Конструктивные элементы мостов.
Мостовой переход через крупные водотоки состоит из моста, пойменных подходов (подъездов), высоководных регуляционных сооружений у моста и низководных в русле, если необходимо его выправление.
Подходы к мосту сооружают в виде земляных дорожных насыпей или эстакад обычно простейших балочных конструкций.
Их назначение — обеспечить плавное, удобное для транспорта сопряжение дороги с проезжей частью моста.
Собственно мост обеспечивает перевод дороги через искусственное препятствие.
Регуляционные сооружения выполняют для упорядочения водного потока в районе мостового перехода и предохранения речного русла от чрезмерных размывов.
По своему назначению мосты бывают железнодорожные, автодорожные, городские, для пропуска водных путей (мосты- каналы) и других целей.
Имеются и совмещенные мосты, например, когда железная дорога и шоссе размещаются на одном пролетном строении.
Мост состоит из опор и пролетного строения. Крайние опоры моста, примыкающие к берегам, называют устоями, промежуточные опоры — быками.
Пролетное строение моста (рис. 3.4) в большинстве случаев состоит из основной несущей конструкции, передающей нагрузку моста на опоры и называемой главными фермами /, проезжей части или ездового полотна 5, продольных 3 и поперечных связей 4. объединяющих элементы пролетного строения в одну неизменяемую систему, опорных частей пролетного строения 2.
Различают мосты с ездой поверху, если проезжая часть размещается па верхних поясах ферм, с ездой понизу, если она размещается на нижних поясах фермы и с ездой посередине, когда проезжая часть размещается между верхними и нижними поясами.
Конструкции пролетного строения мостов разнообразны. Основные из них: балочные разрезные (рис. 3.5), у которых каждая решетчатая балка-ферма перекрывает только один пролет моста; балочные неразрезные, у которых одна сплошная балка или ферма перекрывает несколько пролетов; консольные или консольно-балочные, у которых пролетные строения частично заходят в соседний пролет и поддерживают соединительные фермы-балки вставки; арочные, рамные, висячие.
Ширина пролетного строения и расстояние между осями ферм определяются габаритами проезда. Железнодорожный габарит при одиночном пути имеет ширину 4.9 м. Автодорожные мосты имеют два основных габарита проезда: 7 м при двух полосах движения и 14 м при четырех полосах.
Мосты могут иметь опоры неподвижные или плавучие. Мосты с плавучими опорами называют наплавными, мосты с подвижным пролетным строением — разводными.
Балочное пролетное строение моста передает на опоры в основном только вертикальные нагрузки и поэтому является безраспорной системой. Высота балочного разрезного пролетного строения (ферм) составляет обычно 1/12 :1/16 величины пролета. Арочная система является распорной, так как в месте сопряжении с опорами (в пятах) арка передаст на последние не только вертикальные усилия, но и горизонтальные (распор). Поэтому опоры арочных мостов тяжелее и массивнее, чем опоры балочных, но пролетное строение арочных мостов легче, чем балочных; высота арок обычно составляет 1/25:1/40 пролета. Вместе е тем гибкость арочных конструкций пролетного строении ограничивает их применение на железных дорогах.
Висячие мосты отличаются легкостью и экономичностью конструкции пролетного строения и позволяют перекрывать пролеты до 1270 м. Однако опоры этих мостов при размещении на слабых грунтах получаются более тяжелыми, чем у других конструкций пролетного строения.
Консольные и консольно-балочные мосты тоже позволяют перекрывать большие пролеты (имеются мосты с пролетами 528-547 м), но гибкость консолей снижает их эксплуатационные качества при тяжелых нагрузках. По этой причине на железных дорогах их применяют редко.
Пролетные строения мостов выполняют из металла (разные марки высококачественных сталей), железобетона и реже из дерева.
