Особенности конструкций консольных мостов

В середине пролета изгибающий момент положителен, сжатая зона расположена  наверху, в работе па сжатие участвует  не только ребро балки, но и плита, на крайних опорах неразрезной или  консольной балки устройство вутов  необязательно, однако иногда по архитектурным  соображениям для симметрии вуты делают и здесь. Над промежуточными опорами нижняя грань балки должна иметь горизонтальные площадки длиной 0,6 - 1 м для расположения опорных  частей.

В поперечном сечении однопутного  железнодорожного моста обычно принимают  две главные балки при расстоянии между осями 1,8-2 м. Количество главных  балок в поперечном сечении автодорожного  моста определяют и зависимости  от его габарита из расчета, чтобы  расстояние между осями главных  балок не превышало 5-5,5 м при наличии  вспомогательных балок в середине.

Для неразрезных и консольных балок, применяемых в железобетонных мостах, используют три типа поперечных сечений: тавровое, двутавровое и  коробчатое. Первое наиболее простое, но не экономичное, так как при  этом получается излишняя толщина стенки из условия размещения нижней рабочей  арматуры. Тавровое поперечное сечение  с нижним поясом, развитым для размещения рабочей арматуры (двутавровое сечение), является более экономичным. При  больших пролетах и значительных изгибающих моментах нижний пояс целесообразно  развивать в нижнюю плиту, в результате чего получается коробчатое сечение. Его  нижняя плита служит сжатой зоной  на участках балки, где действуют  отрицательные изгибающие моменты, и позволяет удобно размещать  предварительно напряженную арматуру на участках с положительными моментами.

Замкнутое коробчатое сечение  по сравнению с незамкнутым тех  же размеров имеет жесткость при  работе на кручение в десятки раз  больше, что важно для широких  автодорожных мостов, работающих на кручение при несимметрично расположенной  временной нагрузке. Несколько большая  сложность изготовления коробчатого  сечения успешно преодолевается применением современных способов изготовления пролетных строений. Неразрезные  и консольные системы могут иметь  арматуру с предварительным напряжением  или без него. При использовании  ненапряженной арматуры применяют, как правило, стержни периодического профиля. [10]

В неразрезных и консольных балках рабочую арматуру размещают  на участках с отрицательными изгибающими  моментами у верхнего растянутого  волокна, на участках с положительными моментами - в нижней части сечения, а в пределах консоли - поверху. При  тавровом или двутавровом поперечном сечении балки арматуру сосредоточивают  в нижнем поясе ребер и в  плите над ребрами. Отогнутые  участки стержней вместе с хомутами армируют стенку ребер для работы ее на поперечную силу. В тех случаях, когда загружение временной нагрузкой  одного пролета вызывает в серединах  соседних отрицательные изгибающие моменты, необходимо армировать главные  балки как понизу, так и поверху, причем для них используют специальные  стержни. Эта арматура не может быть образована из основных рабочих стержней, так как при появлении в  них растягивающих усилий они  стремились бы выпрямится и отколоть защитный слой бетона. Места опирания неразрезных и консольных балок  на опорные части армируют в несколько  рядов сварными сетками, воспринимающими  значительные местные напряжения.

В консольных балках место  опирания подвесного пролетного строения - очень ответственная часть конструкции. Для опирания его на консоль делают выступы. Так как давление, передаваемое подвесным пролетным строением  на консоль, довольно велико, то в этих выступах от действия поперечной силы возникают большие касательные  и главные растягивающие напряжения, а также изгибающий момент, создаваемый  опорным давлением подвесной  балки. Поэтому для консольных выступов используют горизонтальную арматуру, воспринимающую изгибающий момент, а  также отогнутые стержни и  хомуты, воспринимающие поперечную силу. Армирование выступа, имеющегося в  подвесной балке, делается таким  же, но его рабочую арматуру размещают  у нижней грани.

При использовании предварительно напряженной арматуры неразрезные  пролетные строения можно сооружать  несколькими способами. За рубежом  неразрезные балки часто сооружаются  на сплошных подмостях с последующим  натяжением арматуры на бетон. Распространено также навесное бетонирование, которое  имеет большие преимущества перед  способом сборки на сплошных подмостях. [10]

Примеры мостов с  консольной конструктивной схемой:

Железнодорожный мост через Фёрт-оф-Форт или просто мост через Форт (англ. Forth Bridge) - мост через залив Фёрт-оф-Форт у восточного берега Шотландии. Возведённый с 1882 по 1890 годы, мост стал одним из первых консольных мостов в мире, а также несколько лет имел максимальную длину пролёта. Мост соединяет столицу Шотландии город Эдинбург с областью Файф. Мост и сопутствующая железнодорожная инфраструктура принадлежат компании Network Rail. [5]

В 1999 году Британское правительство  выдвинуло мост на включение в  список Всемирного наследия ЮНЕСКО. Рядом  с железнодорожным мостом залив  Фёрт-оф-Форт пересекает завершённый  в 1964 году автомобильный мост, имеющий  подвесную структуру и длину  пролёта 1 км.1

Строительство:

На протяжении большей  части XIX века организации прямого  железнодорожного сообщения по восточному берегу Шотландии между Эдинбургом и Абердином мешали два широких  фьордообразных залива Северного моря - Фёрт-оф-Форт и Фёрт-оф-Тэй. В 1806 году под Фёрт-оф-Форт было предложено построить  туннель, а в 1818 году - мост, однако оба  проекта были отклонены. В 1865 году актом  парламента было утверждено строительство  моста в узкой части залива у деревни Куинсферри. В 1873 году консорциум из 4 железнодорожных компаний поручил  проектирование моста Томасу Баучу, который предложил подвесной  мост с двумя пролётами по 480 м. Из-за задержки финансирования строительные работы откладывались, и к 1879 году началась установка только одной опоры.

Строительство моста было остановлено сразу после катастрофы на мосту через Фёрт-оф-Тэй 28 декабря 1879 года, всего через два года после его возведения. В результате сильного шторма центральная секция моста вместе с проходящим поездом  обрушилась, что привело к гибели 75 человек. Результаты комиссии, представленные в январе 1881 года, выявили недочёты в проекте рухнувшего моста, и  план Бауча был отвергнут. После  скорой смерти Томаса Бауча инженеры Джон Фоулер и Бенджамин Бэйкер представили  новый проект на основе консольной структуры, который был утверждён  парламентом в июле 1881 года. Из-за происшествия с мостом через Тэй  к мосту через Фёрт-оф-Форт были предъявлены сильно завышенные требования - не должно было быть никаких вибраций даже при проходящем по мосту поезде. [5]

Отказавшись от чугуна и кованного  железа, инженеры выбрали сталь, благо  с разработкой мартеновской печи в 1865 году её качество значительно повысилось. Позаимствовав опыт американского  инженера Джеймса Идса, построившего первый крупный стальной мост через  Миссисипи в 1874 году, британцы начали строительство в декабре 1882 и  к концу 1885 года завершили установку  гранитных быков, восемь из которых  стоят в воде. Подготовка фундамента подводных опор производилась рабочими с помощью кессонов - массивных  металлических цилиндров, погруженных  на глубину 27 м. В 1886 году начались работы по возведению опор, на которые ушло неслыханное количество стали - 54 860 тонн, произведённых на двух сталелитейных  производствах Шотландии и одном  в Уэльсе.6,5 млн заклёпок общим  весом 4 267 тонн были сделаны в Глазго. Центральный пролёт был закрыт 14 ноября 1889 года. Церемония открытия моста 4 марта 1890 года проводилась принцем  Уэльским (Эдуард VII) в присутствии  Бенджамина Бэйкера и Гюстава  Эйфеля. Общая стоимость проекта  составила 3,2 млн фунтов стерлингов. Открытие моста сопровождалось дискуссиями  о его эстетической составляющей - поэт и художник Уильям Моррис назвал мост "верхом уродства" (англ. the supremest specimen of all ugliness).

*При строительстве моста погибло 57 человек, причём ещё восьмерых спасли с лодок, дежуривших под мостом (хотя относительно точного числа жертв существуют сомнения).

21 января 1890 года два поезда  длиной по 300 м въехали одновременно  на мост с южной стороны.  Два локомотива весом по 72 тонны  тянули по 50 вагонов, общий вес  каждого поезда составлял 900 тонн. Испытания показали, что структурные  смещения были в заданных пределах.

За 1894 год по мосту проехал 26 451 пассажир, общая нагрузка составила 7 492 833 тонн. В 2000 году эти показатели составили 54 080 человек и 10 500 000 тонн. Мост сохраняет отличную несущую  способность. [5]

Устройство:

Мост имеет три основные опоры высотой 100,6 м, центральная  из которых располагается у острова  Инчгарви, посередине глубокого залива. Собранные из труб диаметром 3,6 м  консоли поддерживают рукава длиной по 207,3 метра, соединённые перемычками  длиной 106,7 м, что делает суммарное  расстояние пролёта равным 521,3 м.

Расстояние между опорами  составляет 582,8 м, между крайними быками - 1630,7 м. Железнодорожное полотно  проходит на высоте 48,2 м над уровнем  воды в прилив.

С юга к консольной части  моста подходит виадук из 10 пролётов по 51,2 м, с севера - из 5 пролётов.

Из воды поднимались высокие  и стройные, как башни, каменные быки. На них лежали тысячетонные стальные фермы. Вишнево окрашенные конструкции  застыли железными волнами. Сплетения  бесчисленных балок, раскосов, укосин протянулись над водой на три  километра. Я вспоминал пухлые учебники сопромата, тоску однообразных эпюр, таблицы, остервенелые пересчёты в  поисках ошибок.

Когда-то это был знаменитейший  мост, кажется, первый мост консольно-балочной системы; он приводился в пример во всех атласах, схема его висела в  нашей лаборатории: "Фортский мост в Шотландии. Триумф техники XIX века". До сих пор он производил впечатление  своей мощью.

Легкий, светлый новый  мост висел на тонких трубах, которые  казались нитями, он был паутинно натянут  над блеском воды, вместо мощности в нем была невесомость; он поражал  не сложностью, а простотой. Инженерная мысль, расчеты, формулы - все было спрятано, сведено в минимум линий, и  те казались лишь рисунком.

Ничего не могло быть проще, изящней, чем новый мост. Плавный  выгиб его выглядел законченным  совершенством.

Квебекский мост.

Квебе?кский мост (фр. Pont de Québec) - металлический консольный мост через реку Святого Лаврентия, соединяющий города Квебек и Леви. Мост планировали построить ещё в середине XIX века, однако полностью он был открыт 3 декабря 1919 года. 30 августа 1907 года произошло обрушение ещё не достроенного моста, повлекшее гибель 75 человек. [5] В 1916 году произошла повторная авария, при монтаже центрального подвесного пролёта (вероятной причиной послужило использование цилиндрических шарниров, а не плоских, что привело к соскальзыванию, из-за которого центральный пролёт длиной 187 м и весом 5200 т упал в реку.)

История обрушения  моста в 1907г., влияние катастрофы на историю мостостроения:

Мост, который должен был  быть построен через реку Святого  Лаврентия близ Квебека в Канаде, представлял собой весьма внушительное сооружение. По мосту общей длиной около километра должны были быть проложены два железнодорожных  пути, два трамвайных, две шоссейные  дороги и дза тротуара. Средний  пролет должен был быть длиной 544 метра. Высота фермы на быке - 96 метров. Общий вес моста, запроектированного как консольный, составлял около 40 тысяч тонн.

Правда, вначале средний  пролет моста, самую нагруженную  его часть, рассчитывали сделать  длиной 488 метров, но тогда нужно  было бы ставить еще одну опору" что при глубине реки 60 метров стоило бы очень дорого. Поэтому  и решили длину среднего пролета  увеличить на 56 метров.

Мост начали строить 22 июля 1905 года. Через два года была полностью  готова южная часть моста и  три панели подвесной фермы. Сборка моста производилась двумя кранами  на весу. Оба крана - один весом 1100 тонн, другой - 250 тонн стояли на консоли. Образно  говоря, мост представлял сейчас собой  букву "Г" с короткой ножкой-быком  и непомерно длинной полочкой, на конце которой стояли два крана, непрерывно удлиняющие консоль-полочку  до тех пор, пока свободный конец  полочки не коснулся бы другого берега.

Наступил август 1907 года. Строительный сезон подходил к концу, и подрядчики торопили рабочих: нужно  было полностью использовать последние  летние дни. Строительство, однако, задерживалось. В августе было замечено, что в  некоторых ребрах панелей консольной фермы имеются выгибы. Об этом было сообщено техническому консультанту железнодорожной  компании, которая вела строительство. Началась переписка по этому поводу между консультантом и подрядной  фирмой, которая уверяла, что этот дефект произошел из-за неправильной сборки и ничего страшного не происходит. [8]

августа утром заметили, что  выгибы фермы продолжали развиваться. Был вызван главный инженер квебекской фирмы. Он нашел положение серьезным, но не угрожающим. Никаких мер опять  принято не было. Решили только известить  консультанта и генерального подрядчика, причем чтобы скрыть тревожное положение  от рабочих, сделали это не по телефону или телеграфу, а послали специального нарочного в Нью-Йорк.

Следующий день. С тревогой ждали утра участники строительства. Ничего нового не обнаружилось, работу на мосту решили продолжать - нужно  было заменить временные болты на постоянные заклепки в некоторых  местах фермы. Вдруг рабочие-клепальщики  заметили еще один прогиб, на который  сразу же обратили внимание инженеров. Однако и сейчас работы прекращены не были. На продолжении работ настаивал  главный инженер - он боялся, что, если работы остановить, рабочие разойдутся и строительный сезон будет сорван.

Утром 29 августа пришла телеграмма от консультанта фирмы. Он предложил  не допускать дальнейшего увеличения нагрузки на фермы, но положение катастрофическим не считал. Он даже прислал эскизный проект исправлений, причем считал, что  для всех исправлений потребуется 3 часа работы и 100 долларов. Здесь проявилось полное непонимание ситуации - ведь нагрузка на нижний пояс уже превзошла  критическую и остановить разрушение было невозможно.