с пролетами 125+230+125 м. При проектировании этих мостов рассматривали многочисленные варианты разнообразных конструкций и в результате тщательного сравнения технико-экономических характеристик были приняты конструкции со сплошными стенками.
Экономичность этих конструкций достигнута путем использования ряда современных приемов, в частности: снижения собственного веса за счет применения покрытия, расположенного непосредственно на листе ортотропной плиты, работающей на местную нагрузку и в качестве верхнего пояса главных балок; стали повышенной прочности; сварных соединений и особого порядка монтажа, обеспечивающего перераспределение усилий — искусственное уменьшение расчетного положительного момента в середине жролета за счет увеличения отрицательного на опоре, где высота балки принята значительно больше, чем в середине.
Характерным примером может служить мост через р. Рейн на автомагистрали Дюссельдорф — Нейс. Этот мост с пролетами 103 + 206 + + 103 м проектировался взамен разрушенного во время войны с использованием сохранившихся опор, поэтому разбивка на пролеты была предопределена.
Старое пролетное строение представляло собой неразрезную конструкцию со сквозными фермами с ездой понизу (рис. 66). Новый мост в виде трехпролетной неразрезной балки со сплошными стенками (рис. 67, 68) имеет значительно лучший архитектурный вид.
При обычных решениях пролетное строение с главными балками со сплошной стенкой для таких пролетов должно было потребовать значительно больше металла, чем при сквозных фермах. Однако при весе металла старого моста в 8464 т на новый мост потребовалось только 6385 т металла.
Высота балки переменная: от 3,3 м в середине большого пролета до 7,8 м над промежуточными опорами (рис. 69).
Чтобы уменьшить расчетный изгибающий момент в середине пролета, предусмотрен следующий порядок монтажа: пролетное строение в боковых пролетах монтируется на подмостях, а в среднем — навесу от опор к середине (рис. 70). Таким образом, к моменту замыкания пролет перекрыт двумя консолями по 103 м и изгибающий момент от собственного веса металлической конструкции в середине пролета равен нулю. Сечение в середине пролета воспринимает изгибающий момент только от временной нагрузки и небольшой части постоянной: от веса асфальта, осветительных мачт и перил.
Пролетное строение представляет собой две замкнутые коробки шириной по 7,5 м, расставленные на расстоянии 13,6 м между осями (см. рис. 69). Между внутренними вертикальными стенками смежных коробок расстояние — 6,1 м. В средней части между коробками располагается трамвайная полоса.
Проезжая часть под трамваем состоит из продольных балок, свободно опирающихся на поперечные балки.
Основные элементы пролетного строения изготовлены из стали повышенной прочности с пределом текучести не ниже 3600 кГ/см2. Заводские соединения выполнялись на сварке, монтажные соединения — на заклепках.
Благодаря тщательной разработке конструкции и удачному методу производства работ удалось впервые в практике мостостроения перекрыть пролет более 200 м неразрезными балками со сплошной стенкой и даже получить при этом весьма экономичные показатели затраты металла.
Вместе с тем необходимо отметить и некоторые слабые места принятого решения, к которым относятся «большой прогиб и неравнопрочность конструкции с точки зрения возможности восприятия возрастающих временных нагрузок.
Прогиб моста от постоянной нагрузки составляет 1,5 м, что не имеет каких-либо последствий, так как он нейтрализуется строительным подъемом, приданным конструкции при изготовлении.
Прогиб в среднем пролете от временной нагрузки достигает 90 см, что составляет 1/230 пролета. Такие прогибы нашими Техническими условиями не допускаются.
С точки зрения возможности восприятия возрастающей временной нагрузки самым слабым является сечение в середине пролета.
Изгибающий момент от постоянной нагрузки в этом сечении (рис. 71) очень мал: почти весь расчетный момент — от временной нагрузки. Это значит, что расчетные изгибающие моменты и напряжения в сечении будут расти пропорционально росту временной нагрузки.
В опорных сечениях, где большая часть изгибающего момента вызывается постоянной нагрузкой, влияние увеличения временной нагрузки будет значительно меньше.
Некоторым недостатком является также расположение асфальта непосредственно на горизонтальном листе пояса.
При самых небольших дефектах изоляции может появиться коррозия листа, что в данном случае чрезвычайно опасно, так как лист является ответственнейшим элементом пояса. Ремонт в этом случае представляет очень большие трудности.
Наибольший пролет в мире, перекрытый конструкцией со сплошными стенками, имеет мост через р. Саву между Белградом и Земуном, введенный в эксплуатацию в 1956 г. При проектировании этого моста был объявлен международный конкурс, в котором участвовали югославские, французские, австрийские и западногерманские фирмы. Всего было представлено 32 проекта.
Наилучшим был признан вариант в виде металлической трехпролетной неразрезной балки с пролетами 75 + 261 + 75 м (рис. 72).
Ширина моста между перилами 18,0 ж, из них проезжая часть 12,0 м и тротуары по 3,0 м. На весь мост потребовалось 3800 т металла, т. е. 510 кг на 1 м2 площади, что при таких пролетах весьма экономично.
Конструкция принята в виде двух главных балок (рис. 73), установленных на расстоянии 12,1 м между осями. Высота балок в середине главного пролета 4,5 м, над опорами — 9,6 м.
Вертикальные стенки имеют горизонтальный стык по всей длине и второй горизонтальный стык в надопорных участках.
Для обеспечения местной устойчивости стенка усилена вертикальными и горизонтальными ребрами жесткости.
Верхним поясом является ортотропная плита из горизонтального листа толщиной от 10 до 25 мм, продольных и поперечных ребер. Расстояние между поперечными ребрами 1562 мм, между продольными — 302 мм.
Покрытие — в виде асфальта толщиной 5 см. Между металлическим листом и асфальтом в качестве изоляции уложен слой специального картона. Нижние пояса балок приняты в виде сосредоточенных пакетов из листов 1200x20 мм, число которых достигает 10, и уголков 250x250x20.
Конструкция в основном — сварная, нижний пояс — на заклепках. Сталь с пределом прочности 52 кГ/мм2.
При расстоянии между осями балок 12,1 м устройство нижних поясов в виде сосредоточенных пакетов вместо сплошного листа, как это было принято у моста через Рейн, представляется целесообразным с точки зрения изготовления, благоприятных условий изменения площади сечения в зависимости от величины усилий и удобства осмотра и содержания моста.
Однако это привело к толстым пакетам и необходимости применения заклепок вместо сварки.
Поперечные связи между балками в виде полурам, более мощные связи установлены в сечениях над промежуточными опорами (см. рис. 73). Нижние продольные связи безраскосной системы поддерживаются подвесками.
Неподвижная опорная часть расположена на промежуточной опоре. На устоях опорные части снабжены качающимися вертикальными стяжками, способными воспринимать отрицательные реакции.
Монтаж конструкции в боковых пролетах производился на подмостях, в среднем пролете — на весу с двух сторон. Длина консолей достигала 130 м. На время монтажа на крайних опорах были установлены специальные анкеры. В результате принятого метода монтажа изгибающий момент в середине пролета от веса металлических конструкций равен нулю. Перекрытие подобного пролета неразрезной балкой со сплошной стенкой без принятого приема перераспределения усилий было бы крайне затруднительно.
В целях устранения недостатка, отмеченного авторами при описании моста через р. Рейн, заключающегося в значительной чувствительности сечения в середине пролета к росту временных нагрузок, оно назначено с запасом по сравнению с требующимся по расчету.
Мост построен за И месяцев и открыт для движения в сентябре 1956 г.
В рассмотренных примерах зарубежных мостов существенным недостатком конструкций являются большие прогибы от временной нагрузки, величины которых значительно превышают допускаемые отечественными Техническими условиями.
В отечественной практике нашли успешное применение способы регулирования усилий в сочетании с переходом в процессе монтажа к статическим схемам с высокой жесткостью.
Впервые в СССР этот прием был применен при постройке путепровода в Киеве в 1948 г.
Первоначально был разработан и утвержден проект путепровода арочной системы (рис. 74, а). При заказе завод выдвинул возражения против принятой конструкции в связи с трудоемкостью изготовления. Проект стальконструкцией был предложен другой вариант, более экономичный и менее трудоемкий при изготовлении.
Внешний вид путепровода по проекту Проектстальконструкции (рис. 74, б) не уступал варианту арочной системы. В готовом виде конструкция представляет собой двухшарнирную раму с расчетным пролетом 28,4 м и опорами в виде треугольников, образуемых консолями балок и специально установленными раскосами. Для снижения высоты балки в пролете, что требовалось по архитектурным соображениям, повышения жесткости и экономии металла был предусмотрен специальный порядок монтажа, при котором характер работы системы изменялся по этапам.
Первоначально была собрана балка на стойках (рис. 75) и бетонировалась плита на консолях. В соответствии с характером работы двухконсольной балки консоли при этом прогнулись, вызвав выгиб балки в пролете кверху.
В таком положении к балке приклепаны раскосы, соединяющие концы консолей с низом опорных стоек. После этого бетонировалась плита проезжей части в пролете, нагрузка от плиты и опалубки воспринималась уже рамной системой, что вызвало растяжение в раскосах. Величина растягивающих усилий оказалась больше величины сжимающих усилий в раскосах, возникающих при расположении временной нагрузки на консолях. Таким образом, раскосы всегда растянуты.
Высота балки в пролете 0,9 м, на опорах — 1,8 м. На участке положительных моментов в работе балки учтена железобетонная плита.
Совместная работа достигается путем установки на этом участке верхнего пояса балки жестких упоров (рис. 76).
Ширина путепровода между перилами 31 м. В поперечном сечении поставлено 10 балок с расстоянием между их осями 3,0 м. Поперечные связи между балками (рис. 76) приняты в виде сквозных фермочек, прикрепляемых на монтаже к балкам. В опорном сечении установлена сплошная диафрагма на всю высоту балок (рис. 77). Продольные связи расположены в горизонтальной плоскости на 700 мм ниже верхнего пояса. Диагонали их приклепываются на монтаже к фасонкам, приваренным к стенкам балок.
Конструкция балки очень проста, она состоит из двух сварных блоков, соединенных заклепками на монтаже. Пояса имеют одинаковую ширину по всей длине балки (400 мм) и переменную толщину.
Стойки состоят из двух уголков 200x200x16, расположенных крестом (рис. 76, 77); связи между стойками — из уголков 100x75x8. Внизу стоек установлены домкратные балки из двутавров № 55. Раскосы — из парных уголков 150x100x2. Опорные части стоек — сварные (рис. 78), в виде проушин, в промежуток между которыми заводится фасонный лист стойки с отверстием и таким образом организуется шарнир.
Конструкция отличается высокой жесткостью — расчетный прогиб в середине пролета равен 1/1420 L на конце консоли — менее 1/1000.
Размеры фундаментов получились значительно меньше, чем по варианту арочного моста. По архитектурным соображениям установлены железобетонные стенки, создающие впечатление массивного устоя.
Решение, принятое для путепровода в Киеве, связано с наличием консолей определенной длины, загрузка которых вызывает отрицательные моменты в пролете. Консоли являются при этом необходимой частью моста, обеспечивая проезд на участке от стоек до вершин конусов.
По местным условиям проектирования могут быть случаи, когда устройство консолей нецелесообразно, например, при проектировании 1-го Инженерного моста через р. Мойку в Ленинграде. Мост перекрывает небольшой канал, ограниченный набережными (рис. 79). Задача состояла в том, чтобы применить конструкцию минимальной строительной высотой в середине пролета для создания наибольшего просвета под мостом.
Устраивать консоли не имело смысла, так как они входили бы в засыпку набережной. С другой стороны, необходимо было применить какой-нибудь прием для существенного снижения расчетного положительного момента в середине пролета.
