Мосты с пластинчатыми балками – детали и требования к конструкции

Пластинчатые балки стали популярны в конце 1800-х годов, когда их стали использовать при строительстве железнодорожных мостов. Пластины соединялись с помощью уголков и заклепок, чтобы получить пластинчатые балки нужного размера.
К 1950-м годам сварные пластинчатые балки заменили клепаные и болтовые пластинчатые балки в развитых странах благодаря их лучшему качеству, эстетике и экономичности. На рис. 1 показаны поперечные сечения двух распространенных типов мостов с пластинчатыми балками.
Использование пластинчатых балок, а не прокатных балочных профилей для двух главных балок дает проектировщику свободу выбора наиболее экономичной балки для конструкции.
Если на подходах к мосту требуется большая насыпь для соблюдения минимально необходимого расстояния между опорами, целесообразнее использовать полупроходной мост. Такая схема обычно используется в железнодорожных мостах, где максимально допустимый уклон на подходах к пути невелик.
В этом случае ограничение от бокового смятия фланца сжатия достигается за счет П-образной рамы с сопротивлением моменту, состоящей из балки перекрытия и вертикальной жесткости, которые соединены между собой шарниром с сопротивлением моменту.
Если строительная глубина не критична, то лучшим решением является мост настильного типа, как показано на рис.1, в этом случае раскосы обеспечивают сдерживание фланца сжатия от бокового смятия.
Мосты с пластинчатыми балками

  • Боковое крутильное смятие
    • Боковая арматура для пластинчатых балок
    • Мосты с пластинчатыми балками
  • Главные пластинчатые балки

    Критерий расчета главных балок, используемых в зданиях, обсуждался в главе “Пластинчатые балки”. В следующих разделах обсуждаются некоторые дополнительные аспекты, которые необходимо учитывать при проектировании пластинчатых балок в мостах.
    Как правило, главные балки требуют усиления жесткости полотна (либо поперечного, либо как поперечного, так и продольного) для повышения эффективности. Функции этих ребер жесткости описаны в главах, посвященных пластинчатым балкам.
    Иногда изменение изгибающих моментов в главных балках может потребовать изменения толщины фланцев для получения экономичной конструкции. Это может быть достигнуто либо путем приварки дополнительных защитных пластин, либо путем использования более толстых фланцевых пластин в области большего момента.
    В очень длинных непрерывных пролетах (пролет > 50 м) пластинчатые балки переменной глубины могут быть более экономичными. Первоначальное проектирование главной пластинчатой балки обычно основывается на опыте или правилах, подобных приведенным ниже. Такие правила также дают хорошую оценку собственной нагрузки проектируемой мостовой конструкции.
    Для автомобильных и железнодорожных мостов ориентировочные диапазоны значений различных габаритных размеров главных балок приведены ниже:
    Общая глубина, D: l/18 изображение D изображение l/12 (автодорожные мосты)
    l/10 изображение D изображение l/7 (железнодорожные мосты)
    Ширина фланца, 2b: D/4 изображение 2b изображение D/3
    Толщина фланца, T: b/12 изображение T изображение b/5
    Толщина полотна, t: t изображение D/125
    Здесь l – длина между точками нулевого момента. Затем может быть проведен процесс детального проектирования для максимизации эффективности балки, удовлетворяющей критериям прочности, устойчивости, жесткости, усталости или динамики, в зависимости от ситуации.
    Последние разработки в области методов оптимального проектирования позволяют напрямую проектировать балочные мосты с учетом минимизации веса/стоимости.
    Распространенные типы мостов с пластинчатыми балками

    Рис.1 Распространенные типы мостов с пластинчатыми балками

    Детальное проектирование главных пластинчатых балок в мостах

    Воздействие нагрузки (например, изгибающий момент и поперечная сила) должно быть определено с использованием отдельных и нефакторизованных случаев нагрузки. На их основе получают суммарные эффекты нагрузки от различных комбинаций нагрузок для различных коэффициентов нагрузки. Поскольку мосты подвергаются циклическим нагрузкам и, следовательно, уязвимы к усталости, перераспределение сил из-за образования пластического механизма не допускается согласно BS 5400: Часть – 3. Проектирование производится на основе предельного состояния разрушения для используемого материала с учетом следующего:

    • Ограничение формы на основе местного смятия
    • Боковое крутильное смятие
    • смятие полотна
    • Взаимодействие изгиба и сдвига
    • Эффект усталости

