Бетонный балочный мост

<час />

Фон

Почти 590 000 автомобильных мостов пересекают водные пути, впадины засушливых земель, другие дороги и железные дороги по всей территории Соединенных Штатов. Самые впечатляющие мосты используют сложные системы, такие как арки, тросы или треугольные фермы, чтобы нести проезжую часть между величественными колоннами или башнями. Однако основной движущей силой системы автомобильных мостов является относительно простой и недорогой мост с бетонными балками.

Балочный мост, также известный как балочный мост, состоит из горизонтальной плиты, поддерживаемой с каждого конца. Поскольку весь вес плиты (и любых объектов на плите) переносится вертикально на опорные колонны, колонны могут быть менее массивными, чем опоры для арочных или подвесных мостов, которые переносят часть веса горизонтально.

Простой балочный мост обычно используется для перекрытия расстояния 250 футов (76,2 м) или меньше. Более длинные расстояния можно преодолеть, соединив ряд простых балочных мостов в так называемый непрерывный пролет. Фактически, самый длинный мост в мире, Дорога к озеру Пончартрейн в Луизиане, представляет собой пару параллельных двухполосных мостов с непрерывным пролетом длиной почти 24 мили (38,4 км). Первый из двух мостов был построен в 1956 году и состоит из более чем 2000 отдельных пролетов. Сводный мост (в настоящее время идущий на север) был построен 13 лет спустя; Хотя он на 228 футов длиннее первого моста, он содержит всего 1500 пролетов.

Мост состоит из трех основных элементов. Сначала основание (фундамент) переносит на землю нагруженный вес моста; он состоит из таких компонентов, как колонны (также называемые опорами) и опоры. Опора - это соединение между концом моста и землей; он обеспечивает поддержку концевых секций моста. Во-вторых, надстройкой моста является горизонтальная площадка, перекрывающая пространство между колоннами. Наконец, настил моста - это дорожная поверхность, добавленная к надстройке.

История

Доисторический человек начал наводить мосты, подражая природе. Считая полезным ходить по дереву, упавшему через ручей, он начал класть стволы деревьев или каменные плиты там, где он хотел пересечь ручей. Когда он хотел перебраться через более широкий ручей, он придумал, как складывать камни в воду и проложить деревянные или каменные балки между этими колоннами и берегом.

Первый мост, который был задокументирован, был описан Геродотом в 484 г. до н. Э. Он состоял из бревен, поддерживаемых каменными колоннами, и был построен на берегу реки Евфрат около 300 лет назад.

Наиболее известные своими арочными мостами из камня и бетона, римляне также строили балочные мосты. Фактически, самый ранний из известных римских мостов, построенный через реку Тибр в 620 г. до н. Э. , назывался Pons Sublicius потому что он был сделан из деревянных балок (sublicae). Римские методы строительства мостов включали использование коффердамов при строительстве колонн. Они сделали это, вбивая круглые деревянные столбы в землю вокруг предполагаемого места расположения колонны. После облицовки деревянного кольца глиной, чтобы сделать его водонепроницаемым, они откачивали воду из ограды. Этот позволил им заливать бетон для основания колонны.

В мостостроении начался переход от искусства к науке в 1717 году, когда французский инженер Юбер Готье написал трактат о строительстве мостов. В 1847 году американец по имени Сквайр Уиппл написал Работа о строительстве мостов . который содержал первые аналитические методы расчета напряжений и деформаций в мосте. «Консультации по проектированию мостов» была основана как специальность в области гражданского строительства в 1880-х годах.

Дальнейшие успехи в строительстве мостов с балками будут связаны в первую очередь с улучшением строительных материалов.

Строительные материалы
и их развитие

Большинство мостов с шоссейными балками построены из бетона и стали. Римляне использовали в своих мостах бетон из извести и поццалана (красный вулканический порошок). Этот материал быстро схватывался даже под водой, был прочным и водонепроницаемым. В средние века в Европе вместо него использовали известковый раствор, но он был водорастворимым. Популярный сегодня портландцемент, представляющий собой смесь известняка и глины, был изобретен в 1824 году английским каменщиком по имени Джозеф Аспдин, но широко не использовался в качестве материала фундамента до начала 1900-х годов.

Бетон обладает хорошей прочностью, чтобы выдерживать сжатие (усилие сжатия), но не так прочен при растяжении (силе растяжения). В течение девятнадцатого века в Европе и Соединенных Штатах было несколько попыток укрепить бетон, заделав в него прочное железо. Улучшенная версия была разработана во Франции в 1880-х годах Франсуа Хеннебиком, который использовал стальные арматурные стержни. Первое значительное использование железобетона в мосте в Соединенных Штатах было на мосту через озеро Алворд в парке Золотых ворот Сан-Франциско; построенный в 1889 году и до сих пор использующийся, он был построен из арматурных стержней из витой стали, разработанных дизайнером Эрнестом Л. Рэнсомом.

Следующим значительным достижением в бетонном строительстве стало развитие предварительного напряжения. Бетонная балка подвергается предварительному напряжению, натягивая стальные стержни, проходящие через балку, и затем прикрепляя концы стержней к концам балки. Это оказывает сжимающее усилие на бетон, компенсируя растягивающие силы, которые действуют на балку при приложении к ней нагрузки. (Груз, давящий на горизонтальную балку, имеет тенденцию сгибать балку вниз посередине, создавая сжимающие силы вдоль верхней части балки и растягивающие силы вдоль нижней части балки.)

Предварительное напряжение может применяться к бетонной балке, которая собирается на заводе, доставляется на строительную площадку и поднимается на место с помощью крана; или его можно наносить на монолитный бетон, заливаемый в месте окончательного расположения балки. Натяжение может быть приложено к стальной проволоке или стержням перед заливкой бетона (предварительное натяжение), или бетон может быть налит вокруг труб, содержащих ненатянутую сталь, к которым прикладывается натяжение после затвердевания бетона (пост-натяжение).

Дизайн

Перед постройкой каждый мост должен быть спроектирован индивидуально. Проектировщик должен принять во внимание ряд факторов, в том числе местный рельеф, водные течения, возможности образования речного льда, характер ветра, вероятность землетрясения, почвенные условия, прогнозируемые объемы движения, эстетику и ограничения по стоимости.

Кроме того, конструкция моста должна быть прочной. Это предполагает анализ Вид типичного моста из бетонных балок в разрезе. силы, которые будут действовать на каждый компонент завершенного моста. Этим силам способствуют три типа нагрузок. Статическая нагрузка относится к весу самого моста. Под живой нагрузкой понимается вес транспортного потока, который выдержит мост. Под экологической нагрузкой понимаются другие внешние силы, такие как ветер, возможное землетрясение и возможные столкновения транспортных средств с опорами моста. Анализ проводится для статических (стационарных) сил статической нагрузки и динамических (движущихся) сил динамических нагрузок и нагрузок окружающей среды.

С конца 1960-х годов широко признавалась ценность избыточности в дизайне. Это означает, что мост спроектирован таким образом, чтобы выход из строя одного из элементов не приводил к немедленному обрушению всей конструкции. Это достигается за счет того, что другие члены становятся достаточно сильными, чтобы компенсировать поврежденный член.

Производственный
процесс

Поскольку каждый мост уникально разработан для конкретного объекта и функции, процесс строительства также варьируется от одного моста к другому. Описанный ниже процесс представляет собой основные этапы строительства довольно типичного железобетонного моста через мелкую реку с промежуточными бетонными опорами колонн, расположенными в реке.

Примеры размеров многих компонентов моста включены в следующее описание в качестве помощи для визуализации. Некоторые из них взяты из брошюр поставщиков или отраслевых стандартных спецификаций. Другие - это детали автострадного моста, который был построен через Рио-Гранде в Альбукерке, штат Нью-Мексико, в 1993 году. Мост длиной 1245 футов и шириной с 10 полосами поддерживается 88 колоннами. Он содержит 11 456 кубических ярдов бетона в конструкции и еще 8 000 кубических ярдов в тротуаре. Он также содержит 6,2 миллиона фунтов арматурной стали.