Была принята конструкция в виде однопролетной рамы с металлическим ригелем и железобетонными опорами (рис. 80). Производство работ осуществлялось по строго регламентированному порядку. При бетонировании фундаментов были установлены металлические листы для шарнирного соединения со стойками и закладные части для временного крепления металлических стоек рамы. На фундаменты были установлены стойки из двутавров № 36 с прорезями внизу для пропуска листового шарнира. Стойки приваривали к листовым шарнирам и раскрепляли временными подкосами (рис. 81).
На стойки устанавливали ригели рам и прикрепляли к ним болтами. Раскосы из двух швеллеров № 20 нижними концами приваривали к стойкам, а вверху прикрепляли к стенкам ригелей болтами через овальные дыры в раскосах. К концам раскосов приваривались петли, в которые заводили двутавровые балки. Между двутавром и верхом ригеля устанавливали винтовой домкрат (см. рис. 81).
При помощи домкрата ригелю придавалось усилие, вызывавшее прогиб консоли и появление отрицательного момента в ригеле и растягивающих усилий в раскосе. После натяжения швеллеры раскоса были приварены к стенке ригеля и дополнительно при помощи специальной фасонки — к стойке.
После этого петли срезали. В ригеле сохранились предварительные усилия, которые в середине пролета по знаку противоположны усилиям от эксплуатациононой нагрузки. Стойки и раскосы были соединены хомутами из круглого железа и посредством бетонирования объединены в железобетонную опору шириной (поперек моста) 40 см. Между стойками возводилась железобетонная стенка. Таким образом, конструкция вступила в эксплуатацию как двухшарнирная рама с металлическим ригелем и железобетонными стойками.
В результате принятых решений высота ригеля в середине пролета составляет всего 37 см, причем жесткость конструкции вполне удовлетворяет требованиям Технических условий.
Нетрудно видеть, что в данном случае реализована та же идея, что и в Киевском путепроводе. Предварительные усилия ригелю можно было придать и без домкратов путем соответствующего пригруза консолей, со снятием нагрузки после изгиба ригеля и приварки раскосов. Однако в данном случае при малом вылете консоли и стесненном пространстве применение домкратов оказалось более рациональным.
Идея придания балочно-консольной системе предварительных усилий путем пригрузки с последующим превращением в рамную систему оказалась очень плодотворной. С ее помощью удалось осуществить ряд мостов с большими пролетами при экономичной затрате материала, высокой жесткости и благоприятных очертаниях.
Мост подобной системы с пролетом 102 м построен в Московской обл. (рис. 82).
Ширина моста 7,5 м; из них проезжая часть — 6 м и тротуары по 0,75 м. Общая длина пролетного строения 131,0 м.
Мост монтировался в два этапа. В первом этапе монтировались металлическая конструкция на колоннах; расчетная схема — двухконсольная балка с пролетом 102,0 м и консолями по 14,5 м.
В таком виде конструкция воспринимает нагрузку от собственного веса металла и железобетонной плиты.
По концам консолей устроены противовесы, вес которых подобран таким образом, чтобы в середине пролета изгибающий момент от веса металлической конструкции и плиты был равен нулю (рис. 83, а). С целью сокращения расхода материалов и размеров противовесов в качестве противовесов используются также боковые стенки устоев, имеющие декоративный характер, которые подвешиваются к консолям.
Во втором этапе были установлены подкосы, и конструкция превращена в двухшарнирную раму (рис. 83, б). В таком виде конструкция воспринимает оставшуюся постоянную нагрузку (вес полотна и перил) и временную нагрузку.
Передающийся в рамной системе на опоры распор невелик, и размеры опор получились незначительными. В то же время основное преимущество рамной системы (большая жесткость) полностью используется при работе на временную нагрузку. Высота ригеля в середине пролета принята 1,5 м. Это составляет а на опоре, где момент значительно больше, — 3,2 м (рис. 84).
При пролете 102 м затрата металла на 1 м2 площади моста составляет всего 330 кг.
Сборка пролетного строения производилась на весу с одного берега, причем мощность опорного сечения позволила собрать свободную консоль вылетом более половины пролета и ограничиться двумя легкими временными опорами. По окончании сборки всего ригеля и укладки сборных плит проезжей части отрегулировали усилия путем заполнения резервных колодцев, затем, присоединив подкосы, превратили систему в двухшарнирную раму. Вся сборка, включая укладку плит и клепку стыков, была закончена за 3,5 месяца.
Поэтапные способы возведения конструкций с превращением системы из балочной в рамную находят применение не только в однопролетных, но и в трехпролетных мостах.
Такой мост построен на Волго-Донском канале у г. Красноармейска (рис. 85) с пролетами 43 + 112 + 43 м.
Металлические конструкции при монтаже опираются только на вертикальные стойки средних опор, затем производится бетонирование плиты на всем протяжении консолей и на участке длиной 30 м в среднем пролете.
После этого монтируются подкосы и система превращается в трехпролетную с промежуточными рамными опорами и свободным опиранием на устои.
Рамные опоры заключены в железобетонную коробку, создающую впечатление массивной опоры.
В результате получена экономичная и жесткая конструкция. При высоте балки в середине пролета 2 м — 1/56 L расчетный прогиб от временной нагрузки составляет 1/1450 L. Подобное соотношение в мостах балочной системы не имеет прецедентов в мировой практике мостостроения. Мост в целом производит благоприятное впечатление с архитектурной точки зрения.
В некоторых мостах успешно применяется предварительное напряжение элементов конструкций с использованием для этой цели стали повышенной и высокой прочности.
При проектировании путепровода через железнодорожные пути на автомобильной дороге Бенталоу-авеню (г. Балтимор в США) было необходимо по условиям профиля трассы применить конструкцию пролетного строения в виде разрезной балки с пролетом 32,3 м с минимальной строительной высотой.
Исследовали ряд вариантов решения поставленной задачи, в результате чего к окончательному выбору были предложены два варианта конструкции пролетного строения. В первом варианте предусматривалась конструкция из широкополых двутавров № 36 из стали с пределом текучести 3600 кГ/см2 с приваренными к полкам дополнительными листами из той же стали. Вследствие малой высоты балок пояса получились тяжелыми и затрата металла на пролетное строение — очень большой.
Во втором варианте предусматривалось применение тех же балок № 36 с нижними поясными листами из стали повышенной прочности с использованием приемов предварительного напряжения. При этом во втором варианте вес металла оказался на 20% меньше, а стоимость пролетного строения на 5% ниже. Путепровод построен по второму варианту. Как осуществлялась конструкция?
Двутавровые балки в горизонтальном положении (рис. 86, а) были стянуты попарно тяжами в точках, отстоящих.на 9,45 м от середины. В просвет между балками на расстоянии 6,3 м друг от друга были установлены домкраты, при помощи которых усилием, равным 48 г, балки были изогнуты таким образом, что верхние пояса получили растягивающие, а нижние, — сжимающие усилия. В результате этого в балках лна среднем участке длиной 18,9 м возникло предварительное напряжение со знаком, противоположным знаку усилий от эксплуатационной нагрузки. В таком положении к нижним полкам двутавровых балок были приварены поясные листы 19x380x18630 мм из стали с пределом текучести 7000 кГ/см2. После этого домкраты были убраны. Нижняя полка двутавра осталась сжатой, а приваренный к ней лист из стали повышенной прочности — растянутым с напряжением значительно ниже допустимого для такой стали, сохранив необходимые резервы для восприятия дополнительных растягивающих напряжений от эксплуатационной нагрузки. Таким образом получилась балка с предварительными напряжениями в поясах двутавра противоположными по знаку напряжениями от эксплуатационной нагрузки. После этого к верхнему поясу приварили поясной лист 13x380x18850 мм из стали 36 (рис. 86, б) и произвели бетонирование плиты с обеспечением ее совместной работы с верхним поясом. Сечения были подобраны так, чтобы напряжения при эксплуатационной нагрузке не превосходили 3850 кГ/см2 для стали повышенной прочности и 1900 кГ/см2 для обычной стали.
Для проверки соответствия фактической работы и напряжений расчетным предпосылкам две балки были подвергнуты испытаниям на полную расчетную нагрузку. Замеренные прогибы совпадали с теоретическими значениями, после снятия нагрузки балка полностью возвращалась в исходное положение.
Предварительное напряжение может найти применение не только при постройке новых, но и для усиления существующих мостов.
При реконструкции участка автомобильной дороги Таллин — Ленинград возникла необходимость уширения проезжей части и повышения несущей способности мостов. На одном из этих мостов пролетное строение длиной 32,4 м состояло из четырех металлических балок со сплошной стенкой высотой 1800 мм и железобетонной плиты толщиной 15 см при ширине проезжей части 7 м и тротуарах по 0,75 м. Необходимо было уширить проезжую часть до 8 v и повысить несущую способность пролетного строения.
Был разработан проект, в котором предусматривалось снятие пролетного строения, разрезка его по продольной оси, раздвижка двух половин пролетного строения на 1 м, изготовление пятой балки с установкой ее в середине (рис. 87, а) и бетонирование участка железобетонной плиты над этой балкой. Предположенное решение было связано с необходимостью получения соответствующего металла, трудностью изготовления балки на месте, необходимостью изготовления опорных частей, реконструкции верхней части устоя и т. д.
По предложению строителей, был разработан проект уширения пролетного строения и повышения его несущей способности без установки дополнительной балки путем создания в главных балках усилий, вызывающих отрицательные изгибающие моменты. Для этого над каждым нижним поясом главных балок были уложены четыре пучка из высокопрочной проволоки (рис. 87, б). Каждый пучок состоял из 24 проволок диаметром 5 мм с пределом прочности 17000 кГ/см2. Пучки были заключены в металлические трубки диаметром 50 мм, которые после натяжения проволок заполнялись горячим битумом. Пучки натягивались домкратами двойного действия с упором на металлические плиты, приваренные к концам балок.
При натяжении пучков возникали моменты отрицательного знака, значительно повысившие способность балок к восприятию положительных моментов. С появлением отрицательных моментов в плите проезжей части возникли растягивающие напряжения, величина которых не превышала 6 кГ/см2.
В связи с необходимостью уширения проезжей части и повышения ее несущей способности тротуарные консоли плиты были срублены, по верхней плоскости плиты произведена сплошная насечка. Кроме того, установлено 180 вертикальных анкерных стержней, уложен слой бетона для утолщения плиты и забетонированы новые консоли, вылет которых определился необходимой шириной проезжей части 8,0 м и тротуаров по 1,0 м.
Принятый прием усиления позволил снизить расход металла и стоимость по сравнению с первоначальным проектом.
Конструктивное осуществление предварительного напряжения в разрезных пролетных строениях сравнительно просто в связи с однозначной эпюрой моментов. Несколько сложнее осуществить предварительное напряжение при двузначных эпюрах моментов, например, в неразрезных балках, где на протяжении длины пролетного строения в одном и том же поясе на различных участках расчетные усилия имеют разные знаки. Однако и в этих случаях нашли применение различные способы предварительного напряжения.
Автодорожный мост у г. Монтабаура (ФРГ) имеет пролетное строение в вйде неразрезной трехпролетной балки с пролетами 37,8+50,4+37,8 м (рис. 88, а).
В поперечном сечении установлены две главные балки и по оси моста продольная балка, опирающаяся на поперечные балки в виде сквозных ферм (рис. 88, б).
С целью экономии металла главных балок произведено их предварительное сжатие путем натяжения стального каната диаметром 72 мм, расположенного с внутренней стороны каждой балки в растянутых зонах (рис. 88, б). Сохранение заданного положения каната обеспечивается устройством специальных желобов (рис. 89): силы натяжения переданы на торцы балок.
В этом пролетном строении нашел применение представляющий интерес оригинальный,способ включения железобетонной плиты в работу главных балок.
Поскольку в надопорных участках верхний пояс главных балок растянут, для возможности учета плиты в работе главной балки необходимо было подвергнуть плиту предварительному сжатию.
Если принять конструкцию жесткого соединения плиты с поясом главных балок во время бетонирования, то деформациям плиты при ее предварительном сжатии, усадке и ползучести бетона будут препятствовать упоры, соединяющие плиту с балкой. Чтобы обеспечить возможность свободного предварительного сжатия плиты и деформаций от усадки и ползучести, бетонирование плиты осуществлено таким образом, чтобы на первоначальный период она не имела никакой связи с поясом главной балки.
Для этого перед бетонированием плиты на верхние пояса главных балок были установлены стальные желоба (см. рис. 88, б), составленные из неравнобоких уголков и приваренного к ним горизонтального листа с упорами в виде планок, поставленных на ребро и приваренных к горизонтальному листу и уголкам.
Желоба опирались на пояса балок через каточки из круглой стали, расположенные на верхнем поясе главной балки под горизонтальными листами желобов. Через месяц после бетонирования последнего участка плиты и после ее предварительного напряжения горизонтальные полки уголков, образующих стенки желобов, были приклепаны к верхним поясам главных балок, а пространство между каточками под горизонтальными листами желобов заполнено жидким цементным раствором, нагнетаемым под давлением. Таким путем была создана жесткая связь железобетонной плиты с металлическими балками.
Участие плиты в работе главных балок и предварительное напряжение металлических балок позволили на 33% уменьшить вес металла в пролетном строении.
Целеустремленные поиски путей снижения затраты металла можно отметить в проекте моста через р. Томь в Новокузнецке, разработанном Промтрансниипроектом.
Русло реки перекрыто пятипролетными неразрезными балками с разбивкой на пролеты 73+3X109+73 м (рис. 90). На мосту располагаются два трамвайных пути, две полосы автомобильной дороги шириной по 6,5 м. Общая ширина проезжей части 19,6 м (рис. 91).
В первые годы эксплуатации моста одна из автодорожных полос использовалась для пропуска железнодорожного пути, в связи с чем пролетное строение и опоры моста рассчитаны под совмещенную автомобильную и железнодорожную нагрузки.
Пролетное строение состоит из 10 главных балок, объединенных поперечными связями и железобетонной плитой.
Расстояния между главными балками назначены таким образом, чтобы расчетные нагрузки были примерно равны, и сечения всех балок можно было принять одинаковыми.
При назначенных пролетах и расчетных нагрузках для пролетного строения из стали Ст.3 и обычных условий работы потребовались бы очень тяжелые сечения балок.
Были рассмотрены различные пути снижения веса балок и приняты решения: применить для балок низколегированную сталь 15ХСНД с пределом текучести 34 кГ/мм2, объединить железобетонную плиту с главной балкой и учесть ее в работе в сжатой зоне, соответствующими приемами монтажа уменьшить расчетные моменты в серединах пролетов, назначить переменную высоту балки (2,35 м в середине больших пролетов и 5,55 м на промежуточных опорах), придав криволинейное очертание нижнему поясу, создать предварительное напряжение верхних поясов балки в надопорных участках для частичного погашения отрицательных моментов, достигающих очень больших величин над опорами.
Главные балки монтировались полунавесным способом от берегов к середине моста, при этом в середине четвертого пролета был предусмотрен зазор шириной 0,5 м. После окончания монтажа стык во втором пролете, осуществленный временно на болтах, был разболчен. Таким образом, конструкция вступила в работу на собственный вес металла, как две одноконсольные балки и одна двухконсольная (рис. 92, I). Изгибающие моменты в середине больших пролетов (109 м) при этом равны нулю. В таком положении над верхними поясами главных балок в надопорных участках было произведено натяжение струнопакетов, в результате которого растянутому верхнему поясу были приданы сжимающие усилия величиной 760 т в каждой балке (рис. 92, II). После этого по всему пролетному строению уложены сборные железобетонные плиты без их омоноличивания (рис. 92, III). Затем консоли были пригружены грузами по 57 т, расположенными на концах консоли каждой балки. Эта нагрузка вызвала дальнейший прогиб консолей, растяжение верхних поясов и отрицательные моменты в надопорных участках. Во избежание появления больших отрицательных моментов на средних участках балок пригруз осуществлен также в пролетах (рис. 92, IV).