    Ограничение формы на основе местного смятия

    В зависимости от типа поперечного сечения (компактное или некомпактное) изменение напряжений по глубине при разрушении различно. Компактное сечение может развивать полный пластический момент, т.е. прямоугольный блок напряжений, как показано на рисунке.
    До развития этого полного пластического момента местное смятие отдельных составляющих пластин не должно происходить. Таким образом, компактная секция должна иметь минимальную толщину элементов в зоне сжатия, чтобы они не прогибались локально до того, как вся зона сжатия выйдет из строя при сжатии.
    Минимальная толщина элементов для типичной компактной секции показана на рис., где fy – в единицах СИ (МПа).
    Расчетные напряжения для пластинчатой балки

    Расчетные напряжения

    Ограничения по форме для пластинчатой балки

    Ограничения по форме для пластинчатой балки

    Секция, которая не удовлетворяет критерию минимальной толщины компактной секции, определяется как некомпактная секция. Некомпактное сечение может локально смяться до достижения полной пластической прочности сечения.
    Поэтому конструкция такого сечения основывается на треугольном блоке напряжений, где выход крайних волокон, как показано на рисунке, ограничивает расчетный момент. Моментная способность компактных и некомпактных сечений может быть оценена по следующим формулам:
    изображение
    Даже в компактном сечении использование модуля пластичности не означает, что применим пластический анализ с учетом перераспределения моментов. Стандарт BS 5400:Part – 3 исключает пластический анализ и не позволяет учитывать перераспределение моментов. Это делается для того, чтобы избежать повторной пластификации при циклическом нагружении и последующего усталостного разрушения при малом цикле. При использовании некомпактных секций перераспределение не происходит, и, следовательно, пластический анализ неприменим.

    Боковое крутильное смятие

    Типичная мостовая балка с частью пролета, на которой фланец сжатия не имеет боковых ограничений, показана на рис. Такая балка подвержена боковому крутильному изгибу. На рис. показан вид части пролетного строения с боковым изгибом.
    Перемещения в середине пролета, где балка ограничена сбоку, будут только вертикальными, как показано на рис. Часть балки между ограничителями может перемещаться вниз и вбок и вращаться вокруг центра сдвига. В этом случае разрушение может быть обусловлено боковым крутильным смятием.
    Этот тип разрушения зависит от длины фланца сжатия без ограничений, геометрии поперечного сечения, градиента момента и т.д. Подробно процедура расчета величины предельного сжимающего напряжения приведена в главах, посвященных балкам с боковой деформацией.

    Боковое подкрепление для пластинчатых балок

    Режимы неустойчивости пластинчатых балок

    Рис. Режимы неустойчивости пластинчатых балок

    Пластинчатые балки имеют очень низкую жесткость на кручение и очень высокое отношение момента инерции главной оси к моменту инерции малой оси. Поэтому, когда они изгибаются вокруг главной оси, они очень подвержены боковой крутильной неустойчивости, как показано на рисунке.
    При строительстве необходимо обеспечить достаточную устойчивость к такой неустойчивости. В готовой конструкции фланец сжатия обычно стабилизируется настилом. Технология Мадрас
    Если нерастянутый фланец находится в сжатом состоянии, то возможным способом разрушения является деформационное смятие, рис, и в таких случаях необходимо обеспечить надлежащее крепление. Таким образом, боковые подкосы представляют собой систему поперечных рам и подкосов, расположенных в горизонтальной плоскости на фланце сжатия балки для повышения боковой устойчивости.
    Нагрузки, действующие поперечно на пластинчатые балки, также вызывают боковой изгиб, и основной вклад вносят ветровые нагрузки. Поскольку пластинчатые балки могут быть очень глубокими, увеличение глубины балки создает большую площадь поверхности, на которую может действовать ветровая нагрузка. Это, в дополнение к боковому изгибу, способствует нестабильности фланца сжатия балки.
    Следовательно, при проектировании боковых креплений необходимо учитывать и этот эффект. Триангулированное крепление, как показано на рис. предусмотрена для настильных типов мостов с пластинчатыми балками для повышения боковой устойчивости фланца сжатия. Но это не может быть принято для полупроходных или сквозных балочных мостов, так как это мешает функциям моста.
    В этих случаях настил проектируется как горизонтальная балка, обеспечивающая ограничение от смещения на его уровне, а фланец, удаленный от настила, стабилизируется с помощью U-образной рамы, как показано на рисунке.
    Степень бокового сдерживания фланца сжатия U-образной рамой зависит от поперечного элемента, двух полотнищ главной балки (включая все соответствующие вертикальные ребра жесткости) и их соединений.
    В этом случае эффективная длина фланца сжатия обычно рассчитывается аналогично теории балок на упругих основаниях, при этом упругими опорами являются П-образные рамы.

    Мосты с пластинчатыми балками

    Мосты с пластинчатыми балками
    Мосты с пластинчатыми балками

    Читайте далее:
    Понравилась статья? Поделиться с друзьями: