2.4 Опоры и опорные части
2.4.1. Краткие сведения о конструкциях опор.
Основное назначение опор – передача нагрузок с пролетных строений на грунтовое основание.
Опоры подразделяют на промежуточные и концевые (устои). Кроме восприятия нагрузок с пролетных строений, устои испытывают давление грунта насыпи от его собственного веса и от действия нагрузок, расположенных на насыпи. Устои обеспечивают сопряжения моста с насыпями, поэтому их конструкции существенно отличаются от конструкций промежуточных опор.
Опоры, как правило, состоят из трех основных частей: тела, оголовка и фундамента (рис. 2.49). Устой может иметь также элементы, обеспечивающие сопряжения моста с конусом насыпи. Оголовок опоры, в общем случае, включает в себя армированную подферменную плиту, служащую для обеспечения равномерной передачи давления от пролетных строений на тело опоры; расположенные на подферменной плите подферменники, на которые устанавливают опорные части; сливы, обеспечивающие сток воды с поверхности опоры.
Рис. 2.49. Промежуточная опора:
а – общий вид (I – тело опоры, II – фундамент, III - оголовок); б – оголовок
(1 – подферменная плита, 2 – подферменник, 3 - слив)
Раньше оголовок сооружали в такой последовательности: сначала бетонировали подферменную плиту, потом подферменники и после того, как бетон подферменной плиты и подферменников наберет достаточную прочность, на поверхности подферменной плиты укладывали бетон сливов, который не всегда получал хорошее сцепление с бетоном подферменной плиты. Поэтому в процессе эксплуатации моста под влиянием атмосферно-климатических воздействий такие сливы разрушались. Современные нормы проектирования требуют, чтобы все элементы оголовка бетонировались одновременно.
Фундаменты опор могут быть массивными, в виде свайных ростверков, иногда для них применяют опускные колодцы. Выбор типа фундамента зависит от вида грунтов основания, величины и характера действующих на опору нагрузок. Многие старые эксплуатируемые мосты имеют опоры на кессонных фундаментах, которые в настоящее время не применяют. Подробно конструкции фундаментов опор и их расчеты в учебном пособии не рассматриваются, так как эти вопросы изучаются в специальных курсах [7].
Находят применение безростверковые опоры, у которых тело опоры и фундамент составляют единое целое. Такие опоры могут состоять из нескольких рядов вертикальных или наклонно погруженных свай (их называют свайными), стоек (стоечные опоры), столбов или оболочек (столбчатые опоры), объединенных сверху железобетонной плитой. Разделение опор на стоечные и столбчатые в известной степени условно: стойками обычно принято считать элементы с размерами поперечного сечения до 0,8…1,0 м, а столбами – более 0,8…1,0 м. Как правило, стойки и столбы имеют постоянное сечение круглой, прямоугольной или многоугольной формы.
По виду материала опоры в современных мостах чаще всего делают бетонными, бутобетонными и железобетонными. Железобетонные опоры целесообразно применять в путепроводах и эстакадах, так как они не испытывают воздействие водного потока и ледохода, и в то же время незначительно сужают подмостовые пространства, обеспечивают хорошую видимость под сооружениями для водителей транспортных средств. Каменные опоры характерны для мостов старых проектировок. В новых мостах такие опоры не применяют из-за большой трудоемкости и сложности работ по их постройке.
Свайные опоры находят применение при пересечениях железной дорогой суходолов и небольших рек с толщиной льда до 0,3 м. На рис. 2.50, а показана конструкция опоры, состоящая из расположенных в один ряд четырех свай сечением 40х40 см, объединенных монолитной насадкой, а на рис. 2.51 общий вид моста с такими опорами. Если грунты не допускают забивку свай, свайные опоры заменяют стоечными с сечениями стоек также 40х40 см (рис. 2.50, б). Опоры по рис 2.50 широко применялись в мостах эстакадного типа высотой до 6.0 м с опиранием на них пролетных строений длиной до 5.0 м. Устои в них имеют такую же конструкцию, как и промежуточные опоры. При значительных продольных горизонтальных усилиях, передаваемых на опоры, и относительно большой их высоте предусматривается шарнирно-неподвижное опирание обоих концов пролетных строений, что обеспечивает распределение продольных усилий между всеми опорами.