В таком положении плиты были омоноличены. После соответствующей выдержки пригруз был снят, что равнозначно приложению тех же сил в обратном направлении; балки распрямились, и плиты в надопорных участках оказались сжатыми (рис. 92, V).
Вся эта операция с пригрузом была произведена с целью придания плитам предварительного сжатия. Это сжатие в расчете не учитывалось, в растянутой зоне участие плиты в работе балки не предусмотрено, а придание плитам предварительного сжатия имело целью повысить трещиностойкость плит.
После снятия пригруза произведена клепка средних стыков, и система превращена в неразрезную.
Натяжение высокопрочной проволоки в плоскости верхнего пояса в надопорных участках балки производилось домкратами. Пакеты из высокопрочной проволоки в виде петель изготавливали на строительной площадке вблизи моста. Каждая ветвь петли состоит из 125 проволок диаметром 3 мм, образующих круглый пучок диаметром 38 мм. Длина пакета по периметру 114 м. Общий вес пакета достигал 800 кг. Готовые пакеты доставляли на мост, где их в виде восьмерок укладывали на верхние пояса.
Для натяжения к верхнему поясу приваривали неподвижные и домкратные упоры (рис. 93). Укладываемые петли с одной стороны закрепляли на неподвижном упоре, а с другой — на подвижном. В промежутки между домкратным и подвижным упорами устанавливались домкраты.
После натяжения подвижный упор приваривали к поясу и домкрат освобождали, передавая силы натяжения на упоры.
На каждый пояс укладывалось по восемь петель в определенном порядке и производилось натяжение (на рис. 93 показан порядок раскладки — номерами в знаменателе, порядок натяжения — в числителе).
Расчетная сила натяжения каждого пакета составляет 95 т. При натяжении в проволоке возникало напряжение в 54 кГ/мм2, а при дальнейшей работе пролетного строения в эксплуатации эти напряжения увеличивались до 90 кГ/мм2, что составляет 50% нормативного сопротивления разрыву.
Наибольшие напряжения сжатия в верхнем поясе достигают 2720 кГ/см2 (рис. 94). В нижнем поясе возникает при этом растяжение до 600 кГ/см2.
Придание сжимающих усилий верхнему поясу позволило снизить площадь его сечения примерно в 2,5 раза по сравнению с нижним поясом и сэкономить до 500 г металла, что составляет около 10% общего веса металлического пролетного строения.
Приведенные примеры приемов регулирования напряжений далеко не исчерпывают всех возможных способов придания конструкции до введения в эксплуатацию предварительных усилий. Они лишь характеризуют современное прогрессивное направление, которое должно находить все более широкое применение в мостостроении.
Использование приемов регулирования усилий приводит к совершенно новым условиям, когда возможности инженера не ограничиваются определением характера и величин усилий, действующих в тех или иных конструкциях, а расширяются за счет искусственного создания таких условий работы, которые нужны для достижения поставленных целей: наиболее экономичного использования материала; изменения внешнего вида, повышения жесткости и т. д.
Это обстоятельство приобретает особенно актуальное значение в связи с задачей наиболее эффективного использования высокопрочных металлов, выпуск которых все увеличивается.
Существенно меняется характер проектирования. Если при введении конструкций в работу с нулевыми начальными напряжениями проектировщик обычно не был связан условиями монтажа, то при проектировании конструкции с искусственным регулированием усилий условия монтажа определяются проектом и должны строго соблюдаться при строительстве.