Проект вантового моста

МПС РФ

СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

 

Кафедра «Мосты»

 

 

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

вантового автодорожного  моста

 

 

 

 

 

 

 

Руководитель:       Разработал:

проф.                студент гр. МТ-511

___________ Бахтин С.А.     ___________ Шерин Е.В.

 

___________        ___________

(дата)         (дата)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Новосибирск 2004г.

 Содержание

1. Исходные данные

2. Эскизное вариантное  проектирование.

2.1. Выбор схемы  пролетного строения.

2.2. Проектирование 1-го варианта (2-й висячий).

2.3. Проектирование 2-го варианта (5-й вантовый).

2.4. Проектирование 3-го варианта (6-й вантовый).

2.5. Технико-экономический  анализ вариантов и выбор оптимального.

3. Расчет вантового  моста.

3.1.Статический  расчет

               3.1.1.Расчет балки жесткости на  прочность.

               3.1.2.Расчетпролетного строения на  жесткость.

               3.1.3.Расчет вант на прочность  и выносливость.

               3.1.4.Проверка пилона по прочности.

               3.1.5.Проверка пилона по устойчивости.

3.2. Динамический расчет.

               3.2.1.Определение динамических характеристик.

               3.2.2.Проверка аэродинамической устойчивости  и на статическое воздействие                                                                                                 

                                            ветра.

4.Конструирование элементов  моста.

5.Приложения.

Список использованных источников

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  Ведение

 

К висячим мостам относятся мосты, в пролетных строениях которых  главными несущими элементами являются растянутые, гибкие, криволинейные нити (кабели или цепи), поддерживающие усилия на пилоны.

Наиболее характерно применение висячих  мостов в области самых больших  пролетов, где они являются единственно  возможными конструкциями: для преодоления горных ущелий, крупных водных преград с интенсивным судоходством, сложными гидрологическими и геологическими условиями, когда затруднено или невозможно строительство промежуточных опор. Но в ряде случаев висячие мосты успешно конкурируют с другими системами и в области средних и больших пролетов. Висячие мосты обладают рядом достоинств по сравнению с другими системами: это перекрытие сверхбольших пролетов 500 … 1500 м, высокая экономичность, возможность применения кабеля для монтажа балки жесткости без использования временных опор, что существенно сокращает трудоемкость и время строительства; разнообразность конструктивных форм, что определяет архитектурно-эстетические достоинства данных мостов, их современный вид, балка жесткости практически избавлена от работы на собственный вес и воспринимает только временную подвижную нагрузку, что обеспечивает высоту балки жесткости примерно в 10 раз меньше, чем у обычной балки или фермы.

Более широкому распространению висячих  мостов препятствует ряд их неотъемлемых недостатков, вытекающих из их достоинств: это малая вертикальная жесткость, малая горизонтальная жесткость, что является следствием существенного увеличения пролета при достаточно малой ширине мостов; повышенная чувствительность к динамической и ветровой нагрузкам, что вытекает из первых двух недостатков; значительный расход бетона на сооружение анкеров опор.

Несмотря на ряд недостатков  висячие мосты – это передовой  рубеж современного мостостроения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Эскизное  вариантное проектирование

 

1.1. Исходные  данные

 

В данном курсовом проекте необходимо запроектировать автодорожный висячий  мост через судоходную реку с  I классом водного пути. Это значит обязательное обеспечение низового и взводного габаритов шириной 140 и 140 м соответственно  и высотой 16,5м, также должна соблюдаться гарантированная глубина 3,5 м.

Мост рассчитывается под автомобильную  нагрузку А10 и НК-80 с габаритом  проезда Г-(9,0 + С + 9,0).

Заданное отверстие моста  м. Профиль мостового перехода приведен в задании на мостовой проект.

 

1.2. Разработка  вариантов моста

 

Задача проектирования висячего моста  значительно осложняется отсутствием  типовых решений для пролетных  решений для пролетных строений и опор. В связи с этим традиционное вариантное проектирование, приемлемое для большинства конструкций, требует особого подхода для этих мостов.

Общее направление вариантного  проектирования: необходимо для конкретных местных условий эскизно запроектировать  ряд висячих конструкций, определить их технико-экономические показатели и сделать сравнение составленных вариантов с выбором оптимального для детальной проработки.