Согласно СНиП 11-Д. 7-62, применение деревянных мостов допускается на железнодорожных линиях II категории общей сети, на железных дорогах промышленных предприятий без ограничения, на автомобильных дорогах IV и V категорий общей сети и на всех дорогах промышленных предприятий без ограничении, а на дорогах III категории общей сети — только в виде устройства деревянных пролетных строений.
Опоры мостов строят преимущественно из бетона, армобетона, железобетона, реже из камня и дерева (свайные, ряжевые). Подошвы всех типов мостовых опор, кроме свайных, закладывают обычно непосредственно на грунтах оснований, при достаточной их прочности, или на свайных фундаментах при слабых грунтах.
В настоящее время широкое распространение получили предложенные советскими инженерами опоры мостов на железобетонных сваях-оболочках. Сваи-оболочки, представляющие собой железобетонные трубы большого диаметра, погружают в грунт с помощью вибропогружателей. Затем из труб грунт удаляют и заполняют их армобетоном. Преимущество опор на сваях-оболочках состоит в том, что для их возведения отпадает необходимость устройства перемычек для ограждения котлованов или применения кессонов.
Верховой и низовой граням каменных и бетонных опор (быков) придают в плане криволинейное, удобообтекаемое очертание для уменьшения бокового сжатия водного потока, проходящего под мостом. Быкам на уровне воды при ледоходе приходится работать как ледорезам. В связи с этим соответствующим образом конструируется и их верховая грань.
Деревянные опоры мостов выполняют преимущественно свайными, реже ряжевыми. Для мостов с пролетами 6—8 м свайные опоры строят плоскими, из одного ряда свай, а для мостов с большими пролетами пространственными,— из двух рядов
свай, связанных между собой деревянными связями и болтами в продольном и поперечном направлениях. При свайных опорах ледорезы строят отдельно, выполняя их плоскими или пространственными.
Отверстия мостов и определение их размеров. Отверстием моста называется сумма просветов между его опорами в пределах уровня высоких вод. Величина отверстия устанавливается согласно СНиП П-Д.7-62:
на малых водотоках - по расходам, определяемым согласно действующим указаниям, и средним допускаемым скоростям течения воды (обеспечивающим нормальные условия эксплуатации) в зависимости от характера грунта и типа крепления русла и конусов-насыпей у береговых опор, а также по допускаемым возвышениям низа конструкции сооружения и подтоплениям насыпей;
на больших и средних реках по расходам, определяемым по натурным данным с учетом возможного размыва и срезки грунта для увеличения рабочей площади под мостом. Скорости течения под мостом при расчетном расходе принимают. как правило, равными средним бытовым скоростям в русле, соответствующим глубине после размыва.
Расчет мостов, труб под дорогами и пойменных насыпей на воздействие водного потока производят по расчетным расходам (и соответствующим им уровням), вероятность превышения которых приведена в табл. 5.
Таблица 5
Нормы вероятности превышения расчетных расходов
Величины пролетов мостов (расстояние между осями ферм, балок) на несудоходных реках определяются на основании технико-экономических расчетов. Для балочных и арочных мостов при выборе величины пролета соблюдается условие равенства стоимостей опор и главных ферм со связями.
На судоходных и сплавных реках размеры судоходного пролета моста и его подмостовые (надводные) габариты определяют в соответствии с ПСП 103-52 «Нормы проектирования подмостовых габаритов на судоходных и сплавных реках и основные требования к расположению мостов».
Надводным габаритом моста (водного пути) называют пространство над наивысшим расчетным уровнем воды, перекрываемое сверху его пролетным строением; оно должно быть достаточным для свободного пропуска судов и сплава леса. Эти габариты зависят от категории водного пути.
Минимальный навигационный расчетный уровень воды принимается с обеспеченностью от 95 до 99% в зависимости от категории водного пути.
Отметка максимального уровня воды, при котором должна быть обеспечена высота габарита, определяется способами, изложенными в НСП 103-52. При проектировании искусственных водных путей этот уровень с небольшим запасом просто отсчитывают от максимальных навигационных уровней, принимаемых для водных путей разных категорий с вероятностью превышения от 1 до 10% (по СНиП П-И.1-62 «Гидротехнические сооружения, речные»).
