Арочные мосты. Классификация арочных мостов

Лекция № 11.

Арочные мосты.

В арочных мостах несущая конструкция пролетного строения выполняется по круговой, либо по параболической кривой.

Особенностью арок является наличие распора, т.е. горизонтального усилия в опорах от вертикальных нагрузок. Распор вызывает отрицательные изгибающие моменты в пролетном строении и таким образом уменьшает значения положительных (балочных) изгибающих моментов. Поэтому расчетные сечения в арках значительно легче, чем в балках аналогичного пролета, соответственно перекрывающая способность арок выше.

Кроме того, арочные пролетные строения обычно легче балочных, даже с учетом веса надарочного строения (проезжая часть, стойки, поперечные связи). Вместе с тем, с учетом условий изготовления и монтажа, стоимость арочных пролетных строений, как правило, выше аналогичных балочных сплошностенчатых или сквозных ферм.

Однако эстетичный внешний вид арки делает их применение в условиях повышенных архитектурных требований весьма привлекательным для проектировщиков.

Принципиальная схема расчета арки (графический материал на доске)

Мк=А•х-q•x2/2-H•y – Изгибающий момент в сечении арки с координатами «х» и «y»т от внешней равномерно-распределенной нагрузки q, где:

H=q•l2/8•f – распор арки от вертикальной нагрузки;

A=B=q•l2/2 – вертикальные опорные реакции от вертикальной нагрузки.

Продольное усилие в арке вызывается балочной перерезывающей силой «Q» и распором «H»:

Nк=Q/sinα-H/cosα, где α - угол наклона продольной оси арки к горизонту – переменная величина, для каждого сечения арки определяется индивидуально.

Максимальная величина изгибающего момента в арках достигается в четверти пролета, т.е. когда х=l/4, отсюда значение величины максимального момента можно выразить следующей формулой.

Мmax=A•l/4- q•l2/32- H•y. Значение «у» зависит от формы арки (от ее очертания – параболического или кругового).

Очертание арок может быть пологим и высоким. Диапазон достаточно широк – от 1:2,5 до 1:18. Большинство арочных мостов имеет пологость 1/8…1/10 – наиболее рациональное соотношение.

Арки различаются по условиям опирания на опоры. Можно выделить три типа арок – трехшарнирные – статически-определимые, двухшарнирные – один раз статически-неопределимые и безшарнирные.

Расчет статически-неопределимых арок необходимо выполнять с использованием компьютерных программ, однако общие принципы необходимо рассмотреть для всех типов арок (графический материал на доске).

Бесшарнирные арки – наиболее жесткие конструкции, в них уменьшаются прогибы от временной нагрузки, но на опоры при этом передаются изгибающие моменты в дополнение к распору и вертикальной реакции. Кроме того, бесшарнирные арки более чувствительны к изменению температуры.

С увеличением числа шарниров возрастают прогибы и возникают переломы продольного профиля в шарнирах, особенно в замке. Поэтому в ж.д. мостах трехшарнирных арок стараются избегать. Тем не менее, они оказываются целесообразны в автодорожных мостах и при недостаточно прочных грунтах основания опор, т.к. в силу статической определимости трехшарнирные арки нечувствительны к осадкам опор и к температурным деформациям.

Трехшарнирные арки также хороши для применения в разводных мостах.

При назначении расположения опор в арочных мостах необходимо учитывать, что расположение пят арок ниже ГВВ нежелательно, а ниже ГВЛ недопустимо. Уровень проезжей части определяется продольным профилем дороги, его повышение обычно вызывает удорожание подходов.

Арочная конструкция может быть выполнена аналогично балочной – сплошностенчатой или решетчатой (как сквозные фермы). В любом конструктивном решении принцип работы арки остается одинаковым.

Сплошностенчатые арки обычно применяют при пролетах до 300 м, однако имеются проекты с длиной пролета до 600 м.

