Строительство мостов (Курлянд) методичка. В. Г. Курлянд, В. В. Курлянд строительство мостов
 Скачать 9.36 Mb.
|
|
9. Строительство арочных, висячих и вантовых мостов 9.1. Постройка арочных мостов В арочных мостах в качестве несущих элементов используют арки и своды. Они могут иметь распорную или безраспорную статическую схему. Применяются также комбинированные схемы, включающие арки и балки жесткости. Распорные системы требуют мощных опор, которые могут вос- принять без деформаций значительные горизонтальные силы. Железобе- тонные арки в основном бесшарнирные, стальные - двухшарнирные. Езда может быть поверху, понизу и посередине. Безраспорные арочные мосты не требуют мощных устоев. Удачной системой является арочно- консольная с предварительно напряженной затяжкой и ездой поверху (система инженера Б.Д. Васильева). Арочные мосты имеют большое архи- тектурное преимущество по сравнению с другими системами и очень на- дежны вследствие работы материала арок в основном на сжатие. Арочные мосты имеют большую историю. Например, в Италии эксплуатируются каменные мосты, построенные 2 тысячи лет назад (г. Римини). В Сочи в 1933 г. был построен Верещагинский виадук - многопролетная арочная система с несущими раздельными арками из бетона марки по прочности на сжатие В5. В последствии он был отремонтирован итальянской строительной фирмой и в настоящее время находится в эксплуатации. Арочные мосты строят во всем мире из бетона, железобетона, стали и даже еще из естественного камня. 150 Железобетонные арочные пролетные строения могут иметь сборное или монолитное исполнение. При сборном варианте арки собирают из отдельных монтаж- ных блоков П-образного, двутаврового или иного сечения. Сборка несущих арок может производиться на арочных подмостях (кружа- лах) из индивидуального металла или дерева (рис. 9.1, а). Монолитные арки бетонируют при пролетах до 20…30 м без деления на секции с интенсивной укладкой смеси слоями с обеих сторон от пят к замку. Бетонирование необходимо закончить ранее окончания схватывания бетона в пятовых сечениях, в которых, в первую очередь, сказывается деформация кружал. При больших пролетах в забетонированных арках могут воз- никнуть трещины из-за деформаций кружал, особенно в бесшарнир- ных арках в пятовых сечениях. На остальных участках прогибы кру- жал не оказывают большого влияния. В бесшарнирных арочных пролетных строениях с пролетом до 60 м можно устраивать для предотвращения трещин рабочие швы только у пят и в середине пролета. При бетонировании арочных пролетных строений больших пролетов арку разбивают на секции бетонирования длиной 10…30 м. В последнюю очередь бетонируют клинья в пятах. Бетонную смесь подают бетононасосами, а также кранами в бадьях. Монолитные конструкции арок включаются в работу постепенным опусканием кружал. Этот процесс называют раскружаливанием конст- рукции. К моменту раскружаливания бетон должен достигнуть не менее 70% от проектной прочности. При этом недопустимо возникновение в арках изгибающих моментов. Раскружаливать арки необходимо строго симметрично в несколько этапов, начиная с середины. Для плавного опускания забетонированных арок при раскру- жаливании широко применяют песочницы. Песок должен быть су- хой, без примеси глины. Величину опускания контролируют по объ- ему выпущенного песка. Также применяют винтовые или гидравли- ческие домкраты (подмости ALUMA SYSTEM, Канада). Кроме бетонирования на подмостях и кружалах, возможно исполь- зование метода навесного бетонирования и навесной сборки (рис. 9.1, б). 151 Рис. 9.1. Возведение арок: а - на подмостях; б - навесным способом. 1 - подмости; 2 - монтируемая сборная или бетонируемая несущая арка; 3 - временный пилон; 4 - ванты; 5 - бетонируемая или возводимая из блоков арка 9.2. Строительство вантовых мостов В последние годы в России было построено несколько вантовых металлических мостов: через р. Неву в г. Санкт-Петербурге по проекту Гипростроймоста с пролетом 382 м, через р. Обь в г. Сургуте, с однопи- лонной схемой с пролетом 408 м, в г. Москве в районе Серебряного Бора с оригинальным пилоном арочного типа. Закончено строительство моста через пролив Босфор Восточный в г. Владивостоке с пролетом 1104 м. 152 Выдающиеся мосты вантовой системы построены во Франции и других странах Западной Европы, а также в Юго–Восточной Азии (Китай, Вьетнам, Малайзия). Вантовые мосты были разработаны и внедрены около 50 лет назад в ФРГ. По своей статической работе они представляют собой неразрезные балки, усиленные вантами. Вантовые системы аэро- динамически более устойчивы, чем висячие. Общие деформации пролетного вантового строения происходят с участием продольных деформаций вант, в то время как в висячих мостах деформации происходят за счет изменения формы кабеля. Таким образом, при колебаниях висячих мостов диссипация энергии колебаний значи- тельно меньше, чем в вантовых мостах, и их аэродинамическая ус- тойчивость значительно ниже. Кроме этого, ванты из набора от- дельных канатов более технологичны, чем кабели висячих мостов. Для вантовых ферм применяют: • витые канаты из оцинкованной проволоки; • канаты из параллельных проволок (они имеют стабильные мо- дули деформации); • ванты конструкции фирмы Фрейсине из семипроволочных ка- натов. Витые канаты возможно применять при малых пролетах ван- товых мостов 100…400 м из-за низкого модуля деформации (до 1,2×10 6 кгс/см 2 ). Ванты из параллельных проволок применяли в СССР, в частно- сти при строительстве моста через р. Днепр в г. Киеве. Достоинством таких вант является высокий и стабильный модуль деформаций. Ванты из канатов системы фирмы «Фрейссине» нашли преимуще- ственное применение во многих странах мира (рис. 9.2), по этой техноло- гии построены сотни мостов. Конструкция вант (рис. 9.2, б) формируется из «монострендов» (рис. 9.2, в), в состав которых входит семипроволоч- ный канат из оцинкованной проволоки с двойной антикоррозийной за- щитной оболочкой. «Моностренды» поставляют с завода на строитель- ную площадку в полностью готовом виде. На концах вант располагается анкерно-опорная конструкция, в которой канаты анкеруют с помощью ко- нусных анкеров. Концевые участки канатов располагают в защитном ко- робе, заполненном антикоррозийным составом (рис. 9.2, а). 153 Рис. 9.2. Конструкция вант фирмы «Фрейссине»: а - анкеровка канатов; б - поперечное сечение ванты; в - поперечное сечение каната («моностренда») с антикоррозийной защитой. 1 - оцинкованный канат («моностренд»); 2 - клинья; 3 - канатный анкер; 4 - опорная конструкция; 5 - «моностренд» с антикоррозийной оболочкой; 6 - защитный короб; 7 - антикоррозийный компаунд; 8 - двойная антикоррозийная защитная оболочка из полиэтилена высокой плотности Расчетный срок службы вант составляет 100 лет, однако, по мнению строителей, ванты могут прослужить и 500 лет. Балки жесткости вантовых мостов по материалу могут быть сталь- ными, сталежелезобетонными и железобетонные (рис. 9.3). Стальные балки жесткости (рис. 9.3, а, б) имеют преимущества по весу для больших 154 пролетов. Однако при плохо обтекаемой аэродинамической форме мо- жет возникнуть аэроупругая неустойчивость под действием ветра. По- этому для больших пролетов стальным балкам жесткости необходимо придавать хорошо обтекаемую форму (см. рис. 9.3, б). Они имеют легкую несущую проезжую часть из сварных ортотропных (ортогонально- анизотропных) плит. Верхний (покрывающий) лист толщиной не менее 12...14 мм, продольные ребра простейшего плоского типа, приваренные с шагом поперек пролета 300...400 мм. Продольные ребра имеют пролет 2...5 м. Основным достоинством плоских продольных ребер является простота заводского изготовления и монтажных стыков. Закрытые ребра лучше работают на сжатие, однако они значительно сложнее в изготов- лении и монтаже, а при эксплуатации не могут быть покрашены изнутри. Поперечные ребра, служащие опорами для продольных, име- ют, как правило, двутавровое сечение, в котором верхним поясом служит покрывающий лист ортотропной плиты. Поставляемые заводами плиты могут иметь продольное и по- перечное членение, которое предпочтительнее по объему монтаж- ных соединений. Лист настила монтируют на стыковой сварке. Большие длины швов и их нижнее положение позволяют широко применять автома- тическую сварку под слоем флюса. При толщинах листа 12 мм и бо- лее применяется V-образная разделка листа. Первый этап сварки иногда выполняют вручную по медно- флюсовой подкладке, что дает возможность выполнения после- дующих проходок автоматом. Для стыкования ребер из-за малой их протяженности невозмож- но применение автоматической сварки, поэтому используют стыки на высокопрочных болтах. При замкнутых ребрах применение болтовых соединений невозможно и монтажные стыки делают сварными с по- мощью ручной сварки, которая не поддается дефектоскопии. Основные схемы сборки вантовых пролетных строений со стальными балками жесткости: Схема 1. Навесная сборка с минимальным количеством вре- менных опор (рис. 9.4, г). Схема 2 . Продольная надвижка балок жесткости с аванбеком и шпренгелем (рис. 9.4, а, в). 155 Рис. 9.3. Конструктивные решения балок жесткости вантовых мостов: а - стальная балка жесткости из ортотропных элементов; б - стальная коробчатая, хорошо обтекаемой формы; в - сталежелезобетонная; г - железобетонная плитная; д - железобетонная коробчатая Схема 3. Сборка на временных опорах (см. рис. 9.4, г). При железобетонных балках жесткости в вантовых мостах снижается динамическая составляющая от действия ветра и под- 156 вижной нагрузки. Предварительно напряженные балки жесткости применяют при пролетах до 400…500 м во многих странах, напри- мер, во Вьетнаме. При больших пролетах применение железобето- на в балках жесткости становится нецелесообразным. Наиболее часто железобетонную балку жесткости вантовых мостов возводят методом навесного бетонирования (рис. 9.4, б). 9.3. Монтаж висячих мостов Интенсивное строительство висячих мостов началось с 1860 г. в США, где для кабелей начали применять высокопрочную проволо- ку, а известный инженер Д, Роблинг (John Roebling) изобрел метод прядения кабеля (Aerial-Spinning method). В последние десятилетия в области строительства висячих мос- тов в мировом мостостроении достигнуты большие успехи. В частно- сти, построен мост Акаши в Японии (Akashi-Kaikyo Bridge), который соединяет острова Хонсю и Сикоку. Главный пролет моста 1991 м, полная длина моста 3911 м. В Китае построен висячий мост через р. Янцзы с пролетом 1500 м, а также через пролив в г. Гонконге. В России висячие мосты строят неоправданно мало. Уже суще- ствующие возводились либо из архитектурных соображений, либо под пешеходное движение (Крымский мост в г. Москве по проекту профес- сора К.К. Якобсона, пешеходный мост через р. Десну в г. Брянске по проекту Г.М. Яновского и др.). Недостатком висячих мостов является их значительная гибкость и аэродинамическая неустойчивость. За время, которое прошло после ка- тастрофы в 1940 г. Такомского моста, в США проводились значительные исследования моделей в аэродинамических трубах, по результатам ко- торых были разработаны рациональные аэродинамически устойчивые геометрические формы поперечных сечений балок жесткости, повышена жесткость конструкций пролетных строений на кручение (рис. 9.5). Схемы висячих мостов по фасадам могут быть: 1) однопролетными с прямыми оттяжками, заделанными в ан- керных опорах или в скале; 2) трехпролетными с крайними пролетами, подвешенными к кабелю; 3) многопролетными. 157 Висячие мосты из-за пониженной жесткости строят преимуще- ственно под автомобильную или только под пешеходную нагрузку. Если вантовые мосты могут иметь железобетонные балки жесткости, то висячие мосты строят только со стальными балками жесткости. Рис. 9.4. Схемы возведения вантовых систем: а - метод продольной надвижки балки жесткости; б - навесное бетонирование балки жесткости; в - продольная надвижка многопролетного балочно-вантового пролетного строения вместе с пилоном; г - с использованием для сборки балки жесткости временных опор. 1 - балка жесткости; 2 - пилон; 3 - аванбек; 4 - толкающие устройства; 5 - агрегат для навесного бетонирования; 6 - временная опора 158 Рис. 9.5. Поперечные сечения балок жесткости висячих мостов аэродинамически устойчивой формы: а - со сквозными фермами; б - коробчатой обтекаемой формы. 1 - несущие кабели; 2 - пояса главных ферм Рис. 9.6. Монтаж кабеля методом прядения: 1 - бесконечный канат; 2 - бухта с проволокой; 3 - прядильное колесо; 4 - пилон; 5 - анкерный башмак Балки жесткости могут иметь поперечное сечение: 1) из двух главных балок, по которым устроена ортотропная плита для пролетов до 100 м; 2) из двух главных ферм с ортотропной верхней плитой с мощ- ными продольными верхними и нижними связями, поперечными связями (рис. 9.5, а); 3) коробчатую балку жесткости хорошо обтекаемой формы (рис. 9.5, б). 159 Пилоны висячих мостов по конструкции аналогичны пилонам ван- товых и могут быть стальными или железобетонными. Кабели закреп- ляют в массивных анкерных массивных опорах, которые воспринимают сдвигающие и отрывающие вертикально направленные вверх силы. Кабели монтируют «методом прядения» из параллельных оцинко- ванных проволок диаметром 5…7 мм, защищенных оцинковкой. Кабели висячих мостов малых пролетов до 100 м (мост через р. Десну в г. Брян- ске) сформированы из витых канатов заводского изготовления из оцинко- ванных проволок, которые имеют меньший общий модуль деформации. В последние годы кабели монтируют из заготовленных на за- водах пучков из параллельных проволок (Prefabricated Parallel Wire Strand method). Кабели висячих мостов больших пролетов защищают от кор- розии обмоткой оцинкованной проволокой с последующей окраской; в последнее время применяются полиэтиленовые рубашки. Вскрытие кабеля Бруклинского моста в г. Нью-Йорке показало иде- альное их состояние после более, чем столетней эксплуатации (незначи- тельная коррозия обнаружена лишь в местах расположения подвесок). Последовательность строительства При строительстве внеклассных висячих мостов в подготовитель- ный период проводят комплексные изыскания и исследования, разраба- тывают проект моста. Конструкция висячего моста обладает значитель- ной гибкостью и поэтому обязательным этапом стало проведение ис- следований моделей в аэродинамических трубах. Для уникальных мос- тов строят специальные трубы «пограничного слоя», в рабочей части которых воспроизводят особенности ландшафта и режима местных ветров. Главным результатом аэродинамических исследований являет- ся разработка геометрической формы балки жесткости ( см. рис. 9.5). Строительство висячего моста проводится по стадиям: 1) возведение анкерных (береговых) опор; 2) возведение фундаментов под пилоны и монтаж пилонов; 3) монтаж временных висячих подмостей для проведения монтаж- ных работ по возведению несущего кабеля из параллельных проволок; 4) монтаж балки жесткости и подвесок. Сложность монтажных работ заключается в необходимости перекрытия больших пролетов с расположением конструкций на 160 очень большой высоте, с пониженной жесткостью конструкций, не- обходимостью проведения искусственного регулирования в процес- се монтажа (подтяжки подвесок). Анкерные опоры воспринимают значительные сдвигающие и отрывающие усилия. Они имеют массивную конструкцию и должны быть надежно заделаны в грунт. В их конструкции в специальных доступных для осмотра камерах располагают специальные анкерные устройства для несущих кабелей моста. В этих камерах для уникаль- ных мостов предусмотрены помещения, где расположены приборы для проведения мониторинга состояния конструкций в процессе экс- плуатации и фиксации амплитуд колебаний сооружения. В зависимости от геологического строения фундаменты анкер- ных опор могут быть свайными на забивных сваях, на буровых сва- ях , на опускных колодцах или в виде замкнутой стены в грунте. Глубина заложения подошвы фундаментов доходит при неблаго- приятных геологических условиях до 60 м. При значительном об- воднении грунтов применяется глубинное замораживание. Фундаменты под пилоны могут иметь конструкцию аналогичную анкерным опорам. При большой глубине за рубежом используют опуск- ные колодцы, подаваемые к месту опускания на плаву. Они могут иметь круглое или прямоугольное сечение, снизу имеются ножи. Тело кессона имеет двойные стенки, которые объединены сквозными связями. Кессо- ны изготавливают вблизи от строительной площадки, транспортируют на место опускания, закрепляют с помощью якорей. Далее проводится опускание колодца и подводное бетонирование внутренней полости. После укладки подводного бетона (underwater concrete) бетонируется верхняя плита. Так, кессон моста Akashi в Японии имеет диаметр 80 м и заложен на глубину 60 м. При бетонировании используют специальные бетонные заводы, расположенные на баржах. При бетонировании под- водным способом применяют бетонолитные трубы, которыми подают бетон в отдельные отсеки между двойными стенками. Внутреннее ядро бетонируют на полное сечение с подачей смеси одновременно через большое количество бетонолитных труб. Используют цемент с низкой экзотермией. Бетонирование проводится непрерывно со скоростью 5 см/ч. Для верхней покрывающей плиты в сложных условиях (мосты че- рез морские проливы) используют фибробетон и полимерные добавки 161 для исключения карбонизации. Верхняя поверхность плиты покрывается также полимерным материалом против карбонизации. Монтаж пилонов. Основными трудностями монтажа являются: • обеспечение точности изготовления и монтажа; • колебания конструкции под действием ветра; • необходимость обеспечения безопасности и скорости монтажа. В процессе сборки необходимо обеспечивать точность по дли- не элементов ±1 мм, перпендикулярность 1/10000. Подавление ко- лебаний осуществляют с помощь специальных гасителей, проводя предварительные испытания в аэродинамической трубе. Для висячих мостов малых пролетов сборку пилонов можно провести в горизонтальном положении, а затем поднять конструк- цию в проектное положение поворотом. Монтаж кабелей. Существуют два метода монтажа кабелей из параллельных проволок висячих мостов больших пролетов: • метод «прядения» кабеля из отдельных проволок (Aerial- Spinning method); • метод монтажа из предварительно заготовленных канатов из па- раллельных проволок (Prefabricated Parallel Wire Strand method). Прядение кабелей имеет 150-летнюю историю и заключается в протяжке проволок с помощью специального прядильного колеса. Для прядения вначале устраивают рабочие подмости на вспомога- тельных канатах, подвешиваемых на пилонах. Эти подмости распо- лагают по очертанию несущих кабелей, но несколько ниже их. Затем вдоль оси каждого кабеля подвешивают бесконечный канат для пе- ремещения прядильных колес (рис. 9.6). На анкерных опорах располагают бухты с проволокой. Между анкерными башмаками кабеля на устоях протягивают направляю- щую проволоку, регулируют ее длину и положение в пролетах. По ней уже без регулировки укладываются все последующие проволо- ки. Затем работы проводят по стадиям: 1. Конец проволоки с барабана обводят вокруг прядильного колеса и закрепляют конец на устое (эта операция одновременно проводится на обоих берегах). 2. Бесконечный канат тянет навстречу друг другу по две или более проволоки. 162 3. Когда прядильные колеса доходят до устоев, канат останав- ливают, проволоку снимают с колес и надевают на анкерный башмак. 4. Циклы прядения продолжают до момента, когда будет уло- жено расчетное количество проволок для образования пряди. Все смонтированные проволоки подтягивают и выравнивают с направ- ляющей проволокой. 5. Все пряди объединяют в один кабель с помощью специаль- ного кольцевого пресса. Метод монтажа из заранее приготовленных прядей более эф- фективен. При этом используется проволока оцинкованная с преде- лом прочности 1800 Н/мм 2 Монтаж балок жесткости осуществляют по схеме, зависящей от конструкции моста, пролета, режима реки и других факторов. В первую очередь монтируют подвески. Для пролетов до 100 м и небольшой глу- бине воды балку жесткости собирают на сплошных подмостях или вре- менных опорах. При больших пролетах применяют навесную сборку. При навесной сборке порядок монтажа балки жесткости выби- рают таким, при котором деформации несущих кабелей по мере возрастания нагрузки в течение всей сборки будут иметь наимень- шую величину. С этой целью сборку ведут от середины к концам пролета или с концов к середине. Для больших пролетов балку жесткости целесообразно монтиро- вать крупными блоками с подачей их на плаву. В мировой практике мос- тостроения стала популярной схема навесного монтажа, впервые при- мененная для Севернского висячего моста в Великобритании. Балка жесткости хорошо обтекаемой формы (рис. 9.5, б) сварной ортотропной конструкции разделяется на отдельные блоки длиной около 20 м. На первой стадии на сборочной площадке на берегу из плоских элементов осуществляют укрупнительную сбоку блоков балки жесткости. На второй стадии блоки балки жесткости герметизируют спе- циальными заглушками в диафрагмах и подают к месту монтажа с помощью буксиров. На третьей стадии методом навесной сборки специальными подъемниками блоки устанавливают в проектное положение. Этот метод был использован при строительстве висячего мос- та через р. Иртыш в Казахстане с главным пролетом 750 м. Работы по строительству были выполнены японской фирмой в 1998-2000 гг. |