Возвышение низа конструкции пролетного строения моста над расчетным уровнем воды (по которому рассчитывается отверстие) на несудоходных реках назначается по соображениям безопасности сооружения при прохождении высоких вод и ледохода. Это возвышение обычно назначают по аналогии с существующими мостами на реке. Минимальное допустимое превышение середины пролетного строения над расчетным уровнем на равнинных реках равно 0,5 м, на роках с интенсивным ледоходом - 0,75 м. при наличии корчехода для мостов на железных дорогах общей сети 4.5 м (подробнее см. СНиП 11-Д. 7-62).
На реках с интенсивным ледоходом назначается следующая величина минимального, пролета моста над главным руслом: при сильном ледоходе в пределах средней межени — 40 м, в пойменной части—8 м; при среднем ледоходе соответственно — 20 и б м: при слабом ледоходе - 15 и 4 м.
Толщина льдин, скорость их продвижения, расход льда (интенсивность ледохода) имеют существенное значение для выбора типов ледорезов и перед проектированием моста подлежат тщательному изучению.
Рабочая площадь под мостом определяется но формуле
(3)
где ω— площадь живою сечения под мостом до размыва; Q- расчетный расход; υ —средняя битовая скорость в русле; μ коэффициент сжатия водного потока под мостом, зависящий от очертания опор; Р— коэффициент размыва.
Отверстие моста стесняет живое (водное) сечение реки по оси перехода обычно в 1,2 : 2,0 раза, иногда в 4 раза. Вследствие стеснения потока возникает подпор. Плавный проход потока под мостом должен обеспечиваться регуляционными сооружения МП.
Величину расчетного расхода воды заданной вероятности превышения определяют по формулам расчета максимальных расходов.
Величину максимального фактического расхода, проходившего в створе мостового перехода, определяют по данным гидрологических наблюдений (если они проводились); путем переноса по правилам речной гидрометрии значений расхода с ближайшего пункта гидрологических наблюдении на этой же реке в данный створ; по меткам уровнен высоких вод с использованием формулы Шези. Расчетные гидрологические характеристики для мостовых переходов можно устанавливать в соответствии с рекомендациями СН 435-72 «Указания по определению расчетных гидрологических характеристик». Для определения в створах мостовых переходов уровней воды, соответствующих расчетным расходам, иногда приходится экстраполировать имеющиеся для них кривые расходов за пределы наблюденных уровнен.
По расчетному расходу принятой вероятности превышения по кривой Q=f(H) в месте перехода определяют соответствую шин ему уровень, а по кривой v= f(H) - среднюю скорость в главном русле при этом расходе.
По значению рабочей площади под мостом, найденной по формуле (5), отверстие моста получают чисто геометрическим путем, т. е. набором по поперечному профилю поймы и русла в створе перехода принятой рабочей площади. Набор площадей производят с запасом в 5—10%. Чем глубже и шире главное русло, тем отверстие моста будет меньше, сравнительно со случаем мелкого и слаборазвитого русла.
При изысканиях под мостовые переходы обычно определяют не только ширины отверстий мостов, существующих в районе проектируемого мостового перехода, но и рабочую площадь под этими мостами.
Отношение расчетной рабочей площади к бытовой площади реки под мостом с принятым отверстием называют коэффициентом размыва. Его значения в соответствии с Указаниями СН 435-72 назначают в зависимости от расчетного расхода q на 1 м длины отверстия моста в пределах от 2.2 при q = 2 м3/с и меньше до 1,25 при q = 20 м3/с и больше. Глубокое заложена основания опор моста позволяет увеличивать коэффициент размыва.
