9.3. Види вантових мостів, особливості їх конструкції і область застосування

Вантовими називають мости (рис. 9.15), основними елементами пролітних будов яких є похилі прямолінійні ванти 2, що підвішують балки жорсткості 1 до пілонів 3.

Похилі ванти кріпляться до пілонів і підтримують балку жорсткості, будучи для неї пружними опорами. Особливу роль грають крайні ванти 4, що з’єднують верх пілона з нерухомою крапкою. Вони перешкоджають горизонтальним переміщенням верху пілона при дії тимчасових навантажень і забезпечують системі велику жорсткість у вертикальній площині. Ванти працюють тільки на розтягування, пілони – в основному на стиску, балка жорсткості – на згин і на дію горизонтальних зусиль, що становлять, у вантах. Балка жорсткості підтримується вантами в багатьох місцях і працює як би на пружній основі, в ній не виникають значні згинальні моменти, тому вона може мати невелику висоту. Вона може спиратися і на пілони, в цьому випадку в зоні того, що спирається виникають значні негативні моменти. Щоб їх уникнути, останнім часом почали відмовлятися від того, що спирається на пілони, передаючи вагу балки жорсткості і тимчасового навантаження на пілони тільки через ванти.

Рис. 9.15. Елементи вантового моста: 1 - балка жорсткості; 2 - ванта; 3 - пілон; 4 - крайня ванта

Вантові мости із залізобетонними балками жорсткості і пілонами почали застосовувати недавно. Перший з них був побудований у Венесуелі через оз. Маракайбо в 1962 р., другий, – через гавань р. Дніпро в Києві в 1963 р. До теперішнього часу в світі існує не більше 50 вантових залізобетонних мостів, але вони мають значні перспективи розвитку. Вони дозволяють перекривати прольоти 350... 600 м. Їх зазвичай зводять на перетині глибоких річок, морських заток або проток, в гирлі річок, де споруда опор складна і тому дорого. В даний час в залізобетонних вантових мостах рекордний проліт 440 м досягнуть в мосту, побудованому в 1983 р. в Іспанії (міст Барріос де Місяць).

Вантовим мостам властиві привабливі архітектурні форми, тому їх часто будують в містах.

Схеми вантових мостів розрізняють залежно від кількості пілонів, системи і кількості площин вант. При одному пілоне (рис. 9.16, а) ванти розташовані відносно його несиметрично, до балки жорсткості в основному прольоті кріпляться під різними кутами, зокрема малими. Це вимагає різних конструктивних вирішень вузлів їх кріплення, що нетехнологічно, а наявність малих кутів прикріплення приводить до виникнення у вантах великих зусиль і зниження жорсткості пролітної будови. Проте схема з одним пілоном виявляється прийнятною в міських умовах по архітектурних міркуваннях, оскільки може вписатися в ансамбль місцевості і споруд міста біля річки. У великому прольоті такого моста можуть бути встановлені звичайні опори, при цьому найближчу до вантів (див. рис. 9.16, а) розміщують на відстані а1 = (1... 2) а, де а – відстань між точками кріплення двох найбільш віддалених від пілона вант.

Рис. 9.16. Вантові мости з одним (а, б) і двома (в) пілонами

Пілон вантового моста може бути нахилений до вертикалі (рис. 9.16, б) під кутом в = 10...20". Крім архітектурного ефекту це дозволяє передати на пілон частину горизонтального зусилля від вант основного прольоту. У однопілонних мостах крайні ванти можна кріпити до засад. В цьому випадку балка жорсткості упирається в одну із засад, передаючи на нього горизонтальне зусилля (див. рис. 9.16, б).

Вантові мости з двома пілонами (рис. 9.16, в), крайні ванти яких закріплені до торців балки жорсткості, працюють як системи із сприйманим розпором в балці жорсткості. У них на пілони від вант передаються в основному вертикальні зусилля, оскільки їх ванти розташовані симетрично щодо пілонів. Кути нахилу вант у них приймають не менше 30°, щоб в них не виникали значні зусилля і деформації. Балка жорсткості в цих мостах може підтримуватися у великому числі крапок, що сприятливо для її роботи.

Відстані а між точками кріплення вант до балки жорсткості змінюються в широких межах: від 5...10 до 50...60 м. Залежно від цього змінюється висота балки жорсткості. Її приймають зазвичай постійною по всій довжині і рівною (1/15... 1/20) а.

У вантових мостах застосовують різноманітні системи розташування вант, їх «малюнки». Найчастіше застосовують дві системи вант: «пучок» і «арфа». У системі «пучок» (рис. 9.17, а) ванти сходяться у верхній частині пілона в одній горизонтальній площині. При великому їх числі це ускладнює вузол кріплення їх до пілону. У цій системі ванти мають різні кути кріплення до балки жорсткості, середні ванти більше нахилені до неї, що сприяє зменшенню зусиль, що виникають в них. За наявності в цій системі крайніх опорних вант в пілонах не виникають згинальні моменти, вони працюють тільки на стиску. У системі «арфа» (рис. 9.17, б) ванти кріпляться до пілону в декількох рівнях і мають однаковий нахил до балки жорсткості. Вузли кріплення вант до балки жорсткості і до пілону в ній однотипні. При великому числі вант ця система дозволяє уніфікувати вузли кріплення вант до балки жорсткості і до пілону, уніфікувати елементи балки жорсткості і ефективно використовувати можливості їх індустріального виготовлення і будівництва. Проте при односторонньому завантаженні основного прольоту пілон інтенсивно працює на згин від горизонтальних зусиль, що становлять, у вантах.

би

Рис. 9.17. Схеми розташування вант в мостах: а – «пучок»; б – «арфа»

У поперечному перетині пролітної будови ванти розташовують в одній або в двох площинах. У широких мостах можливо і більша кількість їх площин. Кількість площин вант і число вант в одній площині роблять істотний вплив на архітектурні достоїнства моста, на роботу і конструкцію балки жорсткості і пілонів.

При розташуванні вант в двох площинах використовують П-подібні, А-подібні і двустійкові пілони (рис. 9.18, а, би, в), проїжджаючи частина розміщується між ними, а тротуари виносяться на консолі за площини вант. При використанні А-подібних пілонів ванти розташовують в двох похилих площинах, а при П-подібних – в двох вертикальних площинах. Дві площини вант дозволяють розосередити і зменшити зусилля в балці жорсткості і у вантах, забезпечити сприятливі умови роботи балки жорсткості при несиметричному її завантаженні щодо подовжньої осі. При двох площинах вант балка жорсткості може мати невелику жорсткість на кручення і бути виконана з плиткових або ребристих елементів.

Рис. 9.18. Конструктивні форми пілонів з двома (а – в) і одній (г–е) площинами вант:

1 – балка жорсткості; 2 – площина розташування вант

При розташуванні вант в одній площині використовують Одностійкові (рис. 9.18, г) або А-подібні (рис. 9.18, д, е) пілони. Одностійкові пілони і ванти в цьому випадку розміщують в межах ширини розділової смуги між проїжджими частинами двох напрямів руху. Одностійкові пілони вимагають менше матеріалу і простіше у виготовленні, але вузол їх перетину з балкою жорсткості складний: пілон необхідно пропустити через балку жорсткості із збереженням її здатності, що несе, в зоні ослаблення. Пілони А-подібної форми (див. рис. 9.18, д, е) складніше у виготовленні, але забезпечують вільний пропуск балки жорсткості між його стійками, володіють більшою жорсткістю в поперечному напрямі.

Балка жорсткості при одній площині вант при несиметричному її завантаженні працює не тільки на згин, але і на кручення і повинна мати значну жорсткість при крученні.

Висоту пілонів вантових мостів приймають з умови, щоб кут нахилу найбільш видаленої ванти був не менший 30°.

Конструкції елементів вантових мостів. Конструкція балок жорсткості в основному залежить від ширини проїзної частини, числа площин вант, відстані між точками закріплення вант і трохи від величини основного прольоту. При збільшенні числа вант в одній площині відкривається можливість виконання балок жорсткості навіть з простих уніфікованих елементів, вживаних в простих балочних мостах. При двох площинах вант залежно від ширини проїзної частини і числа вант в одній площині балки жорсткості можуть бути плитковими, ребристими і коробчатими.

Плиткові балки жорсткості вантових пішохідних мостів можуть бути виконані з уніфікованих пустотних плиткових блоків, якщо відстань між точками кріплення вант не перевищує 15.18 м, а ширина проїзної частини не більше 8 м. Блоки в плиті жорсткості об'єднуються в поперечному напрямі стиками шпон, а в подовжньому – монолітними поперечними балками. Поперечні балки сприймають момент, що також згинає, діє в поперечному напрямі; їх використовують і для прикріплення плити жорсткості до вантів.

Із зростанням головного прольоту майже лінійно росте та, що стискає балку жорсткості нормальна сила. Для її сприйняття доводиться виконувати балку жорсткості з більшою висотою. При відстанях між точками кріплення вант 15.30 м балку жорсткості можна формувати з уніфікованих двотаврових балок, об'єднуючи їх в місцях кріплення вант поперечними монолітними балками – діафрагмами, здатними сприймати момент, що згинає, в поперечному напрямі, сприймати зусилля від вант в похилій площині і передавати їх на подовжні балки, складові балку жорсткості.

При тих же відстанях між точками кріплення вант знайшли застосування балки жорсткості, складені з двох широко розставлених П-подібних балок, по яких укладають поперечні балки проїзної частини. Крайні балки розміщуються в площинах вант, мають поперечні діафрагми, до яких кріпляться ванти. Така конструкція балки жорсткості була вперше застосована у вантовом мосту через гавань р. Дніпро в Києві.

При ширині проїзної частини більше 12 м доцільне застосування балок жорсткості коробчатого перетину, що мають значну жорсткість при крученні. При одноплощинній системі вант тільки коробчата форма перетину балки жорсткості може надійно чинити опір згину і крученню. Коробчаті балки мають велику жорсткість при згині і крученні, однаково добре пристосовані до сприйняття як позитивних, так і негативних моментів, володіють хорошими аеродинамічними параметрами, мають привабливий вигляд, зручні при транспортуванні і монтажі.