1.3. Основные положения проектирования мостов

1.3.1. Порядок разработки и утверждения проектной документации

Строительство мостов осуществляется по проектам, разрабатываемым и утверждаемым в соответствии с действующими нормативными документами.

Главные задачи проектирования:

- выбор правильного места расположения объекта;

- назначение таких форм и размеров конструкции, которые обеспечили бы запас прочности и устойчивости сооружения, необходимую долговечность, бесперебойность его эксплуатации;

- принимаемые конструктивные решения должны обеспечивать безопасность и плавность движения транспортных средств, безопасность для пешеходов;

- при соблюдении этих требований должны быть обеспечены минимальная стоимость сооружения, экономное расходование материалов;

- должны быть обеспечены простота, удобство и высокие темпы строительства с использованием современных средств механизации и автоматизации производства с его широкой индустриализацией, с соблюдением при этом безопасности производства работ и правил охраны труда;

- должны быть предусмотрены меры по сохранению окружающей среды.

В разрабатываемых проектах должны широко использоваться типовые решения, применяться сборные конструкции, детали и материалы, отвечающие действующим стандартам и техническим условиям.

Проект мостового перехода состоит их двух частей: проектной документации и рабочей документации.

Задание на разработку проектной документации выдает заказчик. На основании предварительных исследований инженерного и экономического характера (предпроектных разработок) в задании, как правило, указываются лишь основные исходные данные для проектирования: план мостового перехода, геологическое строение дна русла реки и ее берегов, рекомендации по основным габаритным характеристикам, по нагрузкам от подвижного состава и др. Эти исходные данные в процессе разработки проекта могут уточняться. К городским мостам предъявляются повышенные архитектурные требования.

Проектная документация состоит из текстовой и графической частей.

Текстовая часть должна содержать основные сведения о проектируемом сооружении, описания принятых технических и иных решений с необходимыми к ним пояснениями, ссылки на используемые нормативные и другие технические документы, результаты расчетов, обосновывающие принятые решения. Графическая часть отображает принятые решения и оформляется в виде чертежей, схем, планов и других документов в графической форме.

Проектная документация, независимо от источника финансирования, подлежит государственной экспертизе. Эксперты рассматривают обоснованность принятых решений, соответствие их действующим нормам и правилам, заданию на проектирование. Обязательна экологическая экспертиза, связанная с сохранением окружающей среды. Если в ходе экспертизы будут обнаружены ошибки или отмечены недостатки проекта, он возвращается на доработку. После внесения в проект исправлений и уточнений, он вновь представляется в органы экспертизы. После положительного заключения экспертов, проект представляют на утверждение.

Утверждение проекта осуществляется в зависимости от источников финансирования:

• при строительстве за счет государственных капитальных вложений – в порядке, установленном Министерством строительства РФ;

• при строительстве за счет капитальных вложений, финансируемых из бюджетов субъектов федерации, - соответствующими органами государственного управления;

• при строительстве за счет собственных финансовых ресурсов, а также за счет инвесторов (включая иностранных инвесторов), - непосредственно заказчиком (инвестором).

После утверждения проектной документации разрабатывается рабочая документация, в которой производится детализация утвержденных технических решений. Рабочая документация состоит из комплектов рабочих чертежей, ведомостей объемов работ, смет и т.д.. Разработанная документация передаётся на рассмотрение заказчику, который её утверждает и направляет подрядчику, то есть организации, осуществляющий строительство.

1.3.2. Составление вариантов и выбор решения.

Первый, очень важный вопрос, который возникает при разработке проекта моста – это выбор решения, т.е. выбор схемы моста, типов пролетных строений и опор, назначение их основных размеров и т.п. При одних и тех же исходных данных можно запроектировать большое количество разных мостов. Выбор наилучшего решения – задача творческая. В результате ее решения нужно получить сооружение, в наибольшей степени удовлетворяющее предъявляемым к нему требованиям: возможна большая долговечность при минимальных эксплуатационных расходах, минимальная строительная стоимость и возможно меньший расход материалов, рациональные способы производства работ и минимальные сроки строительства, хороший внешний вид. Большое значение, в настоящее время, придается вопросам экологии (сохранению окружающей среды).

Для выбора такого решения составляют варианты моста. Вариант моста можно рассматривать как его эскизный проект, разработанный с такой детальностью, чтобы можно было по нему подсчитать объемы строительных работ и стоимость моста. Как правило, составляют несколько вариантов моста, число их зависит от сложности проектируемого сооружения. Но разрабатывают лишь конкурентно способные варианты моста, т.е. технически осуществимые и экономически целесообразные. При этом широко используются типовые проекты. В случае необходимости производят некоторые расчеты с целью обоснования размеров конструкций и объемов работ.

Разработка проектной документации начинается с изучения исходных данных. Информация о них основывается на двух источниках. Первый источник – результаты изысканий, которыми определены: план мостового перехода, продольный профиль, геологический разрез по оси моста, основные гидрологические сведения (отверстие моста при конкретном значении коэффициента размыва русла реки, уровни меженных (УМВ) и высоких вод (УВВ), наивысший уровень высоких вод (НУВВ), уровни низкого (УНЛ) и высокого (УВЛ) ледохода, рабочий уровень воды (РУВ), толщина льда, наличие корчехода и др.). Другая часть исходных данных определяется техническим заданием заказчика. Заказчик может устанавливать ширину проезда по мосту (количество путей на железнодорожных мостах, число полос движения, их ширину и ширину тротуаров на автодорожных и городских мостах), нагрузки, на которые должны быть рассчитаны конструкции моста; определять рекомендации по учету местных особенностей района строительства, предъявлять повышенные архитектурные требования и т.п.

Основной исходной величиной, определяющей длину моста, является его отверстие – сумма расстояний в свету между опорами, измеряемых на уровне высоких вод. При обсыпных устоях отверстие в крайних пролетах измеряют между конусом насыпи и ближайшей опорой. Величина отверстия определяется на основании изысканий мостового перехода и гидравлических расчетов. Однако следует иметь в виду, что величина отверстия зависит от принимаемого коэффициента размыва русла реки. Если принимать больший коэффициент размыва (в пределах допустимого), то отверстие моста получится меньше, а следовательно, будет меньше и длина моста. Но при этом приходится, как правило, принимать более глубокое заложение фундаментов опор.

Длина путепровода зависит от ширины пересекаемой дороги или улицы, а длина виадука определяется экономическими соображениями.

На первом этапе работы над составлением варианта необходимо решить несколько основных задач, тесно связанных друг с другом – это назначение основных высотных отметок, разбивка отверстия моста на пролеты, выбор типов пролетных строений и опор.

Отметка бровки земляного полотна (БЗП) на подходах к мосту для сравнительно небольших сооружений чаще всего определяется при проектировании дороги (железной или автомобильной). В этом случае она проектировщику моста задана. В других случаях бровка земляного полотна определяется в процессе проектирования самого моста.

В первом случае отметка подошвы рельса (ПР) в железнодорожных мостах определится при учете требований норм проектирования: возвышение подошвы рельса над бровкой насыпи на дорогах I и II категории принимается равным 0,9 м, а на дорогах III категории – 0,75 м.

Если отметка бровки земляного полотна проектировщику не задана, то сначала следует определить необходимую отметку подошвы рельса из следующих зависимостей:

ПР=УВВ+Δ₁+h_стр;

ПР=НУВВ+ Δ₂+ h_стр;

ПР=УВЛ+ Δ₃+ h_стр.

В этих выражениях Δ₁, Δ₂, Δ₃ – установленные СП 35.13330.2011 минимально допустимые расстояния, измеряемые соответственно от УВВ, НУВВ, УВЛ до низа пролетного строения; h_стр – строительная высота пролетного строения в пролете, измеряемая от ПР до низа пролетного строения. Отметка бровки земляного полотна, при этом, будет равна ПР-0,9 (0,75) м. В ряде случаев, чтобы уменьшить высоту насыпи на подходах, применяют пролетные строения с пониженной строительной высотой.

Из трех полученных значений отметки подошвы рельса нужно взять наивысшую. Следует заметить, что отметка ПР в разных вариантах может быть различной, так как она зависит от высоты принимаемых пролетных строений.

На судоходных реках отметка подошвы рельса определяется, как правило, из условий судоходства. Ее можно определить по формуле:

ПР=РСУ+Н+и+h_стр,

где РСУ – расчетный судоходный уровень; Н – высота подмостового габарита судоходного пролета, зависящая от класса водного пути; и - расстояние от верха подмостового габарита до низа пролетного строения, учитывающее прогиб пролетного строения, возможную осадку опор и т.п. (обычно принимают и=10…20 см в зависимости от величины и конструкции пролетного строения).

На несудоходных реках разбивку отверстия моста на пролеты производят из следующих соображений:

• получения наиболее экономичного решения;

• пропуска ледохода (в необходимых случаях – пропуска карчехода);

• возможности большей стандартизации применяемых конструкций.

Необходимое минимальное расстояние в свету между опорами зависит от интенсивности ледохода, которая характеризуется многими показателями: прочностью и толщиной льда, размерами льдин, продолжительностью ледохода, скоростью течения воды в реке при ледоходе и др. Условно за интенсивность ледохода можно принять толщину льда: при толщине льда до 0,5 м – слабый ледоход, при толщине льда от 0,5 м до 1,0 м – средний ледоход и при толщине льда более 1,0 м – сильный ледоход. Расстояние в свету между опорами следует принимать не менее 10…15 м при слабом ледоходе, не менее 15…20 м при среднем ледоходе и не менее 20 м при сильном ледоходе. Это относится к главному руслу. На поймах, где ледоход протекает слабее, необходимые расстояния между опорами могут быть уменьшены.

Предполагаемые начало и конец моста находят по продольному профилю, исходя из условия, чтобы площадь водного потока в пределах моста была наибольшей. Оценивая полученное расстояние от подошвы рельса до поверхности грунта в месте предполагаемого начала (или конца) моста, можно принять тип устоя. При массивных устоях, если это расстояние не превышает 6,0 м, обычно принимают необсыпные устои, в противном случае – обсыпные. Обсыпные устои свайного или стоечного типа принимают и при высоте насыпи меньше 6 м (см. п. 2.4.1).

Рис. 1.75. Схемы к разбивке отверстия моста на пролеты:

а – при необсыпных устоях; б – при обсыпных устоях

Разбивку отверстия моста на пролеты можно выполнить методом попыток: задаваясь длиной пролетных строений и толщиной опор, определяют получаемую при этом величину отверстия и сравнивают с заданным отверстием. Более строго вопрос о разбивке отверстия на пролеты может быть решен на основе следующих рассуждений.

При необсыпных устоях сначала определяется необходимое расстояние между шкафными стенками устоев l₁ без учета стеснения отверстия моста промежуточными опорами (рис.1.75,а):

l₁=l₀+2А (3.1)

где l₀ – заданное отверстие моста; А – расстояние от шкафной стенки устоя до его передней грани.

Величина А зависит от длины опирающихся на опору пролетных строений и от размеров опорных частей. В первом приближении при применении типовых железобетонных пролетных строений можно принимать А=0,65…0,8 м.

При небольших величинах l₁ можно принять однопролетную схему моста. Но в большинстве случаев отверстие моста приходится перекрывать несколькими пролетными строениями. С учетом стеснения русла реки опорами требуемое расстояние между шкафными стенками устоя будет равно:

l₁=l₀+2А+∑b (3.2)

где b – ширина опоры на уровне высоких вод.

В первых вариантах следует рассматривать применение типовых пролетных строений длиной, обеспечивающей беззаторный пропуск ледохода, и соответствующих им типовых опор. Сумма длин пролетных строений должна по возможности быть близкой к величине l₁. При n пролетных строений фактические расстояния между шкафными стенками устоев:

l_1,ф=∑l_пс+(n+1)δ, (3.3)

где l_пс – длина одного пролетного строения; δ – расстояние между торцами соседних пролетных строений и расстояния между торцами пролетных строений и шкафными стенками устоев (при пролетных строениях длиной до 30,0 м принимают δ=0,05 м).

Размеры пролетных строений следует принять такими, чтобы их суммарная длина как можно меньше отличалась от величины l₁, подсчитанной по формуле (3.2). Желательно, если это возможно, применять пролетные строения одинаковой длины, что целесообразно из условий производства работ.

С учетом изложенного, фактическое отверстие моста можно получить из выражения:

l_0,ф=l_1,ф-2А-(n-1)b (3.4)

Оно должно отличаться от заданного отверстия в сторону увеличения не более, чем на 8%, а в сторону уменьшения – не более чем на 3%.

В случаи обсыпных устоях при уклонах конуса насыпи 1:1,5 с учетом стеснения русла промежуточными опорами расстояние между шкафными стенками устоев l₁ может быть подсчитано по формуле:

l₁=l₀+3(ПР-УВВ-h_{стр, 0}-Δ)+∑b. (3.5)

где l₀ – заданное отверстие моста; h_стр,0 – строительная высота пролетного строения на опоре (расстояние от подошвы рельса до верха подферменника); Δ – необходимое расстояние от верха подферменника до конуса насыпи, измеряемое в плоскости шкафной стенки устоя (рис.1.75,б).

По нормам проектирования величина Δ для железнодорожных мостов должна быть не менее 50 см (при составлении вариантов следует принимать Δ=50 см).

После разбивки расстояния l₁ на пролеты, расстояние между шкафными стенками устоя l_1,ф может быть подсчитано по формуле (3.3), а фактическое отверстие моста при этом будет равно:

l_0,ф=l_1,ф -3(ПР-УВВ-h_{стр, 0}-Δ)-∑b, (3.6)

Разница между l_1,ф и l₀ должна находится в пределах, указанных ранее.

Линия пересечения передней стенки устоя конусом насыпи должна быть выше уровня высокой воды не менее чем на 0,5 м. Если это условие при назначении размеров устоя не выполняется, следует повысить отметку бровки земляного полотна, т.е. увеличить высоту насыпи или принять необсыпные устои. Выбор решения определяют экономические соображения.

При разработке вариантов по-возможности следует использовать типовые проекты, как пролетных строений, так и опор. В некоторых случаях, например при применении пролетных строений индивидуальной проектировки, необходимо применить им соответствующие нетиповые конструкции опор. Рекомендации по назначению размеров тела таких опор приведены в п. 3.3.2, где даны указания по определению отметок обреза, т.е. верхней поверхности, фундаментов опор.

Поперечные размеры верха фундаментов массивных опор принимают на 0,5 м больше соответствующих размеров тела опоры. Это связано с особенностями сооружения опор. Отметка подошвы фундамента устоя при пучинистых грунтах должна быть на 0,25 м ниже расчетной глубины промерзания грунта (приложение Б). В непучинистых грунтах независимо от глубины промерзания отметка подошвы фундамента должна быть не менее, чем на 1,0 м ниже поверхности грунта [2]. В любом случае фундамент должен опираться на достаточно твердый грунт, несущая способность которого может определять размеры фундамента на его подошве.

В промежуточных опорах поперечные размеры верха массивных фундаментов определяют из тех же соображений, что и в устоях. В свайных (столбчатых) фундаментах размеры его верхней части (ростверка) могут определять условия размещения свай (столбов). Подошва массивного фундамента должны находиться не менее, чем на 2,5 м, ниже суммарного (общего и местного) размыва. Если плотный неразмываемый грунт находится на глубине менее суммарного размыва, то фундамент располагают на этом грунте. Как и в устоях, размеры фундамента может определять несущая способность грунта, который является основанием опоры. Но в промежуточных опорах размеры низа фундамента могут определяться также из условия устойчивости опоры на опрокидывание.

Рекомендации по назначению основных размеров свайных фундаментов и фундаментов на железобетонных оболочках приведены [7].

После выполнения всех перечисленных операций можно приступать к вычерчиванию схемы моста по первому варианту. На чертеже должны быть представлены фасад моста и, по крайней мере, два поперечных разреза с видами на устой и на промежуточную опору. В процессе работы над чертежом уточняются размеры опоры, включая высотные отметки, с учетом геологического разреза по оси моста выбираются типы фундаментов опор с определением их размеров и др. Как было указано ранее, на чертеже должно быть представлено такое количество размеров и высотных отметок, чтобы по ним можно было подсчитать основные объемы работ, а по укрупненным расценкам и стоимость моста по рассмотренному варианту. В процессе работы над вариантом моста следует определить принципиальную схему работ по сооружению моста в соответствии с принятыми конструктивными решениями пролетных строений и опор.

Перед тем, как перейти к разработке следующего варианта, необходимо проанализировать технико-экономические показатели составленного варианта моста, наметить возможные пути его улучшения. При разработке последующих вариантов следует принимать другую схему разбивки отверстия моста на пролеты, иные конструкции пролетных строений и опор, в том числе и нетиповые.

Выбор решения делают на основании сравнения технико-экономических характеристик вариантов по следующим показателям:

• по строительной стоимости (по капитальным вложениям) и по приведенной стоимости, т.е. с учетом возможных эксплуатационных расходов;

• по расходу основных строительных материалов;

• по условиям эксплуатации;

• по условиям производства работ;

• по условиям сохранения окружающей среды;

• по внешнему виду (по архитектуре мостового сооружения).

Первые два показателя оцениваются количественно: стоимость в рублях, расход бетона и железобетона – в кубических метрах. Остальные показатели оцениваются лишь качественно, в описательной форме. Например, большие пролеты предпочтительнее из условий пропуска ледохода; большое число деформационных швов нежелательно, так как они ухудшают условия движения транспортных средств по мосту, требуют постоянных наблюдений за ними, очистки и т.п.

С точки зрения производства работ предпочтительнее сборные конструкции, особенно при пролетных строениях небольшой длины, изготавливаемых в виде крупных блоков на специализированных заводах мостовых железобетонных конструкций и монтируемых на месте производства работ специальным крановым оборудованием; при заводском изготовлении выше и качество изготавливаемой продукции. Варианты с меньшим количеством опор предпочтительнее, так как работы по сооружению опор, особенно их фундаментов, являются наиболее трудоемкими. На условиях производства работ сказываются такие факторы, как наличие местных строительных материалов, а иногда и наличие местной рабочей силы.

Вопросам экологии в настоящее время придается большое значение, вся проектная документация должна проходить экологическую экспертизу.

Внешний вид особенно значим, прежде всего, для мостов, проектируемых в городах и в крупных населенных пунктах. Его следует также учитывать при проектировании путепроводов через магистральные автомобильные дороги и в некоторых других случаях.

В последнее время в связи с развитием вычислительной техники в практике проектирования мостов возможна разработка вариантов с использованием ЭВМ по специально разработанным программам. При этом в память машины вводят необходимые сведения о пролетных строениях и опорах (главным образом, по типовым проектам), а в качестве исходных данных – сведения о местных условиях и основные требования к сооружению, устанавливаемые заданием на проектирование. ЭВМ может выдать чертежи и основные характеристики моста по каждому варианту с подсчетом их стоимости и расходов основных строительных материалов. Но анализ составленных вариантов по разным показателям и окончательный выбор решения может сделать только специалист.

Контрольные вопросы к п. 1.3

1. Назовите основные задачи проектирования моста.

2. Из каких частей в общем случае состоит проект большого моста?

3. С какой целью проводится экспертиза проектной документации?

4. С какой целью составляют варианты моста?

5. С чего начинается разработка технической документации? Какие источники при этом используют?

6. Расшифруйте аббревиатуры УВВ и НУВВ. Какому расходу воды в реке соответствуют эти уровни?

7. Как измеряется длина моста?

8. Какая исходная величина определяет длину моста?

9. Что определяет длину путепровода и виадука?

10. Как определяют отметки подошвы рельса и бровки земляного полотна на мостах через несудоходные и судоходные реки, если проектировщику они не заданы?

11. Из каких соображений производят разбивку отверстия на пролеты в мостах через несудоходные реки?

12. Какие устои называют необсыпными, а какие обсыпными? При каких условиях обычно применяют необсыпные устои?

13. Как определяют размеры массивных фундаментов опор?

14. Как измеряют фактическое отверстие моста при необсыпных и обсыпных устоях?

15. Какие основные технико-экономические характеристики мостов по разработанным вариантам используют при их сравнении для выбора решения?