Цель данного пункта: рассмотреть  как можно больше сочетаний разных вариантов. Для этого на миллиметровке  составляются 6 вариантов висячего моста разных схем в масштабе М 1: 2000. При составлении вариантов варьируют числом пролетов, длиной пролетов, геометрической схемой и типом пролетного строения. Поэтапно двигаясь от первого варианта к последнему необходимо учитывать все критерии и улучшать их от варианта к варианту.

В курсовом проекте эскизно запроектированы  шесть вариантов моста.

 

1-й вариант.

Схема мостового перехода 4х42+127х380х127+5х42 м. Полная длина моста  составляет 968 м.

Фактическое отверстие  моста определяется по формуле:

, (1.1)

где сумма всех длин пролетных строений, м;

       сумма ширин всех опор, м;

    ширина насыпей по фасаду, стесняющая отверстие моста, принимается равной 10м.

(м).

Отклонение фактического отверстия  от заданного определяется по формуле:

,  (1.2)

где заданное отверстие моста, м.

.

Возможное отклонение должно находиться в пределах –3%< <5%, то есть        –3%<2,4<5%.

Судоходные подмостовые  габариты перекрыты висячим пролетом м. В несудоходной части русла и на поймах применены сталежелезобетонные пролетные строения с м. Таким образом общее количество пролетов составляет  в данном варианте .

Достоинства: использование типовых  балок, небольшая длина висячего пролетного строения.

Недостатки: большое количество опор; работа балки  жесткости на изгиб со сжатием.

Во втором варианте необходимо будет  учесть недостатки первого, стараясь от них уйти.

 

2-й вариант.

Схема мостового перехода 42+(168+462+168)+42 м. Река перекрыта трех пролетным  висячим мостом повышенной жесткости. Фактическое отверстие моста L_ф=941м. Отклонение от заданного отверстия D=3,8 %.

Достоинства:  минимальное количество опор.

Недостатки: работа балки жесткости  на изгиб со сжатием, большие расходы  материала на ванты.

 

3-й вариант.

Схема мостового перехода (127+380+127)+4х84 м. Судоходная часть русла реки перекрыта трех пролетной висячей конструкцией повышенной жесткости. Фактическое отверстие моста L_ф=911 м. Отклонение от заданного отверстия D=0,6 %.

Достоинства: повышенная жесткость  конструкции, не большая высота пилонов, применение типовых пролетных строений, минимальное количество опор.

Недостатки: работа балки жесткости  на изгиб со сжатием .

 

Вантовые варианты мостового перехода:

 

4-й вариант.

Схема мостового перехода 4х84+(2х147)+4х84 м. Вантовая часть моста является трех пролетной с веерным расположением вант. Фактическое отверстие моста L_ф=893,3 м. Отклонение от заданного отверстия D= -1,3 %.

Достоинства: минимальные, симметричные пролеты вантовой части мостового  перехода, и, соответственно, минимальный  расход материалов на пилоны, балку жесткости и ванты.

Недостатки: большое количество опор, сложные условия пропуска льда, пилон  находятся в глубокой части русла.

 

 

5-й вариант.

Схема мостового перехода 3*63+(126+420+126)+2*63 м. Конструкция вантовой части трех пролетная двух пилонная. Фактическое отверстие моста L_ф=893,3 м. Отклонение от заданного отверстия D=0,8 %.

Достоинства: минимальное количество опор.

Недостатки: сложная форма пилонов, большие пролеты вантовой части  мостового перехода, и большой  расход материалов на пилоны, балку жесткости и ванты

 

 

6-й вариант.

Схема мостового перехода 2x105+(126+336+126)+105+63 м. Конструкция вантовой части трёхпролетная двухпилонная. Фактическое отверстие моста L_ф=896 м. Отклонение от заданного отверстия D=-0,9 %.

Достоинства: улучшенные условия судоходства и пропуска льда, два пилона в неглубокой части реки, минимальное количество опор.

Недостатки: большой расход на ванты  и пилоны.

Из шести рассмотренных вариантов  для дальнейшего проектирования необходимо выбрать три наиболее перспективных. Принимаем следующие варианты: 3-й висячий, как наиболее оптимальный из висячих по всем параметрам; 6-й вантовый, как имеющий минимальные пролеты; 1-й висячий, с поправкой, увеличить средний пролет и применить систему повышенной жесткости, а также за место ж б пролетов(42) применить пролеты по 63 м. Это уменьшит количество опор

2.2. Проектирование 1-го варианта (3-й висячий).

2.2.1. Выбор балки  жесткости.

 

Выбор типа балки жесткости заключается  в определении материала и  конструкции поперечного сечения. Учитывая большой главный пролет l=546 м и ширину проезжей части В=27 м, принимаем сталежелезобетонное пролетное строение, поперечное сечение которого представлено на рис. 2.1.

 

Рис. 2.1 Схема поперечного  сечения балки жесткости.

Плита проезжей части выполняется из бетона В50, армированного арматурой АII. Ориенторовочно принимаем t_плит=0.25 м; h_п,б=1,00 м; h_гл=3,20 м

 

2.2.2. Выбор типа  пилона.

 

Выбор типа пилона заключается  в определении материала, конфигурации и сечения его стоек. Учитывая то, что рамные конструкции чувствительны к различным перемещениям, принимаем железобетонный П-образный пилон (рис. 2.2), поперечное сечение стоек которого приведено на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Схема конструкции  пилона

Пилон выполняется из армированного  бетона В50.

2.2.3. Назначение генеральных размеров.

 

Стрела провисания кабеля определяется по формуле:

,   (1.3)

где величина главного пролета, м;

(м).

Высота  пилона определяется по формуле:

   (1.4)

Высота балки жесткости назначается  в соответствии с графиком (рис. 2.1,а) [2], по которому в зависимости от величины пролета принимаем  м.

Ширина  стойки пилона по фасаду моста:

  (1.5)

(м).

Стрела провисания кабеля в главном  пролете f = 38 м, в боковом пролете f₁ = 6 м. Высота пилона H_пл = 38 м, ширина стойки пилона по фасаду моста b_пл = 2 м. Высота балки жесткости h = 3,2м. Длина панели d = 10,5м.

2.2.4. Эскизное  проектирование проезжей части.

 

Эскизное проектирование проезжей части ставит своей целью  определение величины постоянной и  временной нагрузок, приходящихся на 1 м моста вдоль фасада.

 Сначала необходимо  расставить поперечные и продольные  балки, увязав их шаг с ранее принятым размером d и конструкцией балки жесткости (рис. 2.1).

 

Для перехода к интенсивности  расчетной постоянной нагрузки p следует ввести соответствующие коэффициенты:

                      р=g_f1p_дп^н+1,1g_fр_бж^н.                                                                      (1.6)   

В курсовом проекте постоянная нагрузка заданна  р=402 (кН/м). Находим временную  нагрузку.        

  

 

 

Схема загружения линии влияни давления полосовой нагрузкой для балки  жесткости

Для нахождения наиболее опасного, для главной балки,  положения временной нагрузи, строим линию влияния давления для крайней главной балки. Находим коэффициент k – для трех загружений (от полосовой нагрузки, тележек и НК – 80)

k = SS_i × y_i, где

S_i – коэффициент полостности;

y_i – ордината линии влияния

рис. 2.3

 

 

k^v_бж = 1×0,777+0,6×(0,610+0,110)=1,21    (1.7)

k^т_бж = 0,777+0,610+0,110=1,497     (1.8)

k^нк_ж = 1×0,886=0,886      (1.9)

 

Схема загружения линии влияни давления полосовой нагрузкой для кабеля и подвесок

 

k^v_к = 1×0,807+0,6×(0,698+0,352+0,244)=1,64    (1.10)

k^т_к= 0,807+0,698+0,352+0,24=2,178     (1.11)

k^нк = 1×0,860=0,860        (1.12)

 

Определение интенсивности временной  вертикальной нормативной v^н и расчетной v нагрузок производится по формулам:

Для автомобильной нагрузки АК:                 

      v^н=0.98К×k^v +v_т^н ×k^т       (1.13) 

     v=0,98×К ×k^v ×g_fv×(1+m)+ v_т^н ×k^т×g_fvт×(1+m),                            (1.14)

где v^н – нагрузка от полосы АК, кН/м; v^н = 0,98K;

v^н_т – эквивалентная нагрузка от тележки, принимаемая кН/м;

K – класс нагрузки АК;

g_fv, g_fvт – коэффициенты надежности по нагрузке соответственно для полос АК и тележки; -коэффициент надежности к временной нагрузке АК;

динамический коэффициент, определяемый по формуле (1.20).

                      .

Для нагрузки АК:

(кН/м);

(кН/м);

Для тяжелой нагрузки НК-80:

;     (1.15)

.    (1.16)

где  эквивалентная нагрузка от тележки, весом 19.62К, принимаемая по приближенной формуле из приложения 6[1], кН/м;

нагрузка от полосы АК, кН/м;

коэффициенты надежности по нагрузке для полосы АК и тележки [1, п. 2.23];

число загруженных полос;

эквивалентная нагрузка, вычисленная  по формуле прил. 6 [1], кН/м;

 

(кН/м);

(кН/м).

 

 

Результаты расчетов сведены в  таб. 2.2.

 

 

 

 

 

 

Таб. 2.2

Определение нагрузок

 

Элемент	проверка	длина загружения  l	постоянная p	Коэфф.попер устан. kv/ kт	временная Vj
Кабель	прочность	380	402	1,64/2,178	21,30
	жесткость	380	- // -	1,64/2,178	18,45
Пилон	прочность	380	402	1,64/2,178	21,30
Подвеска	прочн.  АК	21	402	1,64/2,178	62,58
	проч НК	21	402	0,86	93,1
Балка жестк	жесткость	190	402	1,21/1,497	17,038

 

2.2.5. Определение  размеров поперечных сечений  основных несущих элементов.

 

Площадь поперечного сечения кабеля A_к определяют исходя из условий прочности и жесткости.

Из условия прочности:

                     А_к^п=N_к/R_к,                                                                                        (1.17)    

где R_к – расчетное сопротивление канатов;

N_к – усилие в оттяжке кабеля, определяемое по формуле:

        N_к=Н/cosa,                                                                                      (1.18) 

H – величина распора, находимая как

        H=(p+v)×l²/8f .                                                                                  (1.19)   

Из условия жесткости:

A_к^ж=(3×v^н×l³×L)/(128×E_к×[D]×f²),                                                                 (1.20)

где L – полная длина кабеля, вычисляемая по формуле:

                     L=l×(1+8×f²/3l²)+2L₀,                                                                         (1.21)

L₀ – длина оттяжек.

кПа – модуль упругости закрытого  кабеля:

максимально допускаемый прогиб, м;

     (1.22)

(м);

 

Из двух полученных значений и выбирается наибольшее.

                     H=423,3×380²/8*38= 201067,5 (кН),

                     N_к=201067,5 /cos21°=215372,4 (кН),

                     A_к^п= 215372,4/500/10⁶=0,43 (м²).

                     L=380(1+8×38²/3/380²)+2×174=738,1  (м),

                     A_к^ж=(3×15,78×380³×738,1)/(128×206000×0,95×38²)=0,53 (м²).

Окончательно принимаем большее A_к = 0,53 м².

Площадь поперечного сечения подвесок A_пд определяется из условия, что усилие от постоянной и временной нагрузок с одной панели d приходится на одну подвеску по формуле:

                     А_пд=(p+v)*d/R_пд,                                                                                   (1.23)   

где R_пд = R_к, если подвески выполнены из канатов.

                     А_пд=423,3×10,5/500=0,0088 (м²).

Площадь поперечного сечения пилона A_пл определяется через усилие N_пл, найденное из равновесия верхнего узла пилона:

                    N_пл=Н*(tga+tga₁),                                                                         (1.24) тогда

                     A_пл=N_пл/(j×R_пл),                                                                                   (1.25) где R_пл = R_b, j = 0,8¼0,9, если пилон железобетонный;

a₁ – угол наклона кабеля.

                     N_пл= 201067,5 ×(tg21+tg29)=188636,1 (кН),

                     A_пл=  188636,1 /0,85/25=8,87 (м²).

Изгибная жесткость балки EI_б назначается из условия обеспечения жесткости при загружении половины пролета временной нагрузкой:

I_б≥(5×v^н×l⁴)/(384×32[D]×Е_б).                                                            (1.26) I_б≥(5×15,78×380⁴)/(384×32×0,95×500)=2,82 (м⁴),

                     12,25 м⁴ > 2,82 м⁴ – условие выполняется.

2.2.6. Определение  расхода материалов и стоимости  варианта 1.

 

Определение расхода материалов по найденным ранее размерам и площадям удобно представить в табличной  форме (Таблица 2.3).

Таблица 2.3.

Определение расхода материалов.

Наименование элемента	Единица измерения	Поперечное сечение элемента, м2	Длина элемента, м	Общий объем элемента
Кабель	Т	0,53	1476	782,3
Пилон	м3	8,87	38,0	337,1
Подвески	Т	0,0088	3027	27
Балка жесткости: Жб. Плита Балочная клетка	м3 т	6,75 0,222	798 798	5386,5 1364,1
Дорожное полотно	м2	27	986	26622

 

Объем опор и фундаментов определяется после расчета по прочности основания. Усилие в опоре, находящейся под  пилоном, рассчитывается исходя из найденного ранее усилия в пилоне N_пл. Расчет количества свай производят по формулам[3]:

                     n_св³N_ф/N_нес,                                                                                   (1.27)      

где N_нес – несущая способность одной сваи;

N_ф – усилие, приходящееся на подошву ростверка, определяемое как

                     N_ф=1,3×(g_fg×(R_g+G_оп+G_ф)+g_fv×R_v),                                           (1.28)

R_g– опорная реакция от постоянной нагрузки левого и правого пролетов;

G_оп, G_ф – вес опоры и фундамента;

R_v – опорная реакция от временной нагрузки.

Для опор под пилонами:

                     N_ф=1,3*(1,1*(64448/4+102320/4+19274)+8724,8)=114750 (кН),

несущая способность одной  сваи-оболочки Æ =1,6 м равна N_нес=7500 (кН),

                     n_св³114750/7500»16 (сваи),

Стоимость варианта рассчитывается по элементам мостового перехода и  представлена в табличной форме  в таблице 2.4.

 

Таблица 2.4.

Определение стоимости варианта.

Наименование	Единицы измерения	Единичная расценка, руб.	Общий объем	Общая стоимость, руб.
Канаты закрытого типа	т	1800	10643,4	19158120
Канаты открытого типа	т	1600	28	44800
Сталь низколегированная	т	850	1264,1	1074400
Железобетон (B40¼B50)	м3	550	25335,2	13934360
Бетон (B20¼B30)	м3	100	12541,2	1254120
Сваи-оболочки	м3	450	1907,55	858397,5
Дорожное покрытие	м2	60	26622	1592760
Общая стоимость варианта				36624198,1

2.3. Проектирование 2-го варианта (6-й вантовый).

 

Проектирование 2-го варианта проводим аналогично проектированию 1-го варианта, по тем же формулам и методикам  расчета.

2.3.1. Выбор балки жесткости.

 

Принимая во внимание относительно небольшую величину главного пролета  l=336 м, а так же значительное сжимающее усилие от вантов, в качестве балки

жесткости применим железобетонную коробчатую конструкцию (рис. 2.3).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.4. Схема попересного сечения балки жесткости.

Толщину верхней плиты принимаем 0,25 м, толщину  нижней плиты принимаем 0,25 м, толщину  стенок 0,2 м.

2.3.2. Выбор типа пилона.

 

Принимаем бетонный П-образный пилон,  конструкция которого приведена  на рис. 2.4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.5 Конструктивная схема пилона.

2.3.3. Назначение  генеральных размеров.

 

Руководствуясь указаниями[1] принимаем:

высота пилона H_пл = 68 м, ширина стойки пилона по фасаду моста b_пл=3 м; высота балки жесткости h = 2,7м; длина панели d = 10,5м.

 2.3.4. Эскизное проектирование проезжей части.

 

В курсовом проекте постоянная нагрузка заданна  р=721 (кН/м). Находим временную  нагрузку.        

 

Схема загружения линии влияни давления полосовой нагрузкой для балки  жесткости

Для нахождения наиболее опасного, для главной балки,  положения временной нагрузи, строим линию влияния давления для балки жесткости. Находим коэффициент k – для трех загружений (от полосовой нагрузки, тележек и НК – 80)

k = SS_i × y_i, где

S_i – коэффициент полостности;

y_i – ордината линии влияния

 

 

 

 

рис. 2.3

k^v_бж = 1×1+0,6×(1+1+1)=2,8                       (2.1)   

k^т_бж = 1+1+1+1=4    (2.2) 

k^нк_ж = 1×1=1     (2.3) 

 

Схема загружения линии влияни давления полосовой нагрузкой для вант и пилона

 

k^v_к = 1×0,807+0,6×(0,698+0,352+0,244)=1,64                 (2.4)  

k^т_к= 0,807+0,698+0,352+0,24=2,178    (2.5) 

k^нк = 1×0,860=0,860       (2.6)  

 

Определение интенсивности временной  вертикальной нормативной v^н и расчетной v нагрузок производится по формулам:

Для автомобильной нагрузки АК: