Autor: Jan Biliszczuk, Krzysztof Sadowski, Marco Teichgraeber

Współpraca: Małgorzata Skowronek

Recenzenci: Prof. dr hab. inż. Kazimierz Furtak
Prof. dr hab. inż. Wojciech Radomski

Projekt okładki: Sleipnir Design Katarzyna Kopera

Wykonanie okładki: Sleipnir Design Katarzyna Kopera

Wydawca: Karol Zawadzki i Renata Włostowska

Koordynator ds. redakcji: Adam Kowalski

Redaktor: Izabela Mika

Produkcja: Mariola Grzywacka

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwo Naukowe PWN S.A.:
Michał Latusek

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2023r. (Wydanie I)

Warszawa 2023

Fotografie zamieszczone w książce pochodzą ze zbiorów własnych autora.

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rob to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo. Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2023

ISBN: 978-83-01-23243-6

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321; faks 22 69 54 288; infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Od autorów

Mosty z betonu sprężonego są budowane w Polsce począwszy od 1953 roku, czyli od 70 lat. W tym czasie powstało w Polsce w tej technologii kilkanaście tysięcy mostów. Od roku 1989 do budowy wieloprzęsłowych estakad i mostów o dużych rozpiętościach przęseł są powszechnie stosowane dźwigary skrzynkowe z betonu sprężonego. Przykładowo, największe w Polsce mosty belkowe o konstrukcji skrzynkowej to:

− most przez Wisłę w ciągu autostrady A1 w Grudziądzu o rozpiętości głównego przęsła równej 180,00 m;

− most przez Wisłę w ciągu Południowej Obwodnicy Warszawy A2 o rozpiętości głównego przęsła 176,00 m.

Należy zauważyć, że rozpiętości przęseł wymienionych wyżej mostów z betonu sprężonego są większe od największego przęsła belkowego mostu stalowego zbudowanego dotąd w Polsce (2022 r.), to jest mostu Marii Skłodowskiej-Curie w Warszawie o rozpiętości przęsła 160,00 m.

Wynika z tego, że beton sprężony jest obecnie podstawowym materiałem do budowy mostów nie tylko małych, ale i średnich oraz dużych rozpiętości. Dla średnich i dużych rozpiętości przęseł mostów belkowych są powszechnie stosowane dźwigary skrzynkowe.

Autorzy w niniejszej pracy przedstawili kompendium wiedzy na temat projektowania i budowy belkowych mostów skrzynkowych z betonu sprężonego. Sądzimy, że praca ta zainteresuje studentów i inżynierów specjalności mostowej.

Podziękowania

Monografia ta powstała dzięki życzliwości i pomocy wielu osób, biur projektów i przedsiębiorstw budowlanych. Autorzy szczególnie dziękują recenzentom pracy panom profesorom Kazimierzowi Furtakowi i Wojciechowi Radomskiemu za wnikliwe oraz merytoryczne recenzje, dzięki którym usunięto nieścisłości i potyczki językowe, co na pewno poprawiło jakość publikacji. Dziękujemy dr inż. Januszowi Hołowatemu, dr inż. Robertowi Toczkiewiczowi i profesorowi Czesławowi Machelskiemu za zgodę na wykorzystanie ich oryginalnych prac we fragmentach niniejszej monografii. Specjalne podziękowania kierujemy do Pani Małgorzaty Skowronek za przygotowanie elektronicznej wersji monografii. Za udostępnienie fotografii ilustrujących procesy technologiczne Autorzy dziękują Generalnej Dyrekcji Dróg Krajowych i Autostrad oraz firmom: BUDIMEX SA, Doka Polska Sp. z o.o., Freyssinet Polska Sp. z o.o., Mota-Engil Central Europe SA, PERI Polska Sp. z o.o., STRABAG Sp. z o.o., ULMA Construccion Polska SA, VSL Polska Sp. z o.o., a także Katarzynie Janikowskiej, Andrzejowi Stańczykowi, Bolesławowi Balcerek, Maciejowi Lulko, Maciejowi Hildebrandowi, Jerzemu Onysykowi, Natalii Zywert i Jackowi Weretelnikowi. Natomiast Wydawnictwu Naukowemu PWN dziękujemy za cierpliwe oczekiwania na ukończenie monografii.

Jan Biliszczuk

Krzysztof Sadowski

Marco Teichgraeber

Wrocław, czerwiec 2023 r.

