Проектирование и строительство висячих мостов в сейсмически опасных районах

Введение

Висячий мост - мост, в котором основная несущая конструкция выполнена из гибких элементов (кабелей, канатов, цепей и др.), работающих на растяжение, а проезжая часть подвешена. Работа висячих конструкций на растяжение позволяет полностью использовать механические свойства высокопрочных материалов (стальной проволоки, капроновых нитей и др.), а незначительный вес их даёт возможность перекрывать сооружения с наибольшими пролётами.
Актуальность темы реферата заключается в том, что значительная часть строительства приходится на сейсмически опасные районы, охватывающие более 20% территории страны и расположенные на Дальнем Востоке, Кавказе, Сибири и других регионах. При землетрясении повреждение крупного дорожного сооружения определяет срок восстановительных работ по всему направлению, затрудняет оказание помощи пострадавшему району, дестабилизирует работу промышленности. В связи с этим к транспортным сооружениям, прежде всего к висячим мостам, предъявляются дополнительные требования к их сейсмостойкости.
Цель работы – более полное изучение проектирования и строительства висячих мостов в сейсмически опасных районах.
Для достижения поставленной цели необходимо решить несколько задач: рассмотреть конструкции висячих мостов, их достоинства и недостатки, основную концепцию сейсмоизоляции, влияние сейсмических нагрузок на висячие мосты, а также принципиальные особенности моделирования расчетных акселерограмм для оценки сейсмостойкости вантовых мостов больших пролетов и другие моменты.
Структура реферата включает в себя несколько частей: введение, основную часть (две главы), заключение и библиографический список, состоящий из пяти источников литературы.
1. Висячие мосты
1.1 Конструкции висячих мостов
Висячие мосты, в которых балка жесткости поддержана свободно провисающим канатом (кабелем, цепью) известно очень давно. Но в современном виде эта конструкция впервые появилась в Америке.
В 1801 году в штате Пенсильвания мировой судья Джеймс Финлей (James Finley) построил первый, подвешенный на железных цепях мост, с пролетом 21 м, в 1808 году он получил на свою систему патент, а в 1810 году опубликовал работу «Описание патента цепного моста».
Первые висячие мосты в Европе были построены в России в Петербурге. Французский инженер П. П. Базен в 1823 г. построил пешеходный мост с пролетом 15.25 м в Екатерингофском парке.
Висячим мостом называется такой мост, основная конструкция несущего типа которого выполняется из элементов гибкого типа. Такими элементами могут быть канаты, кабели, всевозможные цепи и другие подобные элементы. Данные элементы выполняют так называемые растягивающие работы. А часть моста, которая является проезжей, соответственно подвешена на данных гибких элементах.
Использование мостов висячего типа часто связано с невозможностью установить мост на опорные столбы. Это может представлять опасность, например, там, где прослеживается частое хождение судов. Так же популярность висячих мостов обуславливается тем, что саму часть, которая является проезжей, можно выполнить достаточно длинной.
Сам вид висячих мостов представляет собой довольно стильную конструкцию, которая выглядит монументально и достойно. Ярким примером висячего моста является самый красивый и знаменитый мост Америки, который носит гармоничное название «Золотые Ворота».
Конструктивно висячий мост выглядит следующим образом (Рисунок 1.1). На специальные сооружения, или как их называют пилоны, которые расположены по берегам, подвешиваются тросы, которые представляют собой основные элементы для конструкции.1
Рисунок 1.1 – Конструкция висячего моста
Уже к данным несущим тросам происходит подвешивания балок, которые имеют вертикальное положение. Данные части моста предназначены для крепления к ним полотна, которое становится проезжей частью моста. Тросы, которые являются основными, не прекращаются на пилонах, а продолжаются вплоть до самого берега, где укрепляются на уровне земли.
Под действием сил тяжести висячий мост может изменять свои конструктивные качества, именно поэтому в настоящее время такие мосты стали укреплять посредством прокладывания по дорожному полотну дополнительных усиливающих элементов. Данное укрепление производится за счет уложенных продольно специальных балок и так называемых ферм, которые призваны для распределения нагрузки на мост. Таким образом, конструкция моста остается неподвижной, что гарантирует безопасность и ее устойчивость.
1.2 Достоинства и недостатки
Основной пролёт можно сделать очень длинным при минимальном количестве материала. Поэтому использование такой конструкции очень эффективно при строительстве мостов через широкие ущелья и водные преграды. В современных висячих мостах широко применяют проволочные кабели и канаты из высокопрочной стали, что существенно снижает собственный вес моста.
Висячие мосты могут быть построены высоко над водой, что обеспечивает прохождение под ними даже высоких судов. Отсутствует необходимость ставить промежуточные опоры, что даёт большие преимущества, например, в случае горных разломов или рек с сильным течением. Будучи относительно податливыми, висячие мосты могут, без ущерба для целостности конструкции, изгибаться под действием сильного ветра или сейсмических нагрузок, тогда как более жёсткие мосты нужно строить более крепкими и тяжёлыми.2
Из-за недостаточной жёсткости моста может потребоваться перекрытие движения при штормовых погодных условиях. Прогибы моста в ответ на сосредоточенную нагрузку делают висячие мосты неприменимыми для железных дорог, так как в этом случае роль сосредоточенной нагрузки будет выполнять локомотив. Под действием сильного ветра опоры подвергаются действию большого крутящего момента, поэтому для них требуется хороший фундамент, особенно при слабых грунтах.
Сейчас мы твердо знаем что такое висячий мост, каковы его достоинства и недостатки, какова его структура конструкции и ее схемы и многое другое. Однако раньше люди не могли дать ответ на многие вопросы, мосты не были так хорошо изучены, поэтому случались разрушения. Такой горький опыт заставил людей детально изучить свойства висячих конструкций.
2. Проектирование и строительство висячих мостов в сейсмически опасных районах
2.1 Основная концепция сейсмоизоляции
Землетрясение представляет собой кинематическое, а не силовое воздействие на сооружения

. И нерционные силы, которые на практике используются при расчётах на сейсмические воздействия, являются фиктивными и на самом деле не существуют. Сейсмическое воздействие представляет собой перемещения фундаментов и опор сооружений. При сильных землетрясениях в сооружение поступает большое количество энергии, которая может деформировать и даже разрушить отдельные элементы или всё сооружение. Для того, чтобы сооружение осталось неповреждённым при таких воздействиях, необходимо, чтобы поступившая в сооружение энергия была рассеяна либо за счёт конструкционного рассеяния энергии в материале сооружения, либо вследствие неупругих деформаций.
В последние годы в различных странах, расположенных в зонах повышенной сейсмической активности, вы полнено большое количество исследований: для оценки поступающей в сооружения энергии при землетрясениях, для выбора материалов и конструкций, позволяющих рассеивать поступившую в сооружение энергию, ну и, конечно, исследований в области разработки устройств, уменьшающих поступление энергии в сооружения.
Висячие мосты, и в особенности большепролетные, являются уязвимыми при воздействии землетрясений по двум основным причинам: во-первых, они обладают малым демпфированием, обычно менее 5% от критического, и, во-вторых, диапазон собственных частот многих висячих мостов лежит в области доминирующих частот сейсмических воздействий.3
Анализ воздействий разрушительных землетрясений последних десятилетий прошлого столетия во многих странах привёл к том у, что были пересмотрены базовые концепции расчёта висячих мостов на сейсмостойкость.
Сейсмоизолирующие системы всегда описываются нелинейными зависимостям и даже, можно сказать, существенно нелинейными. На предварительном этапе расчёта для вы бора сейсмоизолирующих систем используются статические расчёты с эффективны м и эквивалентным и характеристикам и устройств. Окончательный расчёт выполняется с использованием нелинейных характеристик. Расчёт сооружений с учётом нелинейного и пластического поведения материала требует использования более сложных механико-математических моделей и более высокой квалификации проектировщиков. Разработанные в последние годы программные комплексы позволяют решать эти непростые задачи.
2.2 Влияние сейсмических нагрузок на висячие мосты
Расчет висячих мостов с учетом сейсмических нагрузок следует выполнять на прочность и устойчивость несущих конструкций, а также по несущей способности грунтовых оснований фундаментов мостовых опор и по предельным относительным линейным и угловым перемещениям в плане смежных секций моста, разделенных деформационным швом.
При разработке мер антисейсмической защиты висячих мостов следует учитывать постоянные нагрузки (воздействия), нагрузки от подвижного состава, включая силы торможения, силы трения в подвижных опорных частях и сейсмические нагрузки. Расчет висячих мостов с учетом сейсмического воздействия следует выполнять как при наличии подвижного состава, так и при отсутствии его на мосту.
Для обеспечения устойчивости вантовых и висячих мостов от сейсмической нагрузки необходимо выполнять следующие работы и условия:
1. обеспечение устойчивости закрепления анкерных кабелей в висячих мостах.
2. вертикальное перемещение балки жесткости должно быть соизмеримо с линейными деформациями кабеля. Выполнить это условие можно при правильном подборе подвесок.
3. пилоны должны быть устойчивыми и равнопрочными к действию сжимающих нагрузок.
От сейсмических нагрузок имеются изгибные деформации. Уравнение правильной квадратной параболы имеет вид:
y = (l-x), (2.1)
Взяв производную, получается уравнение поперечной силы:
(l-2x) = , (2.2)
Угол схода кабеля с пилоном равен углу входа кабеля на пилон.
Ш. Окамото утверждал, что все элементы могут работать по-разному во время землетрясения. Это приводит к разболчиванию или срезу болтовых связей с балкой жесткости.
Самы4м опасным при сейсмических нагрузках является потеря устойчивости анкерных приспособлений и сброс пролетного строения.
Благодаря Окамото появились новые приспособления, которые вошли в систему сейсмогашения и сейсмоизоляции.
Сегодня мы имеем следующие жесткие правила:
• установка пролетного строения только на подвижные опорные части;
• объединение смежных пролетных строений жесткими или шарнирными связями;
• использование тормозных поясков − это дополнительные элементы, которые устанавливаются в горизонтальной плоскости и являются демпферами на все виды колебательного процесса.
Сейсмогашение.
Основным показателем является демфирование.
Считается, что нижние горизонтальные связи испытывают только горизонтальные колебания, а поперечные − вертикальные.
Необходимо в определенной степени обменяться колебательными системами. Сделать это можно, изменив угол наклона связей.
Использование этого решения имеет особенности:
1. появляется возможность заставить работать элементы в упруго-пластической стадии, т. е. расширить диапазон использования прочностных характеристик материала;
2. использование эффекта трения в демпфировании, для этого необходимо ослабить болты. Затягивают их на 87 %, а Окамото рекомендует затягивать их на 67 %.
Гасители могут быть:
• механические;
• электрические;
• гидравлические.
Самыми эффективными при гашении сейсмики являются гидравлические гасители, т. к. сама жидкость является демпфером.
Сейсмоизоляция.
1. Устройство только подвижных опорных частей.
2. Использование выключающихся связей.
Выключающимися связями могут быть обычные болты, крепления опорных частей (заклепка).
2.3 Принципиальные особенности моделирования расчетных акселерограмм для оценки сейсмостойкости вантовых мостов больших пролетов
В настоящее время в России начато проектирование ряда больших мостов, в том числе двух вантовых мостов через бухту Золотой Рог во Владивостоке и через пролив Восточный Босфор на остров Русский. Эти мосты расположены в сейсмически опасных районах с относительно невысокой сейсмичностью.
Рассматриваемые мосты имеют ряд принципиальных особенностей сейсмических колебаний, которые нельзя учесть в рамках действующих СНиП