Рис. 2.50. Опоры эстакадных мостов:
а – свайных; б – стоечных
Рис. 2.51. Общий вид моста со свайными опорами
Находили применение и двухрядные свайные опоры. В этом случае длина опирающихся на них пролетных строений могла быть увеличена до 16.5 м.
Столбчатые опоры в современных железнодорожных мостах применяют при высоте насыпи 2…5 м. Промежуточные опоры, в зависимости от величины пролета и высоты насыпи, состоят из двух (рис. 2.52,а) или четырех (рис. 2.52,б) столбов диаметром 80 см, объединенных мощной насадкой. Вместо столбов могут быть применены железобетонные оболочки, в пределах колебаний воды заполненные бетоном, а в остальной части – гидрофобным песком.
Рис. 2.52. Столбчатые промежуточные опоры: а – однорядная; б – двухрядная
Применение свайных и столбчатых опор при толщине льда более 0.3 м возможно, если будут приняты специальные конструктивные меры для защиты свай (стоек) от воздействия на них ледохода.
Применяемые раньше промежуточные опоры из монолитного бетона (бутобетона), имели увеличивающиеся к низу размеры путем придания наклонов боковым граням, что соответствует распределению внутренних усилий в их сечениях. (рис. 2.53,а). При пересечении водотоков они имели обтекаемую форму сечений и для защиты от воздействия ледохода облицовывались камнем твердых пород. Такие опоры долговечны. Но сооружение их очень трудоемко из-за необходимости изготовления и укладки большого количества камней облицовки сложной формы с разными размерами - эти работы выполнялись вручную. Поэтому стали применять сборно-монолитные опоры, выполняемые из сборных железобетонных контурных блоков с заполнением ядра монолитным бетоном. С целью уменьшения числа типоразмеров блоков облицовки, боковые грани опор стали делать вертикальными. При большой высоте опор их разделяли на отдельные части с постоянными размерами сечений (рис. 2.53, б).
Рис. 2.53. Изменение поперечных размеров промежуточной опоры:
а – монолитной; б – сборно-монолитной
С учетом эксплуатации мостов конструкции контурных блоков совершенствовались. Вначале они имели замкнутый контур (рис. 2.54,а). В таких блоках возникали многочисленные трещины в связи с разницей температурно-усадочных деформаций в наружных и внутренних слоях кладки, т.е. в контурных сборных блоках и в монолитном бетоне заполнения. Это потребовало изменения конструкций блоков: им стали придавать двутавровую (рис. 2.54,б,в) или тавровую (рис. 2.54,г) форму. Укладываются они с перевязкой вертикальных швов.
Рис. 2.54. Поперечные сечения сборно-монолитных опор с контурными блоками:
а - замкнутого типа; б, в – двутавровой формы; г – тавровой формы
Основной недостаток опор с применением небольших контурных блоков – трудоемкость работ по их сооружению. Поэтому в последнее время стали применять сборно–монолитные опоры с мощными контурными блоками высотой 1,5…2,5 м, укладываемыми без перевязки вертикальных швов (рис. 2.55). Имеется типовой проект таких опор (серия 3.501.1-150.0).
Рис. 2.55. Схема промежуточной опоры с контурными блоками по типовому проекту серии 3.501.1-150.0
При относительно больших расстояниях от уровня высоких вод до низа пролетных строений придавать обтекаемую форму сечениям по всей высоте опоры нет необходимости. Поэтому с целью экономии кладки верхние части опор, выше уровня высоких вод, делают необтекаемой формы. Эти части опор могут быть выполнены в виде бетонных или железобетонных столбов прямоугольного или круглого сечения (рис. 2.56). Иногда их также выполняют с использованием контурных блоков прямоугольной формы, которые в этом случае выполняют функции опалубки. С этой же целью контурные блоки находили применение и в опорах виадуков (рис. 2.57). Для выравнивания давления на нижнюю часть опоры между ее верхней и нижней частями устраивают железобетонный прокладной ряд.
Рис. 2.56. Речные опоры с уменьшенными размерами верхней части:
а – прямоугольного сечения; б – в виде отдельных столбов
Рис. 2.57. Общий вид виадука со сборно-монолитными опорами
В опорах на реках с очень мощным ледоходом, при значительной толщине льда и высокой его прочности, применяют ледорезы c наклоном режущей грани от 1:1,5 до 1:2. (рис. 2.58, а). Но опыт эксплуатации мостов показал, что в большинстве случаев можно обойтись без ледорезов. Иногда поверхности опоры с верховой стороны придают небольшой наклон, приблизительно 10:1, называемый водорезом (рис. 2.58, б).
Рис. 2.58. Речная опора:
а – с ледорезом; б – с водорезом
При небольшой высоте насыпи (обычно до 6…8м) устои делают массивными необсыпными, у них конус насыпи не выходит за переднюю грань опоры. Такие устои имеют прямоугольное или тавровое сечение, находят применение и устои с обратными стенками. При применении обратных стенок поверхность устоя между ними должна иметь уклон не менее 1:10 для вывода воды в устраиваемый за устоем дренаж (рис. 2.59). Задняя грань устоя может быть как вертикальной, так и наклонной. Наклон задней грани придают с целью, чтобы равнодействующая всех действующих на опору постоянных сил проходила в ядре сечения опоры по обрезу фундамента. Это даёт экономию кладки тела опоры и её фундамента.
Рис. 2.59. Массивные необсыпные устои:
а – прямоугольного сечения; б – таврового сечения; в – с обратными стенками
При высоте насыпи более 6…8 м применяют массивные обсыпные устои с железобетонными крыльями. У этих устоев конус насыпи выходит за их переднюю грань (рис. 2.60). Обсыпные устои, по сравнению с необсыпными такой же высоты, требуют меньшего объема бетона, но их применение обычно увеличивает длину моста.
Рис. 2.60. Обсыпной устой:
1 – тело устоя; 2 – подферменник и слив; 3 - подферменная плита; 4 – железобетонные крылья; 5 – тротуарные консоли
Массивные устои могут применяться при опирании на них пролетных строений практически любой длины. Но они требуют большого объема бетона. Поэтому были разработаны конструкции столбчатых, свайных и стоечных обсыпных устоев.
На рис. 2.61 приведены схемы столбчатых устоев в зависимости от величины опирающихся на них пролетных строений. Возможно применение устоев, тело которых состоит из одной железобетонной оболочки большого диаметра (рис. 2.62).
Рис. 2.61. Столбчатые обсыпные устои под типовые пролетные строения длиной:
а – 6,0 м; б – 9,3…16,5 м; в – 23,6 м
Рис. 2.62. Столбчатый устой с телом в виде железобетонной оболочки диаметром 3,0 м
Особенно целесообразно применение столбчатых устоев в районах с вечной мерзлотой, где принята следующая технология их сооружения. В заранее пробуренные скважины диаметром 1,0 м вставляют столбы сплошного сечения диаметром 0,8 м, после чего зазор между столбом и стенкой скважины заполняют цементно-песчаным раствором (рис. 2.63). При такой технологии грунт в мерзлом состоянии сохраняется в течении всего периода эксплуатации мостов. Сохранению мерзлого состояния грунта способствуют более пологие уклоны конуса насыпи от 1:1,5 до 1:4, а в отдельных случаях до 1:5. Применяют также обсыпку конусов каменной наброской толщиной 60…80 см. Оголовки устоев выполняют с использованием сборных элементов.
Рис. 2.63. Устой для многолетнемерзлых грунтов:
1 - столбы; 2 – подферменная плита; 3 – железобетонные крылья; 4 – подферменник и слив; 5 – цементно-песчаный раствор; 6 – линия глубины промерзания многолетнемерзлых грунтов
На рис. 2.64, а показана конструкция свайного, а на рис. 2.64, б стоечного устоя по одному из типовых проектов. Такие устои рассчитаны для опирания на них пролетных строений длиной 13,5 и 16,5 м при высоте насыпи от 6.0 до 12.0 м. В этих проектах предусмотрены сваи и стойки диаметром 0,6 м или сечением 35х35 см, объединенные вверху сборно-монолитным шкафным блоком. Наряду с вертикальными в устоях предусмотрены и наклонные сваи (стойки). Концевые опоры с наклонными сваями или стойками называют устоя козлового типа.
