ПРОЛЕТНОЕ СТРОЕНИЕ МОСТА

Полезная модель относится к мостостроению и может быть использована в сталежелезобетонных мостах с монолитной железобетонной плитой проезжей части, преимущественно автодорожных мостов малых и средних пролетов.
Известно пролетное строение моста, включающее продольные металлические главные балки двутаврового сечения со сплошной стенкой, металлический сборный из соединенных между собой секций плоский листовой поддон, жестко укрепленный на верхних поясах главных балок и снабженный укрепленными на его верхней поверхности ребрами жесткости, замоноличенную в поддоне бетонную плиту проезжей части с противоусадочной арматурой, поперечные связи с верхними поясами. Ребра жесткости на каждой из секций плоского листового поддона размещены перпендикулярно продольной оси моста, и выполнены в виде уголков, причем концевые участки каждого уголка расположены над верхним поясом соответствующей главной балки, а обращенные друг к другу концевые участки каждого ребра жесткости смежных по ширине пролетного строения секций плоского металлического поддона объединены соединительным элементом. Причем каждое ребро жесткости приварено боковой гранью к поддону и обращено полкой к проезжей части [Авторское свидетельство №817128, E01D 1/00, опубл. 30.03.81. Бюл. №12].
Недостаток известного пролетного строения заключается в значительной его материалоемкости, обусловленной необходимостью применения главных балок двутаврового поперечного сечения, имеющих сплошную стенку. Поскольку к металлическому поддону уголки приварены боковыми гранями к его верхней поверхности, он имеет пониженную жесткость поперечного изгиба плиты проезжей части с расчетным пролетом, равным расстоянию между главными балками. К недостаткам известной конструкции относится также пониженная жесткость сдвиговоспринимающих устройств - ребер жесткости, обеспечивающих совместную с главными балками работу на изгиб железобетонной плиты проезжей части, за счет того, что они приварены боковыми гранями к верхней поверхности металлического поддона.
В известных решениях по патентам на полезную модель №56411 и №56412 для снижения материалоемкости и массы пролетного строения главные балки двутаврового сечения выполнены сквозными. Шестиугольные отверстия в балках получены путем зигзагообразного трапециевидного разреза сплошных балок и последующей сварки полученных частей по выступам разреза. В пролетных строениях по патентам №56411 и №56412 повышена также и жесткость листового поддона, который укреплен на верхних поясах главных балок. Для этого уголковые ребра жесткости приварены на верхней поверхности листового поддона полками. Такое выполнение конструкции снижает постоянную нагрузку на главные балки. Для повышения несущей способности в пролетном строении по патенту №56412 нижняя часть главных балок выполнена из стали большей прочности, поскольку основная нагрузка приходится на нижнюю часть главных балок. Главные балки пролетного строения по патенту №56411 выполнены из сталей одной марки.
Недостаток известных пролетных строений заключается в том, что поперечные ребра жесткости, выполненные из уголков и приваренные полками к верхней поверхности листового поддона, размещаются произвольным образом по длине пролетного строения.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является пролетное строение моста по патенту на полезную модель №69875. Оно принято за прототип и включает продольные металлические главные балки двутаврового сечения со сквозными стенками, форма которых получена путем зигзагообразного трапециевидного разреза сплошной стенки двутавровой балки и сварки встык по выступам разреза с образованием шестиугольных отверстий, горизонтальная ось которых в стенках главных балок смещена вверх, относительно горизонтальной оси главных балок, причем, если главные балки выполнены из прокатных двутавров, то верхние стороны отверстий примыкают к верхним выкружкам главных балок, а если главные балки выполнены из сварных двутавров, то верхние стороны отверстий примыкают к верхним полкам главных балок. Кроме того, пролетное строение содержит металлический плоский листовой поддон, жестко укрепленный на верхних поясах главных балок и снабженный поперечными ребрами жесткости, выполненными в виде уголков, приваренных на верхней поверхности поддона полками и соединенных концевыми участками по ширине поддона, причем концевые участки поперечных ребер жесткости расположены за пределами верхних поясов главных балок, а также замоноличенную в поддоне бетонную плиту проезжей части с противоусадочной арматурой и поперечные связи, соединяющие главные балки. [Патент на полезную модель №69875 «Пролетное строение моста». E01D 1/00, Опубл. 10.01.2008, Бюл. №1].
Недостаток известного пролетного строения заключается в неоптимальном и произвольном размещении поперечных ребер жесткости вдоль пролетного строения, что приводит к уменьшению несущей способности (грузоподъемности) пролетного строения, поскольку балки пролетного строения, ослабленные отверстиями в стенках, испытывают значительные напряжения в верхних и нижних углах шестиугольных отверстий, там где высота двутавров минимальна, что приводит к потере местной устойчивости и снижению общей грузоподъемности пролетного строения.