Преимущества сплошностенчатых арок:

- относительная простота конструкции изготовления;

- небольшое число стыков.

Поперечное сечение сплошностенчатых арок может быть выполнено двутавровым, коробчатым или трубчатым.

Иногда для увеличения площади сечения и повышения несущей способности трубчатые стальные арки заполняли бетоном (Мост через Аскеро-фьорд в Швеции, с пролетом 520 м)

Ниже представлены технические решения арочного моста в Чехии – через водохранилище на реке Влтава – как наиболее характерного решения для сплошностенчатых арок.

Сквозные арки целесообразны при больших пролетах, при существенном увеличении высоты сечения арки. Как правило, сквозные арки широко применялись в начале XX века, когда условия заводского изготовления не позволяли выпускать тяжелые и высокие сплошностенчатые конструкции. Сейчас арки делают в основном сплошностенчатыми, но иногда для создания архитектурного облика выполняют их и сквозными.

Арки бывают с ездой поверху, понизу и посередине. Езда посередине при жестком соединении ездового пояса (затяжки) с аркой превращает арочную систему в комбинированную, т.к. проезжая часть (затяжка) воспринимает усилие распора и арочная система становится внешне безраспорной, статически-определимой. Если это нежелательно по каким-либо причинам, необходимо конструктивно разрезать проезжую часть и исключить таким образом передачу распора на нее.

См. пример такой конструкции проезжей части.

Для обеспечения пространственной жесткости арочных пролетных строений устраивают продольные и поперечные связи. Продольные связи ставят, как правило, в уровне арок, а поперечные связи – между стойками надарочного строения.

Поперечные сечения сквозных арок проектируются аналогично элементам ферм. Сечения применяют двутавровые, Н-образные, коробчатые, а также составленные из двух прокатных швеллеров, соединенных планками. В узлах элементы соединяются между собой через фасонки на заклепках или на высокопрочных болтах.

Надарочные строения выполняют, опирая их на стойки. Стойки в старых арочных мостах старались опирать на арки шарнирно, т.к. вследствие температурных деформаций арка и надарочное строение удлиняются неодинаково. Арка зажата между опорами, а надарочное строение свободно. Поэтому температурные перемещения узлов арки происходят по вертикали, а надарочного строения – по горизонтали. В результате верхние концы стоек смещаются относительно нижних концов тем больше, чем дальше стойка от замка. В стойках ближайших к замку, температурные напряжения могут быть довольно большими, т.к. их длина невелика.

Дополнительные напряжения в стойках возникают также от совместной работы арки и надарочного строения от вертикальной нагрузки.

Характерной особенностью арочных пролетных строений является S-образный прогиб при несимметричном загружении временной нагрузкой (1/2 пролета).

В многопролетных арочных мостах каждый пролет может перекрываться отдельной аркой, работающей независимо от других (См. схему на доске). Чтобы облегчить работу промежуточных опор, распор от постоянной нагрузки стараются уравновесить, однако от временной нагрузки на одном из пролетов, на опоры передается неуравновешенный распор. Поэтому опоры многопролетных арочных мостов, при прочих равных условиях, всегда массивнее и дороже опор балочных мостов.

Для освобождения промежуточных опор от неуравновешенного распора можно воспользоваться следующими приемами:

- в разрезных арках выполнить шарнирное опирание смежных арок на единый опорный шарнир (См. схему на доске);

- использовать неразрезные арочные системы.

В этих случаях на промежуточные опоры передается только вертикальная реакция, и они могут иметь такое же сечение, как опоры балочных мостов. Однако при этом снижается и распор в арках, следовательно возрастают изгибающие моменты и увеличивается расход стали на пролетное строение.

Воздействие распора можно также уменьшить, использовав, например, консольную схему (Троицкий мост 1903 г.)

Арочный мост через р.Майн в Германии. Пролет около 100 м.

Конструкция балочной клетки

Узел примыкания арки к затяжке.

Узел прикрепления подвески

Узел опирания арки