При недостаточных размерах речного русла под мостом искусственно увеличивают его поперечное сечение путем срезки части грунта с поймы как под мостом, так перед ним и за ним
Требования, предъявляемые к месту расположения мостового перехода. Створы перехода надо располагать на участках долины реки с наиболее узкими поймами, расположенными на высоких отметках. Направление створа перехода выбирают нормальным к направлению долины и русла реки и по возможности приближают его к прямой воздушного направления трассы. Углы поворота трассы в пределах поймы допускают только при их технико-экономическом обосновании. На активно работающей пойме при больших углах поворота трассы, направленных вниз по течению, образуются водные «мешки» (рис. 3.6, вариант I), создающие угрозу прорыва насыпи и затрудняющие слив воды с поймы в отверстие моста. При больших углах поворота трассы перехода, направленных вверх по течению реки, будут возникать интенсивные течения вдоль верховой стороны насыпи, что требует защиты ее от подмыва (рис.3.6, вариант II).
При пересечении широких пойм при трассировании перехода используют попутные возвышенности на поймах (остатки прирусловых валов), избегая пересечения глубоких болот, староречий и проток. Перекрытие насыпью староречий и заболоченных ложбин на поймах может вызывать скопление воды в отсеченных насыпью верховых частях, поднятие уровня грунтовых вод и увеличение заболоченности используемых пойменных угодий. Из "таких замкнутых скоплений стока, пересекаемых мостовым переходом, обязательно предусматривают отвод воды или устройство моста-водоспуска с укрепленным руслом.
Рис. 3-6. Схематический план мостового перехода (I и II варианты трассы).
Мостовые переходы во всех случаях, в том числе и в зонах переменного подпора (в хвостовых частях водохранилищ), располагают вне заторно-зажорных участков.
Створ мостового перехода при пересечении русла селевого потока следует располагать на горном транзитном участке. Узкое горное ущелье, в случае вязких и турбулентных селей, перекрывают однопролетным мостом.
Русло реки в месте перехода должно быть устойчивым, плёсовым, но возможности прямолинейным.
Если русло реки в бытовом состоянии пропускает около 70% расчетного расхода, то створ перехода располагают нормально к русловому потоку. В случаях, когда пойменный расход составляет около 70% расчетного, створ перехода располагают нормально к динамической оси пойменного потока.
При большой извилистости русла реки, когда переход прокладывается в пределах крутой излучины, рекомендуется производить спрямление русла.
Ось мостов ориентируют нормально к направлению хода судов и плотов при средних и низких уровнях воды в русле и при расчетном судоходном уровне воды.
На малых и средних реках для соблюдения перпендикулярности оси моста к оси водотока прибегают к искусственным спрямлениям русла. Косое их расположение всегда приводит к подмыву одного из берегов у мостового перехода.
При выборе места для размещения мостовых переходов руководствуются также инженерно-геологическими, экономическими и производственными соображениями.
Регулировочно-выправительные сооружения в речных руслах и на поймах у мостовых переходов.
Наличие в речных руслах под мостами непараллелеструйного течения, косоструйности и водоворотов вызывает неравномерное распределение скоростей по водному сечению, сжатие водного потока, снижает водопропускную способность мостовых отверстий, вызывает неравномерное распределение расхода между мостовыми пролетами, а также перемещение русла под мостом, размыв его берегов, отложение наносов и пр. Эти нежелательные явления могут быть устранены или значительно уменьшены с помощью рационально спроектированных и правильно построенных регуляционных сооружении.
Различают два вида регуляционных сооружений:
располагаемых в пределах меженного русла и предназначенных для улучшения судоходства и сплава под мостами;
— располагаемых в пределах высоких вод па пойме и предназначаемых для выправления и придания нужного направления струям потока высоких вод и зашиты насыпей мостового перехода и сто опор от размывов.
К первым относятся отбойные дамбы, траверсы, запруды, полузапруды, укрепления берегов и искусственные русла, ко вторым — струенаправляющие дамбы и конусы насыпей подходов у мостов, срезки (искусственные расширения русла), укрепления русла реки под мостом, траверсы у насыпей подходов, полузапруды, прокопы, а также укрепления насыпей подходов, берегов пойменных водотокоз и поверхности отдельных участков пойм.
