ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАСЧЕТА КОНСТРУКЦИЙ ЭСТАКАД МОНОРЕЛЬСОВЫХ ДОРОГ
Конструкции эстакад рассчитывают с учетом постоянных и временных нагрузок, действующих на них.
К постоянным нагрузкам относятся: собственный вес конструкции, постоянно действующее давление грунта, усилия от осадки грунта, гидростатическое давление, усадка бетона и воздействие от предварительного напряжения арматуры в бетоне.
Определение постоянных нагрузок, действующих на эстакаду монорельсовой дороги, и усилий, возникающих от этих нагрузок, производится так же, как и для железнодорожных и автодорожных мостов в соответствии с требованиями строительных норм и правил, а также технических условий на проектирование мостов.
К временным нагрузкам основного воздействия относятся: подвижная нагрузка от давления тяговых и направляющих колес вагонов, горизонтальная продольная нагрузка, возникающая при торможении или разгоне вагона, и динамическая нагрузка.
К временным нагрузкам неосновного воздействия следует отнести усилия, возникающие вследствие изменения температуры, силу трения в подвижных опорных частях, горизонтальную ветровую нагрузку (поперечную и продольную), сейсмическую нагрузку и строительную нагрузку.
В связи с тем, что условия движения вагонов по монорельсовой дороге принципиально отличаются от условий движения других видов транспорта, для определения временной подвижной нагрузки требуются специальные методы расчета, отличные от методов расчета железнодорожных и автодорожных мостов.
Усилия, возникающие от остальных временных нагрузок, определяются согласно существующим нормам за исключением ветровой нагрузки, которая для монорельсовых дорог, проходящих в городских условиях или лесной местности, может быть уменьшена и приниматься такой же, как для промышленных сооружений.
Динамическая нагрузка, зависящая от скорости движения, типа подвижного состава и расчетной длины конструктивного элемента, учитывается динамическим коэффициентом μ, вводимым в виде условного множителя 1 + μ перед временными вертикальной и поперечной нагрузками. Значение динамического коэффициента определяется экспериментальным путем. Надо полагать, что динамический коэффициент на монорельсовой дороге будет не меньше, чем на железнодорожном транспорте. До получения экспериментальных данных при ориентировочных расчетах балок, ригелей и опор можно пользоваться теми же формулами определения динамического коэффициента, что и для железнодорожных мостов. При длине пролетов 20—30 м динамический коэффициент равен 1,2—1,3.
Большее влияние, чем в железнодорожных и автодорожных мостах, при расчете конструкций опорных частей ригелей и опор монорельсовой дороги имеет горизонтальная продольная сила, возникающая в случае экстренного торможения. Наличие пневматических шин позволяет осуществить экстренное торможение с замедлением 3—5 м/сек2, в результате чего в опорных частях возникают большие срезающие усилия, а в ригелях и опорах — значительные крутящие моменты. Особенно большие крутящие моменты возникают в Т-образных опорах двухпутной монорельсовой дороги при одновременном торможении двух встречных поездов, следующих по балкам соответствующего направления.
Коэффициенты перегрузки для постоянных и временных нагрузок можно принимать также в соответствии с техническими условиями проектирования железнодорожных и автодорожных мостов и строительных норм и правил на мосты и трубы за исключением коэффициента перегрузки на опрокидывание, который для монорельсовых дорог значительно выше.
В зависимости от принимаемой расчетной схемы эстакады от всех перечисленных выше нагрузок определяют усилия, возникающие в элементах конструкции, рассчитывают ее размеры, количество арматуры, металла, бетона и т. п.
Расчет несущих конструкций и оснований эстакад монорельсовых дорог производится по трем предельным состояниям.
По первому предельному состоянию рассчитывают на прочность, устойчивость и усталость. Расчет на прочность ведется с применением коэффициента перегрузки для нормативных нагрузок, коэффициента однородности для нормативных сопротивлений, коэффициента условий работы и динамического коэффициента для временных подвижных нагрузок. Расчеты на усталость проводятся без учета коэффициента перегрузки. При расчете на устойчивость положения динамический коэффициент не учитывают.
Для расчета по первому предельному состоянию, так же как и для мостов, можно пользоваться следующими формулами:
где Ν — расчетная нагрузка (сила, момент);
F — геометрическая характеристика сечения (площадь, момент сопротивления);
R — расчетное сопротивление;
φ — коэффициент продольного изгиба;
r — коэффициент расчетного сопротивления усталости.
Расчет по второму предельному состоянию производится для балок по величине вертикального прогиба.
Третье предельное состояние определяется по появлению трещин в железобетонных элементах конструкций.
В расчетах по второму и третьему предельным состояниям не учитывается коэффициент перегрузки и динамический коэффициент. При расчетах во внимание должны приниматься нагрузки, возникающие в наиболее невыгодных положениях подвижного- состава.
Коэффициент перегрузки учитывает возможные отступления от нормальных. Нормативные сопротивления материалов и грунтов устанавливаются на основе данных, проверенных испытаниями.
Коэффициент однородности учитывает возможность уменьшения сопротивлений материалов и грунтов по сравнению с нормативными данными.
Коэффициент условий работы учитывает возможные отступления действительной конструкции от запроектированной в пределах установленных допусков, а также условность произведенных в отдельных случаях расчетов по упрощенным схемам.
Расчеты по второму и третьему предельным состояниям производятся путем сравнения деформаций с соответствующими величинами, допускаемыми по техническим условиям.
С целью уменьшения веса балок и расхода железобетона на прямых участках балки можно изготовлять пустотелыми. Простая двутавровая балка из железобетона в эстакадах построенных монорельсовых дорог не применялась из-за ее недостаточного момента сопротивления кручению. Для увеличения момента сопротивления кручению необходимо или значительно увеличить толщину стенок в двутавровых балках, или делать балку с двумя стенками, т. е. пустотелой. Для кривых участков малых радиусов при больших центробежных силах балки с пустотами в стенках обычно не применяются. На некоторых построенных навесных монорельсовых дорогах (в Диснейленде, США и Турине, Италия) балки для прямых участков, так же как и для кривых, изготовлялись без пустот, но с теми же геометрическими размерами.
Практически чаще всего применяются эстакады с пролетными строениями из простых разрезных балок на опорах со свайным основанием или с фундаментами на естественном основании. Такие конструкции мало чувствительны к неравномерным осадкам опор и отличаются большой простотой изготовления и монтажа.
При объединении пролетов эстакады в рамную секцию с устройством подвижных опорных частей только через три-четыре пролета, т. е. через 60—70 м, горизонтальные нагрузки от торможения распределяются равномерно между всеми опорами, но в этом случае в некоторых опорах и опорных частях возникают большие усилия вследствие колебания температуры.
При использовании неразрезных многопролетных балок, устанавливаемых на такие же опоры, как и разрезные балки, может быть достигнута некоторая экономия материалов, но при этом значительно усложняется изготовление и монтаж балок. На слабых грунтах, дающих неравномерные осадки, неразрезные балки не применяются.