Подструктура

• 1 Вокруг каждой колонны в русле реки сооружается перемычка, и вода перекачивается изнутри ограды. Один из методов установки фундамента - это просверлить стволы в русле реки до коренных пород. Когда шнек поднимает почву из вала, в отверстие закачивается глиняная суспензия, которая заменяет почву и предохраняет вал от разрушения. Когда достигается необходимая глубина (например, около 80 футов или 24,4 м), цилиндрический сепаратор из арматурной стали (арматурный стержень) опускается в заполненный пульпой ствол (например, диаметром 72 дюйма или 2 м). Бетон перекачивается на дно шахты. Когда шахта заполняется бетоном, суспензия вытесняется из верхней части шахты, где она собирается и очищается, чтобы ее можно было повторно использовать. Надземная часть каждой колонны может быть сформирована и отлита на месте, либо из сборного железобетона и поднята на место и прикреплена к фундаменту.
• 2 устоя моста подготовлены на берегу реки, где будет опираться конец моста. Между верхней частью берега и руслом реки формируется бетонная стена; это подпорная стена для грунта за концом моста. В верхней части задней стенки сформирован выступ (посадочное место), на которое будет опираться конец мостика. Также могут потребоваться боковые стены, выступающие наружу от задней стены вдоль берега реки, чтобы удерживать насыпную грязь для подходов к мосту.
• 3 В этом примере мост будет опираться на пару колонн в каждой точке опоры. Подконструкция завершается размещением колпака (железобетонной балки) перпендикулярно направлению моста, идущего от вершины одной колонны до вершины ее партнера. В других конструкциях мост может опираться на различные конфигурации опор, такие как прямоугольный опор шириной моста или одиночная Т-образная колонна.

Надстройка

• 4 Кран используется для установки стальных или предварительно напряженных железобетонных балок между последовательными наборами колонн по всей длине моста. Балки привинчиваются к крышкам колонн. Для автострадного моста Альбукерке каждая балка имеет высоту 6 футов (1,8 м), длину до 130 футов (40 м) и вес 54 тонны.
• 5 Стальные панели или сборные железобетонные плиты укладываются поперек балок, образуя прочную платформу, завершающую надстройку моста. Один производитель предлагает, например, гофрированную панель глубиной 4,5 дюйма (11,43 см) из толстой стали (7 или 9). Другой альтернативой является стальная опалубка для бетонного настила, которая будет заливаться позже.

Колода

• 6 На платформе надстройки размещен гидроизоляционный барьер. Например, можно использовать модифицированный полимером асфальт горячего нанесения.
• 7 Поверх гидроизоляции сооружается сетка из стальных арматурных стержней; впоследствии эта сетка будет помещена в бетонную плиту. Сетка трехмерная:один слой арматуры находится у основания плиты, а другой - вверху.
• 8 Заливается бетонное покрытие. Для шоссе подходит толщина бетонного покрытия 8–12 дюймов (20,32–30,5 см). Если в качестве платформы надстройки использовались несъемные формы, в них заливают бетон. Если формы не использовались, бетон можно наносить с помощью машины для укладки скользящих форм, которая распределяет, уплотняет и сглаживает бетон за одну непрерывную операцию. В любом случае на свежую бетонную плиту наносится противоскользящая текстура путем ручного или механического надрезания поверхности с помощью кисти или грубого материала, такого как мешковина. Боковые стыки предусматриваются примерно через каждые 15 футов (5 м), чтобы препятствовать растрескиванию дорожного покрытия; они либо добавляются в формы перед заливкой бетона, либо режутся после затвердевания скользящей плиты. Для герметизации стыка используется гибкий герметик.

Контроль качества

Проектирование и строительство моста должны соответствовать стандартам, разработанным несколькими агентствами, включая Американскую ассоциацию государственных служащих автомобильных дорог и транспорта, Американское общество испытаний и материалов и Американский институт бетона. В процессе строительства испытываются различные материалы (например, бетонные партии) и конструктивные элементы (например, балки и соединения). В качестве еще одного примера, по проекту моста в Альбукерке, статические и динамические испытания на прочность были проведены на образце фундамента колонны, построенном на месте, и на двух эксплуатационных валах.

Будущее

Многочисленные правительственные учреждения и отраслевые ассоциации спонсируют и проводят исследования с целью улучшения материалов и методов строительства. Основная цель - разработка более легких, прочных и долговечных материалов, таких как высококачественный бетон с измененным составом; армированные волокном полимерные композитные материалы для замены некоторых компонентов бетона; эпоксидные покрытия и системы электрохимической защиты от коррозии стальной арматуры; альтернативные синтетические армирующие волокна; и более быстрые и точные методы тестирования.