При большой высоте насыпи с целью сокращения объема бетона находят применение устои, тело которых состоит из железобетонных стенок, соединенных сверху оголовком (рис. 2.65). Ещё более экономичными по расходу материала являются устои с применением железобетонных оболочек, которые могут заполняться бетоном или оставаться полыми. Размеры оболочек зависят от величин, возникающих в них усилий. Такие устои с обоснованными расчетами размерами могут применяться под пролетные строения длиной до 30 м при высоте до 15 м.
Более полные сведения об опорах железнодорожных мостов приведены в учебном пособии [2].
Рис. 2.64. Обсыпные устои: а – свайный; б – стоечный
Рис. 2.65. Обсыпные устои с телом:
а – в виде железобетонных стенок; б – из круглых стоек (оболочек)
2.4.2. Опорные части.
Назначение опорных частей – создавать фиксированную передачу давления от пролетного строения на опору и обеспечивать работу пролетного строения в соответствии с его расчетной схемой. В балочных пролетных строениях опорные части должны обеспечивать поворот опорных сечений и свободное перемещение одного из его концов, возникающие от действия подвижных нагрузок и при изменениях температуры. В пролетных строениях разрезной балочной системы на одном конце пролетного строения должны находиться неподвижные опорные части, на другом – подвижные. В неразрезных пролетных строениях на одной из опор устанавливают неподвижные опорные части, на всех остальных – подвижные.
Конструкция опорных частей зависит от передаваемого на них давления, от величин возможных углов поворота опорных сечений пролетного строения и продольных перемещений его свободного конца. Поэтому с увеличением длины пролетных строений, конструкция применяемых для них опорных частей усложняется.
В железнодорожных мостах пролетные строения длиной 2,95 м, у которых перемещения и поворот опорных сечений незначительны, вместо опорных частей применяют упругие прокладки из асбестового картона.
Имеются типовые проекты опорных частей, конструкция их связана с длиной пролетных строений.
Наиболее простыми являются плоские опорные части. Их применяют для типовых пролетных строений длиной от 4,0 до 7,3 м. Пример такой опорной части приведен на рис. 2.66,а. Опорная часть состоит из металлических листов толщиной не менее 20 мм. В нижний стальной лист впрессовывают штырь диаметром 50 мм, а в верхнем листе просверливают круглое отверстие в неподвижной опорной части и овальное - в подвижной. Повороту опорного сечения способствует также асбестовая прокладка, которую помещают между верхним листом и нижней поверхностью балки, а с целью уменьшения трения между листами их соприкасающиеся поверхности обрабатывают на строгальных станках и покрывают графитной смазкой. Верхние листы прикрепляются к бетону балки пролетного строения анкерами, устанавливаемыми при ее изготовлении, а нижние – анкерами, заделываемыми в бетон опоры. Но все эти меры полностью не обеспечивают свободное перемещение конца пролетного строения и повороты его опорных сечений, поэтому с увеличением пролетов переходят к более совершенным опорным частям.
Пролетные строения длиной от 9,3 м и до 18,7 м устанавливают на тангенциальные опорные части (рис. 2.66,б). Такая опорная часть состоит из двух частей, выполненных в виде стальных плит. Низ верхней плиты имеет плоскую поверхность, а верх нижней плиты – цилиндрическую, за счет чего обеспечивается поворот опорного сечения. Во избежание смещения верхней плиты в нижнюю плиту заделывают штырь диаметром 30 мм, который входит в углубление верхней плиты. У нижней плиты это углубление круглое, диаметр его немного больше диаметра штыря, Для подвижной опорной части углубление делают овальным, что обеспечивает небольшое перемещение верхней плиты вдоль оси пролетного строения. А чтобы обеспечить свободный поворот верхней плиты, верх штыря обтачивают на конус по плавной кривой.
При пролетах свыше 18 м требуются более совершенные опорные части. В этих случаях применяют катковые или секторные опорные части, которые обеспечивают возможность больших продольных перемещений, по сравнению с опорными частями плоского и тангенциального типов.
Однокатковая опорная часть состоит их катка и верхней, и нижней плит (рис. 2.66, в). Во избежание угона катка, к нему с обоих концов приваривают планки, входящие в пазы плит. Поперечному смещению катка препятствуют прикрепленные к плитам шпонки, которые входят в кольцевую выкружку в середине катка. С увеличением величины пролета увеличивается и опорное давление. Поэтому при больших пролетах может потребоваться применение подвижных опорных частей с двумя, а иногда и с четырьмя катками. При больших диаметрах катков, который определяется расчетом, с целью уменьшения размеров опорных частей принимают срезанные катки (рис.2.66,д)
Секторная опорная часть отличается от однокатковой тем, что в ней каток, в целях экономии металла, заменен стальной отливкой в виде сектора (рис. 2.66,г).