Регуляционные сооружения должны хорошо сопротивляться размыву текущей водой, силовым воздействиям волн, льда, плавающих тел, не разрушаться, быть достаточно гибкими и сохранять способность выполнять свои функции при деформациях их оснований.
Струенаправляющие дамбы устраивают, если расход, проходящий по пойме, составляет более 10—15% полного расхода. В противном случае роль струенаправляющей дамбы выполняет конус дорожной насыпи.
По характеру направления струн дамбы разделяют на обтекаемые и отбойные. Обтекаемые применяют, когда поток должен быть направлен на участок отверстия моста, примыкающий к устою с той же стороны. Отбойные применяют для отжатия потока от того же участка отверстия моста.
Обтекаемые дамбы имеют в плане криволинейное (эллиптическое) очертание, отбойные — прямолинейное. Выбор очертания дамб определяется условием создания под мостом, после размыва, живого водного сечения формы, близкой к прямоугольной.
Струенаправляющие дамбы представляют собой безнапорные гидротехнические сооружения, обычно трапецеидального поперечного сечения. Их возводят из каменной наброски, тяжелых фашин (пучков хвороста диаметром до 1,0 м, начиненных камнем), габионов (проволочных корзин в форме параллелепипеда, загруженных камнем), реже из грунта, защищаемого от размывов мощным покрытием из каменной наброски, и располагают с верховой и с низовой стороны от отверстия моста.
Верховые обтекаемые струенаправляющие дамбы в плане размещают таким образом, чтобы направить водный поток во все пролеты равномерно. Им придают в плане, как указывалось, плавную криволинейную форму. Назначение низовых струенаправляющих дамб— не допускать образования завихрений и резких изменений направления струй близ мостового отверстия с низовой стороны, и предохранять устои, конусы и насыпи подходов от размыва водным потоком, выходящим из мостового отверстия. Этим дамбам придают в плане такую форму, что они образуют короткий раструб.
Радиусы закруглений дамб назначают применительно к местным условиям в зависимости от расположения мостового отверстия. косины пересечения мостом поймы и русла, ширины последнего, скоростей притекания к отверстию русловых (в прибрежной части) вод и расходов воды на соответственных участках поймы и русла.
Если речной поток при высоких водах подходит к отверстию моста несимметрично вследствие разной ширины правобережного и левобережного участков затопляемой поймы, то форму регуляционных сооружений в плане выбирают такой, чтобы ослабить действие поймы, с одной стороны, и усилить с другой.
Отбойные дамбы отличаются от струенаправляющих не только формой в плане, но и меньшей длиной; их располагают под углом к струям потока. Один конец этих дамб заделывают в берег реки или долины, а второй размещают в русле или в долине.
Траверсы — короткие дамбы, которые располагают перпендикулярно (или под углом) к насыпям подходов и струенаправляющим дамбам для предохранения тех и других от подмыва движущимся вдоль них речным потоком в период половодья.
Запруды — низконапорные плотины из фашин, фашинных тюфяков (группа фашин, связанных плашмя и образующих покрытие), земли, реже камня; предназначаются для закрытия протоков и стариц.
Полузапруды служат обычно для защиты основании береговых сооружений.
Для укрепления берегов на подходах к мостовым отверстиям применяют каменные наброски, хворостяные выстилки, фашины, фашинные тюфяки, габионы и пр.
Проектирование регуляционных сооружении мостовых переходов— сложная и ответственная техническая задача. Для ее правильного решения необходимо хорошее знание гидрологических особенностей реки в пойме мостового перехода. В отдельных случаях при проектировании мостового перехода возникает надобность в постановке специальных гидравлических лабораторных исследований на модели мостового перехода с примыкающими к нему участками русла, поймы и речной долины.
Первые регуляционные сооружения у мостовых переходов в нашей стране были возведены при постройке железной дороги Москва Нижний Новгород в 1868 г. на четырех переходах р. Клязьмы.