Задача полезной модели - наряду с имеющимися в прототипе преимуществами, увеличить грузоподъемность сталежелезобетонного пролетного строения моста.
Технический результат, на достижение которого направлена предполагаемая полезная модель, заключается в оптимальном распределении напряжений общего изгиба в стенках, нижнем и верхнем поясах сквозных балок пролетного строения, общем снижении напряжений в нижнем поясе сквозных балок и углах шестиугольных отверстий.
Задача решена следующим образом. Общим с прототипом является то, что пролетное строение моста включает продольные металлические главные балки двутаврового сечения со сквозными стенками, форма которых получена путем зигзагообразного трапециевидного разреза сплошной стенки двутавровой балки и сварки встык по выступам разреза с образованием шестиугольных отверстий, горизонтальная ось которых в стенках главных балок смещена вверх, относительно горизонтальной оси главных балок. Причем, максимальный эффект увеличения грузоподъемности пролетного строения достигается в следующих случаях: если главные балки выполнены из прокатных двутавров, то верхние стороны отверстий примыкают к верхним выкружкам главных балок, а если главные балки выполнены из сварных двутавров, то верхние стороны отверстий примыкают к верхним полкам главных балок. Пролетное строение содержит металлический плоский листовой поддон, жестко укрепленный на верхних поясах главных балок и снабженный поперечными ребрами жесткости, выполненными в виде уголков, приваренных полками к верхней поверхности поддона и соединенных концевыми участками по ширине поддона, причем концевые участки поперечных ребер жесткости расположены за пределами верхних поясов главных балок. Помимо этого, полезная модель, как и прототип, содержит замоноличенную в поддоне бетонную плиту проезжей части с противоусадочной арматурой и поперечные связи, соединяющие главные балки. В отличие от прототипа поперечные ребра жесткости размещены над верхними углами шестиугольных отверстий в стенках главных балок.
Пролетное строение с главными балками двутаврового сечения, имеющими отверстия в стенке имеет существенное снижение материалоемкости и массы по сравнению с обычными прокатными профилями двутаврового сечения такой же высоты.
Подкрепление плоского стального поддона поперечными ребрами жесткости уголкового профиля, приваренными к его верхней поверхности полками, как в прототипе, придают ему достаточную жесткость и прочность на стадии укладки в него монолитной бетонной плиты в основном направлении изгиба его на этой стадии, совпадающим с направлением, перпендикулярным продольной оси моста, за счет чего обеспечивается уменьшение толщины листового поддона. Причем, поперечные ребра жесткости на стадии эксплуатации выполняют функцию рабочей арматуры плиты проезжей части, что дополнительно снижает материалоемкость пролетного строения.
Кроме того, поперечное расположение ребер жесткости, у которых концевые участки составляющих их уголков заходят за пределы верхних поясов главных балок, обеспечивает выравнивание напряжений в поперечном сечении монолитной плиты на стадии эксплуатации за счет более полного включения ее по ширине при совместной работе на изгиб с главными балками, что позволяет отказаться от постановки на их верхних поясах специальных упоров, функцию которых в предлагаемой конструкции выполняют заходящие за пределы верхних поясов главных балок концевые участки уголков ребер жесткости. Исключение специальных упоров позволяет существенно снизить металлоемкость пролетного строения.
Обеспечение равномерного распределения напряжений в поперечном сечении монолитной плиты при общем изгибе позволяет исключить необходимость увеличения высоты плиты на участках примыкания ее к главным балкам и тем самым обеспечить снижение материалоемкости монолитной плиты, а значит и постоянной нагрузки на главные балки. При смещении отверстий к верхним полкам главных балок высота более нагруженного нижнего тавра главных балок становится больше по сравнению с верхним тавром, менее нагруженным, что положительно сказывается на более равномерном распределении нормальных напряжений в стенке балок и в итоге приводит к общему снижению абсолютных значений нормальных напряжений в стенках балок.
Увеличение несущей способности пролетного строения в целом достигается при любой величине смещения вверх горизонтальной оси шестиугольных отверстий в главных балках. Однако максимальный эффект будет при максимальном смещении оси отверстий, то есть когда верхний край отверстий примыкает в верхней выкружке балки для прокатного двутавра или непосредственно к верхней полке балки для сварного двутавра. Увеличение несущей способности обусловлено разгруженном нижнего пояса главных балок и более равномерным распределением напряжений по поверхности стенок главных балок.
Численными расчетами установлено, что для конструкции пролетного строения в отличие от прототипа оптимальным размещением поперечных ребер жесткости будет такое, когда они размещаются непосредственно над верхними углами шестиугольных отверстий в стенках главных балок. Такое дополнение в конструкции пролетного строения наиболее эффективно в том случае, когда верхний край отверстий примыкает в верхней выкружке балки для прокатного двутавра или непосредственно к верхней полке балки для сварного двутавра. Этот результат был получен в результате численного моделирования различных конструкций плиты проезжей части.
Указанная совокупность существенных признаков в уровне техники не выявлена, что подтверждает новизну заявленной полезной модели.
На чертежах представлена конструкция пролетного строения предлагаемой полезной модели: на фиг.1 - фасад пролетного строения; на фиг.2 - план пролетного строения без бетона плиты проезжей части; на фиг.3 - поперечный разрез пролетного строения; на фиг.4 - шкала в МПа для определения нормальных продольных напряжений, приведенных на фиг.5, в элементах поверхности стенки балки пролетного строения по прототипу; на фиг.5 - изополя нормальных продольных напряжений в стенке балки по прототипу; 6 - шкала в МПа для определения нормальных продольных напряжений, приведенных на фиг.7, в элементах поверхности стенки балки пролетного строения при смещенной вверх горизонтальной оси отверстий с оптимальным размещением поперечных ребер жесткости в железобетонной плите, согласно полезной модели; на фиг.7 - изополя нормальных продольных напряжений в стенке балки при смещенной вверх оси отверстий с оптимальным размещением поперечных ребер жесткости в железобетонной плите, согласно заявленной полезной модели.
Пролетное строение моста (фиг.1-3) содержит главные балки со сквозной стенкой 1, металлический плоский листовой поддон 2, приваренный к верхним поясам главных балок 1 и подкрепленный по верху поперечными ребрами жесткости из прокатных уголков 3, приваренных к металлическому поддону 2. Содержит уложенную в поддон 2, являющийся стационарной опалубкой, монолитную бетонную плиту 4 проезжей части с противоусадочной арматурой 5 в верхней ее части и поперечные связи 6 (фиг.3) между главными балками 1.
Главные балки 1 выполнены из прокатных или сварных двутавров с развитой по высоте стенкой за счет зигзагообразного трапециевидного ее разреза 7 и последующей сварки полученных частей встык по выступам в стенке с образованием шестиугольных отверстий, причем ось 9 отверстий находится выше оси 8 балки.
Пролетное строение моста выполняют следующим образом.
Для изготовления главных балок 1 прокатные или сварные двутавровые балки разрезаются зигзагообразным резом трапециевидного очертания. Наиболее эффективный вариант, когда с одной стороны прокатной балки разрезы выполняют до выкружки, а для сварной балки - до полки двутавра. Затем разрезанные части свариваются встык по выступам разреза с образованием шестиугольных отверстий. Балку 1 при монтаже пролетного строения укладывают так, чтобы в зоне действия максимальных поперечных сил (в сечениях над опорами) участок стенки был сплошной, без отверстий, а верхним краем отверстий был тот, который доходит до выкружки или полки балки.
Затем главные балки 1 соединяют между собой для пространственной работы поперечными связями 6, выполненными из швеллера и приваренными к вертикальным ребрам жесткости (стенкам главных балок) в опорных сечениях и в середине пролета балок.
По верхним поясам главных балок 1 укладывают и приваривают сваркой металлический плоский поддон 2 из листовой стали, к верхней поверхности которого над углами шестиугольных отверстий в стенках главных балок приваривают полками поперечные ребра жесткости 3 из уголкового профиля.
По верху уголков 3 укладывается противоусадочная арматурная сетка 5 и бетон плиты 4 проезжей части.
Подреберные секции тонколистового металлического поддона 2 могут транспортироваться в плоском или рулонируемом компактном положении. Пролетное строение может транспортироваться блоками из двух главных балок 1 с поддоном 2.
На фиг.4-7 приведены примеры расчета методом конечных элементов нормальных напряжений конструкции пролетного строения длиной 6 м при нагрузке 12 т, где для левой относительно середины балки половины стенки балки показаны мозаики продольных нормальных напряжений (мозаики симметричны относительно середины балки). Более насыщенному синему или коричневому цвету соответствуют отрицательные (фиг.4 и 6) сжимающие или, соответственно, положительные растягивающие продольные напряжения. Фиг.4 и 5 показывают, что максимальные значения напряжения в элементах стенки, а именно в углах шестиугольных отверстий, достигают 110 МПа для прототипа. Для случая закрепления поперечных ребер жесткости в железобетонной плите над верхними углами шестиугольных отверстий в стенках главных балок - фиг.6 и 7, нижний пояс балки разгружается, значения напряжения в углах шестиугольных отверстий понижаются, а максимальные значения напряжения в элементах стенки снижаются до 88 МПа. Следовательно, грузоподъемность конструкции пролетного строения моста увеличивается на 20%.
Таким образом, несущая способность пролетных строений мостов со сквозными балками и железобетонной плитой на металлическом поддоне увеличивается при размещении поперечных ребер жесткости в железобетонной плите над верхними углами шестиугольных отверстий в стенках главных балок.