Металлический мост

Введение

В современном строительстве металл является наиболее совершенным материалом по совокупности своих технических, технологических и экономических  характеристик. При высокой прочности  сталей, позволяющей перекрывать  значительные пролеты, строительные конструкции  из металла обладают также сравнительно небольшим собственным весом, высокой  индустриальностью изготовления и удобством монтажа. Металлические пролетные строения имеют длительный срок службы. Их удобно восстанавливать в случае повреждения и, при необходимости, относительно легко усилить.

Основным недостатком металл является коррозия, поэтому металлические  пролетные строения требуют тщательного  содержания и периодической окраски, что увеличивает эксплуатационные расходы. К недостаткам стальных конструкций также можно отнести  высокий расход прокатного металла.

В настоящей работе разрабатывается  проект металлического моста через  судоходную реку под один железнодорожный  путь. Курсовой проект выполняется  на основе исходных данных, указанных  в бланке задания.

  1. Анализ исходных данных

Необходимо запроектировать металлический  мост под железную дорогу.

На основании результатов изысканий  мостового перехода были заданы следующие  данные:

Отверстие моста – 360 м.

Класс реки – IV*.

Уровень меженных вод (УМВ) –75,000 м.

Наивысший уровень высоких вод  – 80,000 м.

Расчётный судоходный уровень – 79,000 м.

Средняя толщина льда – 1,0 м.

Бровка земляного полотна (БЗП) – определить.

Географическое месторасположение  моста – Алтайский край.

Профиль мостового перехода и инженерно-геологический  разрез по оси моста приведен в  приложении к заданию (№ 2).

Расчет производится на временную  нагрузку – С14.

В качестве дополнительных данных приводится коэффициент размыва – Kр=1,1 и глубина промерзания .

Река находится в Алтайском крае, следовательно, условия эксплуатации моста северные «А». Исходя из этого, при проектировании металлических пролетных строений необходимо использовать сталь марки 15ХСНД-3, устоев и промежуточных опор бетон класса В25,  с маркой по морозостойкости не ниже F 300. Так как по заданию имеем толщину льда, равную t =  1,0 м, то для обеспечения беззаторного пропуска льда в русловой части моста следует применять величины пролетов более 20 м. Так как грунтами основания служат песок пылеватый насыщенный водой, супесь пластичная и супесь твердая, то целесообразно использовать фундаменты на свайном основании.

Согласно классу  ВВП- IV* по ГОСТ 26775-97 (Габариты подмостовые судоходных пролетов мостов на внутренних водных путях) размеры подмостового габарита следующие:

Таблица 1.1 -  Размеры габарита в соответствии с классом реки (IV)

Класс  ВВП

d, м.

h, м.

ширина, м.

Bниз

Bвзв

IV*

1,5-1,9

12

120(80)

120(100)


  1. Вариантное  проектирование

    1. Первый вариант

Конструкция первого варианта моста  определяется схемой   3Х34,2 + 88 + 110 + 3Х34,2м Согласно заданию необходимо обеспечить отверстие моста 360м, фактическая величина отверстия равна 364 м. Погрешность в этом случае составляет +1,11%, что является допустимым.

Полная длина первого варианта моста 419,290 м. Проектируемый мост в плане располагается на прямой, в профиле на горизонтальном участке пути.

Для перекрытия судоходных пролётов используем металлические пролётные  строения с ездой понизу со сквозными  фермами, каждое из которых состоит  из проезжей части, главных ферм, продольных и поперечных связей и смотровых  устройств. Несудоходную часть реки перекрываем  пролётными строениями со сплошными главными балками длиной 34,2 м с ездой поверху на поперечинах, которые выбираем из условия пропуска ледохода.

Указанные пролетные строения опираются  на массивные монолитные бетонные опоры. Промежуточные опоры имеют двухъярусную конструкцию. Устои приняты монолитной конструкции.

Фундаменты под опоры приняты  свайными, исходя из геологических  условий, кроме того, свайные фундаменты предпочтительны фундаментам мелкого  заложения с экономической точки  зрения.

Вычислим отметку подошвы рельса:

 

где: Hг  - высота подмостового габарита;

hстр,п - строительная высота пролетного строения;

hплит=0,2 м – высота безбалластной железобетонной трубы;

Δ- зазор между габаритом и  пролетным строением, Δ=0,2 м.

 

Из полученной отметки подошвы  рельса получаем отметку бровки земляного  полотна:

 

 

Определим уровень верха опор:  

 

  1. lп = 34,2 м, hстр.о = 3,32 м;

 

  1. lп = 89,1 м, hстр.о = 2,23 м;

 

  1. lп = 111,09 м, hстр.о = 2,32 м;

 

Определим отметку низа конструкции:                                                  

  1. lп = 34,2 м, hстр.п = 2,8 м;

 

  1. lп = 89,1 м, hстр.п = 1,69 м;

 

  1. lп = 111,09 м, hстр.п = 1,69 м;

 

 

Таблица 2.1 - Пролётные строения, использованные в варианте 1

Расчётный пролёт, м

Полная длина, м

Высота ферм (балок), м

Длина панели, м

Расстояние между фермами

(балками), м

Строительная  высота, м

Масса металла, т

Объём железобетона, м3

в пролёте

На  опоре

33,6

34,2

2,8

-

2,1

2,8

3,32

62,1

38,3/14,4

88

89,1

15,0

11,0

5,8

1,69

2,23

387,58

59,7/37,4

110

111,09

15,0

11,0

5,8

1,69

2,32

559,3

74,4/46,7


Определим ширину опор по фасаду:

 

Рисунок 2.1 – Схема к  определению размеров оголовка опоры вдоль моста

 

а) вдоль моста            б) поперек моста

Рисунок 2.2 – Общий вид промежуточной опоры

 

Определим ширину промежуточной опоры  №4:

 

где: с = е + d1 + d2  - расстояние между осями опирания пролетных строений;

е - расстояние между торцами пролетных строений, принимаемое равным 10 см;

d1 - расстояние от оси опирания до торца левого пролетного строения, м;

 

d2 - то же, для правого пролетного строения, м;

 

 

dн , dп - размеры опорной плиты неподвижной и подвижной опорных частей вдоль                                    оси моста м;

c1 - расстояние от граней нижних подушек опорных частей до граней опорных  

площадок, принимаемые равным 15 см;

c2 - расстояние в плане от граней опорных площадок до граней подферменной плиты, принимаемое равным 35 см;

m – ширина свеса подферменной плиты, принимаемое равным 10 см.

Принимаем dн = 0,86 м; dп = 1 м ; С1 = 0,15 м ; С2 = 0,35 м, m=0,1 м.

 

Вычислим длину опоры прямоугольного очертания поперек оси моста:

Рисунок 2.3 – Схема к  определению размеров оголовка поперёк оси моста

 

 

где: Bф – расстояние между осями ферм (балок),

d – размер опорной плиты опорной части поперек оси моста,

k – расстояние от грани опорной площадки (параллельной оси моста) до грани прямоугольной подферменной плиты (параллельной оси моста), принимаемое равным 50 см.

 

Определим положение обреза фундамента (ОФ):

 

где: tл=1 м – средняя толщина льда,    

.

Определим высоту опоры (h1 + h2+0,4):

 

 

Соблюдая правила проектирования опоры получим h1=8,67 м, а h2=7,75 м. Определим ширину опоры по фасаду на отметке ОР+h2:

 

 

Определим ширину опоры по фасаду на отметке ОР:

 

 

Подошва фундамента: отметка подошвы  ростверка определяется из условия  заделки свай в ростверк по формуле:

 

где: h=1,2 м – толщина ростверка.

 

Аналогично определяются размеры  для остальных опор.

Размещение  свай в ростверке производится согласно «СП 35.13330.2011 Мосты и трубы. Актуализированная редакция СНиП 2.05.03-84», при размещении свай в фундаменте необходимо знать:

  • наименьшие расстояния между осями вертикальных забивных свай принимают равными трем диаметрам круглых свай или трем толщинам свай квадратных.
  • минимальное расстояние между гранью сваи и гранью ростверка в плоскости его подошвы должно быть не менее 0,25 м.
  • крайние сваи, как вдоль оси моста, так и поперёк, для увеличения жёсткости свайного фундамента, устраиваются наклонными.

В курсовом проекте для определения необходимого количества свай достаточно определить лишь вертикальную нагрузку на основание, взятую с коэффициентом 1,3, приближенно учитывающим действие комбинации вертикальных и горизонтальных сил.

Вертикальные нагрузки на свайный  ростверк складываются из собственного веса частей опоры, давлений от веса пролетных строений и мостового полотна и веса временной вертикальной нагрузки от подвижного состава. Для определения веса самой опоры ее разделяют на части простой геометрической формы: подферменную плиту, тело опоры выше отметки УВВ, тело опоры в пределах переменного уровня воды и ростверк.

Нормативная нагрузка от веса частей опоры:

 

где, γб=23,5кН/м3- нормативный удельный вес бетона;

Vi- объем i-ой части опоры, м3.

Нормативная нагрузка на опору от веса двух одинаковых пролетных строений:

где gст = 78,5 кН/м3 – нормативный удельный вес стали; g – ускорение свободного падения; Gст – масса металла пролетного строения; gжб = 24,5 кН/м3 – нормативный удельный вес железобетона; Vжб – объем железобетона безбалластного мостового полотна и тротуаров, м3.

Нормативное давление на опору от временной подвижной  нагрузки, расположенной на двух пролетах:

 

где gλa=0.5 – интенсивность эквивалентной временной нагрузки от железнодорожного подвижного состава по Приложению K /1/ в зависимости от длины загружения λ = 2(lр + 0,5с) и коэффициенте a = 0,5;

А = 1/[lр (lр + 0,5с)] – площадь линии влияния опорной реакции.

Суммарная расчетная вертикальная нагрузка на свайный ростверк:

 

где, γfg=1,1 - коэффициент надежности к постоянным нагрузкам от собственного веса; γfv=1,3-0,003λ- коэффициент надежности по временной нагрузке (при λ<50 м), γfv=1,75-0,0005λ – то же (при λ>50 м).

Требуемое количество свай в опоре:

 

где, kг=1,2…1,4- коэффициент, учитывающий влияние горизонтальных сил (торможения, тяги, ветра): принимаем kг=1,4; kн – коэффициент надежности, принимаемый равным: при числе свай 21 и более – 1,4; от 11 до 20 – 1,6; от 6 до 10 – 1,65; 5 и менее – 1,75; Ф=кН – расчетная несущая способность сваи.

Расчет  производится по формулам (2.14-2.18).

Округляем количество свай (формуле 2.18), исходя из условия обеспечения несущей способности фундамента и размещения свай в ростверке.

Промежуточная опора №1:

 ncв = 1,4´ 1,2´19500/1200=27шт (Примем из конструктивных условий          ncв=30шт).

Промежуточная опора №2:

ncв = 1,4´ 1,2´19500/1200=27шт. (Примем из конструктивных условий          ncв=30шт).

Промежуточная опора №3:

 ncв = 1,4´ 1,2´31700/1200=45шт

Промежуточная опора №4:

 ncв = 1,4´ 1,2´42500/1200=60шт

Промежуточная опора №5:

 ncв = 1,4´ 1,2´35200/1200=50шт

Промежуточная опора №6:

 ncв = 1,4´ 1,2´19500/1200=27шт. (Примем из конструктивных условий          ncв=30шт).

Промежуточная опора №7:

 ncв = 1,4´ 1,2´19500/1200=27шт. (Примем из конструктивных условий          ncв=30шт).

Устой №1:

 ncв = 1,4´ 1,2´28100/1200=40шт

Устой №2:

 ncв = 1,4´ 1,2´28100/1200=40шт

Определим общую стоимость работ по сооружению первого варианта моста.

Работы  по устройству фундаментов ведутся  в котлованах под защитой металлического шпунтового ограждения. Размеры котлованов в плане больше размеров ростверков соответствующих опор на 0,5 м как вдоль, так и поперек моста, для обеспечения необходимого зазора между опалубкой и стенкой ограждения для ведения строительных работ.

  Шпунт  забивается в грунт на 2 м ниже дна котлована, и отметка верха шпунта на 0,7 м выше отметки УМВ при устройстве котлована в русле. Погонная масса шпунтины   ШП-1– 64 кг, ширина шпунтины – 400 мм.

На основании  принятой схемы и конструктивных решений определим стоимость  основных видов работ по сооружению первого варианта.

 

Таблица 2.2 – Расход основных материалов и стоимость первого  варианта

Наименование работ

Ед. изм.

Стоимость единицы, руб.

Полный объём

Стоимость общая, руб.

Забивка металлического шпунта с выдёргиванием

т

11520

       363

4181760

Устройство котлована с водоотливом

м3

228

760

173280

Изготовление и забивка железобетонных свай - речных

м3

17760

286

5079360

Изготовление и забивка железобетонных свай - береговых

м3

5600

368

2060800

Сооружение монолитных опоры

м3

5560

2780

15456800

Сооружение монолитных бетонных ростверков

м3

4700

317

1489900

Металлические пролётные строения

со сплошной стенкой 

со сквозными главными фермами

 

т

т

 

20700

22100

 

411

965

 

8507700

21326500

Устройство мостового полотна (с  железобетонными тротуарами)

м

5150

316

1627400

Итого:

59903500

С учётом коэффициента k = 1,5

89855250


Примечание: На общую сумму затрат, подсчитанную по укрупнённым расценкам, вводится коэффициент k=1,5, учитывающий все остальные расходы (зимние, временные сооружения, вахта и др.).

    1. Второй вариант

Судоходную часть перекрываем  двумя разрезными пролетными строениями со сквозными главными фермами длиной 88м и 110м. Не судоходную часть разбиваем  на пролетные строения со сплошными  главными балками длиной 27,0 м, исходя из экономических соображений.

Таким образом, выбранная схема моста: 3Х27,0 + 88 + 110 + 4Х27,0м.

Фактическая величина отверстия равна 373 м. Погрешность в этом случае составляет +3,61%, что является допустимым.

Полная длина второго варианта моста 407,390м.

Указанные пролетные строения опираются  на массивные монолитные бетонные опоры. Промежуточные опоры имеют двухъярусную конструкцию. Устои приняты типовой  сборно-монолитной конструкции.

Фундаменты под опоры приняты  свайными, исходя из геологических  условий, кроме того, свайные фундаменты предпочтительны фундаментам мелкого  заложения с экономической точки  зрения.

Расчет  нагрузок на опоры  и количество свай определяется аналогично первому  варианту.

На основании  принятой схемы определим стоимость  основных видов работ по сооружению второго варианта.

 

Таблица 2.3 – Расход основных материалов и  стоимость второго варианта

Наименование работ

Ед. изм.

Стоимость единицы, руб.

Полный объём

Стоимость общая, руб.

Забивка металлического шпунта с выдёргиванием

т

11520

       315

3628800

Устройство котлована с водоотливом

м3

228

760

173280

Изготовление и забивка железобетонных свай - речных

м3

17760

236

4191360

Изготовление и забивка железобетонных свай - береговых

м3

5600

331

1853600

Сооружение монолитных опоры

м3

5560

2540

14122400

Сооружение монолитных бетонных ростверков

м3

4700

302

1419400

Металлические пролётные строения

со сплошной стенкой 

со сквозными главными фермами

 

т

т

 

20700

22100

 

333

965

 

6897200

21326500

Устройство мостового полотна (с  железобетонными тротуарами)

м

5150

302

1555300

Итого:

55167840

С учётом коэффициента k = 1,5

82751760


Примечание: На общую сумму затрат, подсчитанную по укрупнённым расценкам, вводится коэффициент k=1,5, учитывающий все остальные расходы (зимние, временные сооружения, вахта и др.).

    1. Третий вариант

Судоходную часть перекрываем  неразрезным пролетным строением  со сквозными главными фермами полной длины 221,036м. Не судоходную часть разбиваем на пролетные строения со сплошными главными балками длиной 27,0 м, исходя из экономических соображений.

Таким образом, выбранная схема моста: 3Х27,0 + 220 + 3Х27,0 м.

Фактическая величина отверстия равна 367,12 м. Погрешность в этом случае составляет +1,98%, что является допустимым.

Полная длина третьего варианта моста 400,436 м.

Указанные пролетные строения опираются  на массивные монолитные бетонные опоры. Промежуточные опоры имеют двухъярусную конструкцию. Устои приняты типовой  сборно-монолитной конструкции.

Фундаменты под опоры приняты  свайными, исходя из геологических  условий, кроме того, свайные фундаменты предпочтительны фундаментам мелкого  заложения с экономической точки  зрения.

Расчет  нагрузок на опоры  и количество свай определяется аналогично первому  варианту.

На основании  принятой схемы определим стоимость  основных видов работ по сооружению второго варианта.

 

Таблица 2.4 – Расход основных материалов и стоимость третьего варианта

Наименование работ

Ед. изм.

Стоимость единицы, руб.

Полный объём

Стоимость общая, руб.

Забивка металлического шпунта с выдёргиванием

т

11520

       256

2949120

Устройство котлована с водоотливом

м3

228

760

173280

Изготовление и забивка железобетонных свай - речных

м3

17760

151

2681760

Изготовление и забивка железобетонных свай - береговых

м3

5600

427

2391200

Сооружение монолитных опоры

м3

5560

2380

13232800

Сооружение монолитных бетонных ростверков

м3

4700

270

1269000

Металлические пролётные строения

со сплошной стенкой 

со сквозными главными фермами

 

т

т

 

20700

22100

 

285,6

1040,6

 

5911920

22997260

Устройство мостового полотна (с  железобетонными тротуарами)

м

5150

258,6

1331790

Итого:

52938130

С учётом коэффициента k = 1,5

79407195


Примечание: На общую сумму затрат, подсчитанную по укрупнённым расценкам, вводится коэффициент k=1,5, учитывающий все остальные расходы (зимние, временные сооружения, вахта и др.).

    1. Сравнение вариантов

После составления  вариантов осуществляется их тщательный технико-экономический анализ по множеству  критериям. В рамках курсового проекта  сравнение вариантов будем производить  по таким  основным показателям как: общая строительная стоимость, расход основных материалов (железобетона и  металла), трудоёмкость изготовления (см. табл 2.2,2.3,2.4)

Основным  сравнительным показателем является стоимость сооружения моста, в этом плане наиболее предпочтительным оказывается  третий вариант.

Недостатком первого и второго варианта является большее количество опор по сравнению  с третьим вариантом, – отсюда возможно увеличение срока строительства  моста.

В третьем  варианте используются ферма одного размера, поэтому ее сооружение будет  наиболее удобным и быстрым по сравнению с другими предложенными  вариантами. Также в данном варианте увеличена ширина взводного пролёта, тем самым обеспечивается возможность  более безопасного и интенсивного судоходства.

Исходя  из всего вышесказанного, принимаем  к дальнейшей разработке 3-й вариант.

При составлении третьего варианта были проанализированы несколько вариантов. Конкурентоспособный вариант (с  двумя стальными 44м пролетными строениях  со сквозными главными фермами с  ездой поверху) схема которого: 2*34,2+44+88+110+44+2*34,2.

Однако  этот вариант дороже на 1,8% третьего варианта в первую очередь  из-за высокой металлоемкости, несмотря на то что количество п.с. со сплошными главными балками с ездой поверху меньше.

  1. Расчёт проезжей части

Проезжая  часть металлических пролётных  строений со сквозными главными фермами  под железнодорожную нагрузку состоит  из продольных балок с продольными  и поперечными связями и поперечных балок. В курсовом проекте производится расчёт продольных и поперечных балок, их сечений и соединений.

    1. Расчёт продольной балки

      1. Определение расчётных усилий

В курсовом проекте принимаются продольные балки не включённые в совместную работу с главными фермами. В расчётах на прочность и выносливость расчётная схема принимается в виде разрезной балки на двух опорах с пролётом, равным длине панели главной фермы (см. рис.3.1).

 

Рисунок 3.1 - Линии влияния внутренних усилий в продольной балке

 

Продольные  балки загружаются нагрузкой  от собственного веса, от веса мостового  полотна и временной вертикальной нагрузкой. Так как сечение балок  по длине будет постоянным, для  их расчёта достаточно определить изгибающие моменты в сечении посередине пролёта и поперечную силу в опорном  сечении по формулам:

 

 

 

где M0,5 – изгибающий момент в середине пролёта для расчёта на прочность;

M’0,5 – изгибающий момент в середине пролёта для расчёта на выносливость;

Q0 – поперечная сила в опорном сечении для расчёта на прочность;

gi – постоянные нагрузки (g1 = 5,5 кН/м, нагрузка от собственного веса продольных балок; g2 = 22,6 кН/м, нагрузка от веса мостового полотна при железобетонных безбалластных плитах с двумя тротуарами );

υλα – интенсивность эквивалентной нагрузки, определяемая в зависимости от длины загружения λ и положения вершины линии влияния α по СП 35.13330.2011 Мосты и трубы. Актуализированная редакция СНиП 2.05.03-84 прил.К [1]:

 

 

0,5 – коэффициент, учитывающий распределение усилий между двумя балками;

γfgi = 1,1 – коэффициент надёжности к постоянным нагрузкам;

γfυ – коэффициент надёжности к временной нагрузке, зависящий от длины загружения λ = 11 м, и определяемый по формуле:

 

 

(1+μ) – динамический коэффициент, определяемый по формуле:

 

 

(1+2μ/3) – динамический коэффициент для расчётов на выносливость, определяемый по формуле:

 

 

 и – соответственно площади линий влияния M0,5 и Q0;

ε = 0,85 – коэффициент, учитывающий отсутствие тяжелых транспортёров, определяется по [1 таблица 6.5].

 

 

 

      1. Подбор размеров сечения и расчёт на прочность и выносливость по нормальным напряжениям

Размеры сечения продольных балок может  определяться из расчёта на прочность  или выносливость. Для этого необходимо вычислить коэффициент усталости материала γ* по формуле:

 

где: ξ = 1 – для железнодорожных мостов;

α = 0,72 – коэффициент, учитывающий марку стали, принимаемый по таблице 8.33 [1];

δ = 0,24 – коэффициент, учитывающий нестационарность нагружения, принимаемый по таблице 8.33 [1];

β = 1,5 – эффективный коэффициент концентрации напряжений, принимаемый по таблице Ц1 приложения Ц [1]. (С 345 – класс прочности стали 15ХСНД);

 – коэффициент, зависящий от длины загружения λ линии влияния, и при   λ< 22 м определяется по формуле:

 

где: значения v и ξ следует принимать по таблице 8.34 [1]:

v = 1,87 ;  ξ = 0,0395;

Металлический мост 📙 Курсовая → 🆔 125559

Металлический мост 📙 Курсовая → 🆔 125559

Металлический мост