Поперечный размер опорных частей каткового и секторного типа определяет ширина ребра пролетного строения.
В комплекте с однокатковыми и секторными опорными частями, в качестве неподвижных могут применяться тангенциальные опорные части. Разница в высоте компенсируется при этом разной высотой подферменников. Но находят применение и неподвижные опорные части, работающие как тангенциальные, высота которых принята равной высоте подвижных опорных частей. На рис.2.66,г показана неподвижная опорная часть, поставляемая в комплекте с секторной опорной частью. Такая опорная часть состоит из верхней плиты (балансира) и нижнего балансира в виде ребристой стальной отливки. Между балансирами помещается цилиндрический шарнир, обеспечивающий поворот опорного сечения балки. Вместо шарнира нижней балансир может иметь головку с цилиндрической поверхностью, как это принято например, в опорной части на рис.2.66,д.
Для защиты от пыли и воды опорные части прикрывают специальными кожухами в виде металлических листов, шарнирно прикрепляемых к верхним плитам.
Между верхом опорных частей и балкой пролетного строения с целью выравнивания давления, могут помещаться асбестовые прокладки.
В соответствии с расчетной схемой пролетного строения давление с него должно передаваться равномерно на все опорные части. При изготовлении пролетного строения непосредственно на объекте опорные части устанавливают в проектное положение до его бетонирования. В этом случае равномерная передача давления на опорные части всегда обеспечивается. При заводском изготовлении пролетных строений обычно поступают следующим образом: опорные части прикрепляют к пролетному строению при его изготовлении, при этом балансиры временно соединяют между собой приваренными к ним металлическими прутками. Пролетные строения вместе с опорными частями ставят на металлические листы на подферменниках. Эти листы установлены заранее под строгим геодезическом контролем как их высотных отметок, так и положения в плане. Перед установкой пролетного строения под лист укладывают небольшой слой цементного раствора (зимой слой сухого цемента), который выравнивает давление на опорные части. После установки пролетных строений, нижние балансиры опорных частей соединяют сваркой с металлическими листами, а временные стержни, соединяющие балансиры, удаляют. Нижний лист, на который опирается опорная часть, приваривают к заранее установленным в подферменнике анкерным стержнем, проходящим через отверстия в опорном листе.
Рис. 2.66. Опорные части:
а – плоская; б – неподвижная и подвижная тангенциальная; в – однокатковая; г - неподвижная и подвижная секторная; д – четырехкатковая
Под каждый конец ребристой балки устраивают одну опорную часть, а под концы плитных пролетных строений – две опорные части. Во избежание сколов бетона у концов сборных пролетных строений при транспортировке и монтаже их концы могут укрепляться заанкереными в бетон балок металлическими листами. К этим листам сваркой прикрепляется верхние элементы опорных частей (рис.2.67).
Рис. 2.67. Установка опорных частей под блоки плитных пролетных строений:
а – плоских; б - тангенциальных
Контрольные вопросы к п. 2.4
Почему конструкции устоев существенно отличаются от конструкций промежуточных опор?
Назовите основные типы фундаментов мостовых опор. От чего зависит выбор типа фундамента?
Какие опоры называют безростверковыми?
В каких мостовых сооружениях целесообразно применять железобетонные опоры?
В чем заключаются особенности конструкций столбчатых опор, предназначенных для применения в районах вечной мерзлоты, и способы их сооружения?
Почему в последние годы широкое применение находят сборно-монолитные опоры?
Как зависят конструкции устоев от высоты насыпи?
В чем состоит основное назначение опорных частей? Какие факторы определяют их конструкцию?
Какое количество подвижных и неподвижных опорных частей устанавливают под пролетными строениями неразрезной балочной системы?
Назовите составные части плоской, тангенциальной, однокатковой и секторной опорных частей.
Какими способами обеспечивается равномерная передача давления на опорные части пролетных строений разрезной балочной системы?
Как устанавливают опорные части в плитных и ребристых пролетных строения?