Недостатком устройства пути на деревянных поперечинах в мостах с металлическими пролетными строениями является неоднородность езды на мосту и на подходах к нему. Путь на деревянных поперечинах требует значительно большего надзора при эксплуатации, чем путь на балласте. Срок службы брусьев небольшой, а смена их связана с затруднениями, особенно на линиях с интенсивным движением.
В путепроводах над улицами и автомобильными дорогами в пределах городской черты устройство пути на поперечинах встречает возражения в связи с большим шумом, возникающим при проходе поезда, а также возможностью падения небольших предметов на проезжую часть пересекаемой магистрали.
В мостах, расположенных на кривых, при езде на поперечинах затрудняется установка наружного рельса в повышенном уровне, что легко осуществляется при езде на балласте.
Таким образом, с точки зрения улучшения условий эксплуатации, желательно, а в некоторых случаях даже необходимо устраивать езду на балласте.
Если учесть, что с устройством езды на балласте увеличивается постоянная нагрузка и поэтому в некоторой мере уменьшается чувствительность пролетного строения к росту временной нагрузки, то станет очевидным, что переход от езды на поперечинах к езде на балласте для пролетных строений малых пролетов представляет определенный интерес.
Многократные попытки устройства езды на балласте в течение долгого времени приводили к усложнению и значительному удорожанию конструкции. Устраивали различные металлические настилы (цилиндрический, лотковый и др.), на которых располагали балласт.
Отвод воды, просочившейся через балласт, в большинстве случаев решался неудовлетворительно. Металлический настил и основная конструкция быстро подвергались коррозии. Применение металлического настила и увеличение сечений главных балок в связи с ростом постоянной нагрузки вызывало значительное повышение расхода металла.
Общий вес плиты и балласта составляет 6—7 т на 1 пог. м железнодорожного пути, что существенно увеличивает расчетную нагрузку и расход металла на главные балки.
Снижение веса металла в этой конструкции достигается путем использования железобетонной плиты в работе главных балок. При достаточно прочном соединении плиты с балкой можно рассматривать плиту как верхний (сжатый) пояс балки. В этом случае металлическое сечение верхнего пояса балки может быть значительно уменьшено (рис. 15, а).
Для обеспечения совместной работы балки с плитой необходимо, чтобы конструкция могла воспринять все сдвигающие усилия, возникающие по плоскости сопряжения плиты с балкой. При этом следует учитывать, что, помимо сдвигающих сил, связанных с усилиями в балке от вертикальных нагрузок, по плоскости сопряжения действуют дополнительные сдвигающие усилия, возникающие от разности температур балки и плиты и от усадки бетона.
Металлические тонкостенные балки вследствие большой теплопроводности быстро реагируют на изменение температуры, в то время как железобетонная плита изменяет свою температуру значительно медленнее. При резких изменениях температуры воздуха разница между температурами балки и плиты может достигать 15°, что вызывает значительные сдвигающие силы. Возникает необходимость постановки достаточно мощных приспособлений, которые способны воспринимать такие силы.
Эти приспособления устраивают обычно в виде жестких (рис. 15, ж—о) или гибких (рис. 15, б—е) металлических упоров. Упоры, прикрепленные к верхнему поясу балки, входят в тело железобетонной плиты и воспринимают на себя все сдвигающие усилия, возникающие между плитой и балкой.
Использование плиты в расчетном сечении балок позволяет осуществить конструкцию пролетных строений с ездой на балласте без увеличения веса металла главных балок по сравнению с пролетными строениями при езде на поперечинах.
Конструкции в виде металлических балок, объединенных с железобетонной плитой, получившие название сталежелезобетонных, дают возможность улучшить эксплуатационные качества железнодорожных мостов, а в автодорожных мостах получить значительную экономию металла.
Серьезным недостатком описываемых конструкций в первое время была необходимость бетонирования плиты на месте установки пролетного строения. Задачи индустриализации строительства требуют доведения до минимума работ на площадке. Металлические пролетные строения с ездой на поперечинах при пролетах до 33,6 м могут быть цельно-перевозимыми, а при увеличении пролетов — крупноблочными. Монтаж их на месте работ и ввод в эксплуатацию производится очень быстро с небольшими затратами рабочей силы. Необходимость бетонирования плиты на месте значительно снижала ценные качества сталежелезобетонных пролетных строений.
Была поставлена задача сохранить положительные качества конструкции сталежелезобетонных пролетных строений, но всемерно уменьшить объем работ, производимых на месте. Эта задача была решена путем применения сборных железобетонных плит из отдельных блоков, изготовляемых на заводе. Для обеспечения связи с балкой в плите оставляют отверстия (окна), куда входят упоры, приваренные к балке. Эти гнезда бетонируют на месте бетоном на быстротвердеющем цементе.
Сборка плиты осуществляется быстро, объем бетонных работ мал, открытие движения возможно после достижения бетоном необходимой прочности. Подобные конструкции осуществлены на ряде мостов и успешно эксплуатируются.
Таким образом, объединение металлических балок с железобетонной плитой в железнодорожных мостах, помимо других достоинств, позволяет уменьшить расстояние между осями балок и соответственно уменьшить ширину опор.
Высота балки определилась из условия предельно допустимой по габариту при перевозке железнодорожным транспортом отдельных балок.
Вертикальная стенка сечением 3600х16 мм имеет в середине высоты горизонтальный стык. Для обеспечения местной устойчивости стенка усилена вертикальными ребрами жесткости и горизонтальным ребром, установленным на расстоянии 800 мм от верхней кромки. Верхний пояс балки постоянного сечения 500x20 мм, нижний пояс переменного сечения — в середине пролета состоит из двух листов: 800x36 и 600x36 мм, на участках у опор — из одного листа 500x36 мм.
При высоте балок 3,6 м пространственный блок с расстоянием 2,3 м между балками выходит из пределов габарита, установленного на железных дорогах. Перевозка балок осуществляется с установкой их на расстоянии 800 мм между осями с соответственными временными креплениями.
Связи между главными балками устанавливаются на месте и прикрепляются высокопрочными болтами. Нижние продольные связи приняты в виде крестовой решетки, в плоскости верхних поясов даны лишь распорки в местах расположения поперечных связей. Роль верхних продольных связей выполняет железобетонная плита. Поперечные связи крестового типа. В опорных сечениях предусмотрено устройство дом-кратных балок (рис. 18).
Изготовление пролетного строения предусмотрено из низколегированной мартеновской конструкционной стали для сварных конструкций группы А марки 15ХСНД с дополнительными требованиями по ударной вязкости.
Металлические балки работают на собственный вес и нагрузку от плиты.
Концевые участки железобетонной плиты длиной по 5,11 м выполняют монолитными, на остальной части пролетного строения плита принята из сборных блоков шириной 2,4 м, укладываемых на слой раствора. Швы между блоками шириной 14 см омоноличиваются после сварки выпусков арматуры.
Объединение блоков плиты с металлическими балками осуществляется при помощи жестких упоров, которые входят в окна блоков плиты.
Упоры по условиям габарита нельзя прикреплять к балке на заводе, они соединяются с верхним поясом на строительной площадке при помощи высокопрочных болтов.
Соединение блоков плиты с балками путем устройства в плите окон для жестких упоров, расположенных на поясах балки, с последующим бетонированием этих окон не единственный прием объединения сборных плит с балками.
Например, в типовых проектах железнодорожных пролетных строений с пролетами 45 и 55 м, разработанных Гипротрансмостом в 1962 г., было предусмотрено объединение сборных блоков плиты с балками на высокопрочных болтах, соединяющих закладные части плиты с верхним поясом балки. При этом упоры в виде гибких петель (рис. 20, а) приваривали неметаллическому листу и закладывали в опалубку при бетонировании плиты. На монтаже выступающие полки этих листов соединяли с верхним поясом балки высокопрочными болтами.
В зависимости от величины усилия, на которые рассчитаны соединения плиты с балками, количество болтов в присоединении упоров к поясам принято различным: 34 (у опоры), 24 и 16.
Для обеспечения совпадения отверстий в закладных частях плиты и верхнем поясе балки изготовление блоков плиты предусмотрено в жесткой металлической опалубке, которая служит кондуктором для размещения закладных частей перед бетонированием. В металлических листах упоров устраивают по кондуктору четыре маячных отверстия диаметром 13 мм, остальные отверстия в листах сверлят на монтаже через отверстия в поясных листах.
Предложенная конструкция вызвала значительные усложнения при изготовлении и монтаже и распространения не получила.
В последние годы на железнодорожных линиях получили широкое распространение железобетонные шпалы. Разработаны и проверены на практике крепления рельсов к железобетонным шпалам. В связи с этим внесены предложения о непосредственном прикреплении рельсов к железобетонной плите пролетных строений.
При этом для создания некоторой упругости предусматривается установка под подкладками, на которые опираются рельсы, прокладок из упругого материала. Отвод воды осуществляется через трубки или при двухблочной конструкции через щель между блоками. По условиям габарита ширину плиты следует принимать не более 3,2 м. В качестве охранных приспособлений могут служить контруголки и бортики плиты. В связи с открытой поверхностью плиты и свободным стоком воды для изоляции достаточно покрыть поверхность плиты слоем эпоксидной смолы.
Проведенные исследования и испытания конструкций с непосредственным прикреплением рельсов к железобетонной плите показали, что величины динамических добавок при движении поездов не отличаются при этом от величин, наблюдаемых при обычном мостовом полотне.
За рубежом нашли также применение конструкции с ездой на балласте, расположенном на металлическом настиле, однако не те, которые применялись раньше, а нового типа, принципиальной особенностью которого является использование настилов в качестве верхнего пояса основной несущей конструкции.
Балластное корыто располагается на металлическом листе, усиленном продольными и поперечными ребрами, в результате чего образуется ортотропная плита, которая работает на местную нагрузку, передаваемую балластом, и одновременно является верхним поясом основной несущей конструкции.
Через каждые 12,5 м установлены сплошные поперечные диафрагмы, в результате чего коробка обладает высокой крутильной жесткостью, что важно в связи с несимметричной нагрузкой при расположении поезда на одном из двух путей.
Серьезным недостатком устройства балластного корыта на металлической плите является опасность быстрой коррозии листа. Доступ к осмотру листа ограничен. Необходимо обеспечить хороший отвод воды и изоляцию листа, которую устраивают обычно из различных смазок на основе эпоксидной смолы.
Основным преимуществом устройства балластного корыта на металлическом листе по сравнению с балластным корытом на железобетонной плите является снижение величины постоянной нагрузки, что может иметь существенное значение при больших пролетах. При малых пролетах применение металлической ортотропной плиты экономии не дает и рекомендовать ее не следует.
При проектировании была поставлена задача применить конструкцию с наименьшей строительной высотой.
Поперечное сечение принято в виде оригинальной замкнутой коробчатой конструкции с ортотропной плитой и наклонными боковыми стенками.
Строительная высота конструкции в середине пролета равна 3,74 м. В местах опирания высота коробок существенно снижена.
Прикрепление рельсов непосредственно к металлическому листу верхнего пояса (без балласта) позволяет значительно снизить постоянную нагрузку и уменьшить строительную высоту пролетного строения. Достоинством является также доступность осмотра верхнего листа, а недостатком — очень большой шум при проходе поезда.
При больших пролетах подобное решение может дать определенную экономию.