1

Wstęp

Beton sprężony w polskim mostownictwie zaczęto stosować od roku 1953. Trzeba jednak zaznaczyć, że w ciągu autostrady A4 (na Dolnym Śląsku) znajduje się jeden z pierwszych mostów sprężonych na świecie – most nad Nysą Kłodzką w Sarnach Wielkich [3, 8] – rys. 1.1. Jest to konstrukcja jednoprzęsłowa, swobodnie podparta, o rozpiętości teoretycznej 42,20 m. Przęsła mostu to dwie niezależne konstrukcje. Ustrój nośny pod każdą nitką autostrady składa się z siedmiu belek sprężonych (strunobetonowych), stężonych poprzecznicami. Belki współpracują z monolityczną żelbetową płytą pomostową. Most zbudowano w roku 1942, a więc 80 lat temu, na podstawie licencji udzielonej firmie Wayss und Freytag przez Eugéne Freyssineta w roku 1938. Stan techniczny tej konstrukcji, mimo że od jej budowy minęło wiele lat, jest zadowalający.

Rysunek 1.1. Najstarszy most z betonu sprężonego w Polsce (1942) nad Nysą Kłodzką w ciągu autostrady A4 (fot. Jan Biliszczuk)

Za pierwsze polskie zastosowanie betonu sprężonego w mostownictwie uważa się budowę mostu w Starym Młynie koło Końskich według projektu Tadeusza Kluza [1, 2, 6], rys. 1.2. Użyto kable i zakotwienia systemu Freyssinet. Firmą, która wykonała ten most, było Kieleckie Przedsiębiorstwo Robót Mostowych (KPRM). Prawie jednocześnie powstał most w Batowicach koło Krakowa zaprojektowany przez Czesława Eimera (konstrukcja płytowa, zakotwienia typu Magnela). Ze względu na stan techniczny most ten rozebrano w roku 1990.

W pierwszym okresie zastosowań betonu sprężonego w polskim mostownictwie (można przyjąć, że były to lata 1953–1960) wznoszono głównie obiekty o schematach statycznie wyznaczalnych (wyjątek stanowi most przez Narew w Łomży). Następnie,

Rysunek 1.2. Most w Starym Młynie koło Końskich, pierwszy most sprężony zaprojektowany przez polskiego inżyniera (1953) (fot. Bolesław Balcerek)

po opanowaniu przez polskie przedsiębiorstwa – w tym obszarze trudno przecenić rolę Płockiego Przedsiębiorstwa Robót Mostowych (PPRM) i Kieleckiego Przedsiębiorstwa Robót Mostowych (KPRM) – technologii wznoszenia obiektów sprężonych [7, 11], przystąpiono do budowy wielu obiektów o nowoczesnych rozwiązaniach konstrukcyjnych. Było to możliwe dzięki intensywnemu rozwojowi teorii konstrukcji sprężonych, co zaowocowało powstaniem fundamentalnych prac z tego zakresu jak na przykład Teoria konstrukcji sprężonych (W. Olszak, S. Kaufman, Cz. Eimer, Z. Bychawski [9]).

W roku 1958 zbudowano pierwszy w Polsce nowoczesny most skrzynkowy z betonu sprężonego [1], rys. 1.3. Ustrojem nośnym tego mostu jest pięcioprzęsłowy ciągły dźwigar skrzynkowy (trzykomorowy), a rozpiętości przęseł wynoszą: 32,00 + 3 × 40,70 + 32,00 m. Zastosowano dźwigar skrzynkowy o zmiennej wysokości od 1,33 m w przęsłach do 2,73 m w przekrojach nad filarami.

Obiekt ten wykonano na pełnym rusztowaniu w kilku segmentach, między którymi pozostawiono wolne przestrzenie. Kable w postaci lin zwitych ∅63 mm zakotwiono przez „rozplot” w końcówkach dźwigarów wysuniętych poza punkty podparcia na przyczółkach. W wolne przestrzenie pomiędzy wielkogabarytowe segmenty wstawiono siłowniki, którymi napięto ciągłe kable, rozpierając poszczególne części mostu. Po osiągnięciu wymaganej siły sprężenia wolne przestrzenie zazbrojono i zabetonowano.

a)

b)

Rysunek 1.3. Most nad Narwią w Łomży. Pierwszy w Polsce wieloprzęsłowy ciągły most skrzynkowy z betonu sprężonego: a) konstrukcja, b) widok mostu (fot. Andrzej Stańczyk)

Most w Łomży jest pierwszym polskim mostem skrzynkowym z betonu sprężonego o ustroju statycznie niewyznaczalnym. Zarówno ukształtowanie architektoniczne obiektu, jak i wpisanie go w dolinę Narwi należy uznać za bardzo udane. Most zaprojektował Jerzy Mazur (1930–1991) z Transprojektu Warszawa [2, 13].

Po wdrożeniu do polskiego mostownictwa betonu sprężonego, co można umownie przyjąć zakończyło się budową mostu Cłowego w Szczecinie o najdłuższym przez wiele lat (78,60 m) przęśle w Polsce, nastąpił dosyć wszechstronny rozwój mostów z betonu sprężonego.

W latach 1960–1975 zbudowano w Polsce kilka interesujących konstrukcji, wykorzystując doświadczenia poprzedniego okresu. Do wybitnych osiągnięć tamtych lat należy zaliczyć:

• wdrożenie wspornikowych metod wznoszenia obiektów mostowych [1, 14] – Maksymilian Wolff, mosty w Bydgoszczy i Poznaniu;

• budowę mostów o dużych rozpiętościach przęseł przy wykorzystaniu kablobetonowych belek prefabrykowanych [1, 4, 12] – Stefan Filipiuk i inni, mosty w Annopolu, Krakowie i Lubiążu;

• budowę trójprzęsłowego mostu belkowego wzmocnionego łukiem Nielsena w Kobiernicach [2] – Jerzy Grycz i Jerzy Marian Grycz.

W tablicy 1.1. przedstawiono chronologię wprowadzania różnych technologii budowy mostów z betonu sprężonego do polskiego mostownictwa [1, 2].

Tablica 1.1. Chronologia wprowadzania różnych technologii wykonywania mostowych konstrukcji sprężonych do polskiego mostownictwa

Wprowadzona technologia

Rok zastosowania w Polsce

Autor

Firma wdrażająca

Miejsce zastosowania

Betonowanie na pełnym rusztowaniu

1953

T. Kluz

KPRM*

Stary Młyn koło Końskich

Sprężone belki prefabrykowane

1954

J. Zieliński, Z. Czerski

PPRM**

Kujan

Betonowanie wspornikowe

1963

M. Wolff

PPRM**

Most Bernardyński w Bydgoszczy

Uciąglanie konstrukcji przez sprężanie

1967

S. Filipiuk

KPRM*

Most przez Wisłę w Annopolu

Wspornikowy montaż segmentów

1969

W. Wolf

PPRM**

Most Pomorski w Bydgoszczy

Rusztowania inwentaryzowane, metoda „przęsło po przęśle”

1979

S. Jendrzejek, J. Kasperek, A. Skrzypek

KPRM*

estakada w centrum Chorzowa

Nasuwanie podłużne

1987

Zespół Politechniki Śląskiej pod kierunkiem J. Głomba

KPRM*

most przez Sołę w Oświęcimiu

*KPRM – Kieleckie Przedsiębiorstwo Robót Mostowych

** PPRM – Płockie Przedsiębiorstwo Robót Mostowych

Do 1989 roku mosty skrzynkowe z betonu sprężonego były stosowane w Polsce sporadycznie. Dopiero po urynkowieniu gospodarki nastąpił intensywny rozwój budowy mostów z betonu sprężonego, w tym mostów skrzynkowych [2, 5]. Dźwigary skrzynkowe z betonu sprężonego (rys. 1.4) są stosowane dla przęseł o rozpiętości większej od 30 m, a więc mają zastosowanie w budowie wieloprzęsłowych mostów o średnich i dużych (do ponad 300 m) rozpiętościach przęseł [10].

Rysunek 1.4. Zakres zastosowań w mostownictwie dźwigarów o różnym ukształtowaniu przekroju poprzecznego jako funkcja rozpiętości przęseł: a) dźwigary płytowe, b) płytowo-żebrowe, c) skrzynkowe

Oczywiście dźwigary skrzynkowe znajdują zastosowanie również w innych typach konstrukcji mostowych, jak na przykład w obiektach podwieszonych i extradosed, oraz występują jako pomosty w mostach łukowych dla kolei dużych prędkości. W niniejszej pracy zagadnienia związane z wymienionymi wyżej konstrukcjami nie będą omawiane. Treść ograniczono do zasad kształtowania i konstruowania belkowych mostów skrzynkowych z betonu sprężonego (drogowych i kolejowych belkowych) oraz przedstawiono podstawowe technologie budowy tych konstrukcji. Zwrócono uwagę na specyfikę stanów montażowych decydujących często o wytężeniu niektórych elementów konstrukcji oraz zasady zbrojenia i sprężenia.

Treść podręcznika dotyczy w szczególności ogólnych zasad projektowania belkowych mostów skrzynkowych i analizy statyczno-wytrzymałościowej konstrukcji realizowanych według różnych technologii. Odniesienia do aktualnie obowiązującego systemu norm ograniczono do podstawowych zagadnień mających wpływ na kształtowanie i konstrukcję mostów skrzynkowych.

Należy zaznaczyć, że zasady kształtowania i konstrukcji zostały wypracowane w wyniku wieloletniego doświadczenia, a przepisy normowe tylko te doświadczenia doprecyzowują. W związku z tym mosty zaprojektowane według dowolnego stosowanego współcześnie systemu norm będą się od siebie różnić nieznacznie.

Literatura cytowana w rozdziale 1

[1] Biliszczuk J.: Historia rozwoju mostów z betonu sprężonego w Polsce, Inżynieria i Budownictwo, nr 9/1997, s. 427–431.

[2] Biliszczuk J.: Mosty w dziejach Polski, Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław 2017.

[3] Biliszczuk J.: O najstarszym w Polsce moście z betonu sprężonego, Inżynieria i Budownictwo, nr 6/1997, s. 285.

[4] Biliszczuk J., Filipiuk S.: Maksymilian Wolff – pionier nowych technologii budowy mostów w Polsce, Seminarium Naukowo-Techniczne Wrocławskie Dni Mostowe „Obiekty mostowe w infrastrukturze miejskiej”, Wrocław 21–22 listopada 2013, Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław 2013, s. 37–42.

[5] Głomb J.: Budowa mostu przez Sołę w Oświęcimiu, Inżynieria i Budownictwo, nr 4–5/1990, s. 134–137.

[6] Kluz T., Ćwiok Z., Zieliński J.: Pierwsze konstrukcje betonu sprężonego w budownictwie mostowym w Polsce, Inżynieria i Budownictwo, nr 2/1955.

[7] Kołosowski J., Dolipska M.: 50 lat Kieleckiego Przedsiębiorstwa Robót Mostowych, Inżynieria i Budownictwo, nr 4/1995, s. 191–195.

[8] Möhl H.: Spannbeton, Stuttgart Berliner Union, 1954.

[9] Olszak W., Kaufman S., Eimer Cz., Bychawski Z.: Teoria Konstrukcji Sprężonych, t. 1 i 2, PWN, Warszawa 1965.

[10] Radomski W.: Kierunki rozwojowe mostownictwa. Świat i Polska, Wrocławska Seria Inżynierii Mostowej, Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław 2019.

[11] Skrodzki E.: Z historii Płockiego Przedsiębiorstwa Robót Mostowych, Inżynieria i Budownictwo, nr 3/1994, s. 99–103.

[12] Transprojekt Gdański. 50 lat Pracowni Mostowej, S. Filipiuk (red.), Transprojekt Gdański, Gdańsk 2005.

[13] Transprojekt Warszawa 1951–2011, T. Suwara i B. Kaczmarska (red.), Transprojekt Warszawa, Warszawa 2011.

[14] Wolff M.: Mosty z betonu sprężonego budowane metodą wspornikową, Inżynieria i Budownictwo, nr 8–9/1975, s. 366–372.

2

Dźwigary skrzynkowe z betonu sprężonego

2.1. Kształtowanie

2.2. Technologie budowy wieloprzęsłowych mostów skrzynkowych

2.3. Proces projektowania mostowych dźwigarów skrzynkowych

2.4. Modele obliczeniowe stosowane do analizy dźwigarów skrzynkowych

2.5. Wykorzystanie modelu klasy e¹, p³

2.6. Sprężanie dźwigarów skrzynkowych

2.7. Zbrojenie miękkie dźwigarów skrzynkowych

2.1. Kształtowanie

2.1.1. Stosowane przekroje poprzeczne

Na rysunku 2.1 przedstawiono przekroje poprzeczne mostowych dźwigarów skrzynkowych z betonu sprężonego. Najczęściej stosowane są:

• dźwigary jednokomorowe – zazwyczaj w mostach drogowych pod jezdnie o 2–3 pasach ruchu oraz w mostach kolejowych w przypadku linii jedno- lub dwutorowych;

• dźwigary wielokomorowe – w przypadku konieczności umieszczenia na ustroju nośnym wielu pasów ruchu.

Rysunek 2.1. Przykłady przekrojów poprzecznych dźwigarów skrzynkowych stosowanych w mostownictwie

Przepisy dotyczące mostów drogowych obowiązujące w Polsce [71] oraz przepisy stosowane w innych krajach [91] nakazują stosowanie oddzielnych konstrukcji nośnych pod każdą jezdnię autostrady lub drogi ekspresowej. To skutkuje tym, że najczęściej używane są dźwigary jednokomorowe, albowiem na jednokomorowym dźwigarze można pomieścić pomost o szerokości do 20,00 m, a stosując zastrzały podpierające wsporniki pomostu, nawet o szerokości 30,00 m.

W Niemczech [77] i we Francji [30] w obiektach autostradowych przekraczających głębokie doliny często rezygnuje się z dwóch równoległych konstrukcji (rys. 2.2), gdyż cena podwójnych wysokich filarów znacząco podwyższa koszt obiektu. Alternatywą jest wówczas rozwiązanie pokazane na rys. 2.2b – jednokomorowy dźwigar z długimi wspornikami płyty pomostu podpartymi zastrzałami.

Na rysunku 2.3 pokazano przykładowe przekroje poprzeczne mostu drogowego i kolejowego.

Rysunek 2.2. Alternatywne ukształtowania mostów autostradowych w przypadku pokonywania głębokich dolin: a) dwie, bliźniacze konstrukcje, b) jeden dźwigar o szerokim, wzmocnionym zastrzałami pomoście

Rysunek 2.3. Przykłady przekrojów poprzecznych mostów skrzynkowych: a) most drogowy, b) most kolejowy

2.1.2. Ukształtowanie podłużne

Mostowy dźwigar skrzynkowy w widoku z boku może być ukształtowany [34, 36, 39, 41, 78] jako konstrukcja o stałej lub o zmiennej wysokości (rys. 2.4).

Wybór ukształtowania podłużnego zależy od trzech czynników, a mianowicie:

• wymagań architektonicznych;

• rozpiętości zastosowanych przęseł;

• przewidywanej metody budowy.

Dźwigary o stałej wysokości są zazwyczaj stosowane w przypadku przęseł o rozpiętości od 30,00 do 80,00 m, wyjątkowo o rozpiętości 100,00 m. Natomiast ustroje nośne o zmiennej wysokości są współcześnie stosowane przy rozpiętościach przęseł większych od 80,00 m.

Rysunek 2.4. Ukształtowanie dźwigarów skrzynkowych w kierunku podłużnym

Stosunek wysokości konstrukcji h do rozpiętości przęseł l kształtuje się w granicach:

• od ¹/₁₅ do ¹/₂₀ dla mostów drogowych;

• od ¹/₁₂ do ¹/₁₆ dla mostów kolejowych.

W przypadku stosowania dźwigarów o zmiennej wysokości wysokość podporowa H zależy od rozpiętości przęsła i może wynosić nawet 15,00 m przy rozpiętości przęsła głównego 300,00 m. Dźwigary o łamanej linii dolnej krawędzi są stosowane rzadko.

Zaleca się stosowanie dźwigarów skrzynkowych o wysokości większej od 2,50 m. Wówczas przestrzeń wewnętrzna ma prześwit większy od 2,00 m, co jest bardzo korzystne ze względu na swobodę prowadzenia prac budowlanych, kontrolę stanu technicznego obiektu oraz przyszłe prace utrzymaniowe.

2.1.3. Ukształtowanie w planie

W planie dźwigary skrzynkowe są kształtowane zgodnie z geometrią ciągów komunikacyjnych, wzdłuż których są usytuowane. Mogą to być dźwigary:

• proste w planie (rys. 2.5a);

• zakrzywione w planie (rys. 2.5b);

• nieregularne (rys. 2.5c).

Ukształtowanie w planie i sposób podparcia dźwigara skrzynkowego ma wpływ na jego pracę statyczną pod obciążeniem stałym i zmiennym, o czym szerzej napisano w dalszej części książki.

Rysunek 2.5. Przykłady różnego ukształtowania dźwigarów skrzynkowych: a) dźwigar prosty, b) dźwigar zakrzywiony, c) dźwigar nieregularny

2.1.4. Sposoby podparcia dźwigarów skrzynkowych

Dźwigary skrzynkowe mogą być podpierane na podporach w dwojaki sposób (rys. 2.6):

• za pośrednictwem łożysk zapewniających swobodę ruchu poziomego w określonym kierunku oraz możliwość swobodnego obrotu (należy pamiętać, że poprzednie określenia mają charakter postulatywny, gdyż zawsze w realnych konstrukcjach wystąpią opory ruchu wywołane zjawiskiem tarcia);

• przez bezpośrednie (sztywne) zamocowanie (połączenie) dźwigara skrzynkowego w podporach, stosowane w przypadku wysokich podpór, które z uwagi na dużą podatność umożliwiają deformacje konstrukcji wywoływane zmianami temperatury; konstrukcje takie (nazywane integralnymi lub częściowo integralnymi) są często wykorzystywane w mostach przekraczających głębokie doliny rzeczne lub górskie.

Rysunek 2.6. Podstawowe sposoby oparcia dźwigara skrzynkowego na filarach: a) oparcie za pośrednictwem łożysk, b) sztywne połączenie

Podparcie za pośrednictwem łożysk

Najkorzystniejsze jest podparcie wzdłuż osi prostopadłej do osi podłużnej dźwigara skrzynkowego i umieszczenie łożysk jak najbliżej osi środników (rys. 2.7a). Zazwyczaj łożyska mają wymiary większe od szerokości środników. W związku z tym w strefie (osi) podparcia należy zastosować miejscowe poszerzenie środników (półprzeponami) lub pełne przepony. Jeżeli stosuje się wąskie podpory, to łożyska można umieścić w pewnej odległości od środników pod pełną przeponą (rys. 2.7b). W szczególnych przypadkach można na jednej z podpór zastosować podparcie punktowe (rys. 2.7c), ale trzeba wówczas pamiętać o konsekwencjach statycznych takiego rozwiązania – zwiększonym skręcaniu przy niesymetrycznym obciążeniu.

Rysunek 2.7. Możliwe miejsca podparcia dźwigarów skrzynkowych: a) podparcie na skraju skrzynki, b) podparcie poza strefami środników, c) podparcie w osi symetrii dźwigara

Na rysunku 2.8 pokazano przykładowe ułożyskowania wieloprzęsłowych dźwigarów skrzynkowych różnie ukształtowanych w planie. Należy podkreślić, że w przypadku dźwigara ukośnego lub zakrzywionego w planie już ciężar własny konstrukcji generuje jej skręcanie.

Sztywne połączenie dźwigara skrzynkowego z filarami

W przypadku wysokich (wiotkich) podpór można dźwigar skrzynkowy sztywno połączyć z filarami, eliminując łożyska. Rozwiązania takie, nazywane mostami integralnymi lub częściowo integralnymi, są wykorzystywane przy budowie mostów kolejowych na liniach dużych prędkości [37, 40, 69]. Z powodu braku łożysk i dylatacji takie mosty są bardziej trwałe i wymagają mniejszych nakładów na utrzymanie niż mosty oparte na łożyskach. Z uwagi na duże siły poziome występujące przy hamowaniu lub przyśpieszaniu pociągów dużej prędkości często w długich mostach dźwigar skrzynkowy łączy się sztywno z podporą w postaci łuku, układu kozłowego lub rozwidlonego filara. Tego rodzaju podpora znakomicie przenosi takie siły (rys. 2.9).

Rysunek 2.8. Przykładowe układy łożysk w dźwigarach: prostym – oś łożysk prostopadła do osi podłużnej (a), ukośnie podpartym (b) i zakrzywionym w planie (c)

Rysunek 2.9. Przykład częściowo zintegrowanego mostu kolejowego na linii dużej prędkości w Niemczech [40]

2.1.5. Przepony

W belkowych dźwigarach skrzynkowych zazwyczaj stosuje się tylko przepony lub półprzepony podporowe. Pośrednie przepony przęsłowe mogą być potrzebne w mostach:

• ukształtowanych w łuku poziomym o promieniu mniejszym niż 300,00 m;

• o łamanej krawędzi dolnej w miejscach załamań.

Grubość tych elementów wynosi 1,00 m lub więcej, gdy w przeponie są kotwione zewnętrzne kable sprężające.

Jeżeli łożyska są umieszczone w pobliżu osi środników, przeważnie wystarczy lokalne pogrubienie środnika – półprzepona. Gdy łożyska nie są usytuowane w pobliżu środników, musi być zaprojektowana przepona sztywna z ewentualnymi otworami przejściowymi.

Można nie łączyć przepon z płytą pomostową, aby nie zaburzać jej pracy statycznej w kierunku poprzecznym (rys. 2.10). Efekt ten można uzyskać, pozostawiając szczelinę pomiędzy spodem płyty a górną krawędzią przepony. Szczelina powinna mieć długość równą około połowy rozstawu środników i wysokość 10–30 cm.

Rysunek 2.10. Usztywnienia podporowe

2.1.6. Przykłady mostów skrzynkowych z betonu sprężonego

Mosty drogowe

Na rysunkach 2.11 i 2.12 pokazano trzy przykłady ukształtowania mostów drogowych o różnych rozpiętościach przęseł. Jak wspomniano już wcześniej, dźwigary o stałej wysokości są stosowane zazwyczaj przy przęsłach nieprzekraczających 80 m rozpiętości. Wykonuje się je przy zastosowaniu różnego rodzaju rusztowań lub metodą nasuwania podłużnego.

Przykład z rys. 2.11 jest o tyle nietypowy, że przedstawiony na nim wiadukt drogo-wy w ciągu Trzeciej Obwodnicy Stambułu [80] zaprojektowano jako trasę o 4 pasach ruchu w każdą stronę, stąd jednokomorowy dźwigar skrzynkowy (dla jednej nitki obwodnicy) ma całkowitą szerokość 22,00 m, a szerokość spodu skrzynki wynosi 9,50 m.

Rysunek 2.11. Wiadukt drogowy w ciągu Trzeciej Obwodnicy Stambułu w Turcji [80]

Przy większych rozpiętościach stosuje się zazwyczaj dźwigary o zmiennej wysokości, które są realizowane przeważnie metodami wspornikowymi.

W przypadku dużych, wieloprzęsłowych obiektów rozpiętości przęseł mogą być różne: krótsze nad terenami zalewowymi, a dłuższe nad główną przeszkodą wodną (rys. 2.12).

Rysunek 2.12. Przykłady skrzynkowych mostów drogowych o zmiennej wysokości konstrukcyjnej przęseł: a) most przez Odrę w ciągu Obwodnicy Śródmiejskiej Wrocławia, b) most przez Odrę w ciągu drogi ekspresowej S3 w Cigacicach

Mosty kolejowe

Dźwigary skrzynkowe z betonu sprężonego są często stosowane przy budowie mostów i wiaduktów w ciągu linii kolejowych o dużych prędkościach ruchu pociągów [69, 81]. Zastosowanie betonowych ustrojów nośnych jest korzystne z uwagi na lepszą pracę takich konstrukcji pod obciążeniami ruchomymi niż konstrukcji stalowych. Betonowe dźwigary mają większą masę i większe właściwości tłumienia drgań niż konstrukcje stalowe, co sprawia, że są korzystniejsze z eksploatacyjnego punktu widzenia. Na rysunkach 2.13 i 2.14 pokazano przykłady zrealizowanych, współczesnych mostów kolejowych o ustrojach nośnych z betonowych dźwigarów skrzynkowych.

Rysunek 2.13. Przykłady kolejowego mostu skrzynkowego o stałej wysokości przęseł; wiadukt w ciągu linii dużej prędkości San Julian w Hiszpanii [2]

Obiekt z rys. 2.13 to typowa konstrukcja belkowa o stałej wysokości przęseł, natomiast mosty przedstawione na rys. 2.14 to obiekty półintegralne wybudowane na kolejach niemieckich. Warto podkreślić, że współcześnie linię dwutorową lokuje się przeważnie na jednokomorowym dźwigarze skrzynkowym.

Rysunek 2.14. Częściowo integralne mosty kolejowe w Niemczech: most Rombachtalbrücke [42] (a) i most Maintalbrücke [40] (b)

2.2. Technologie budowy wieloprzęsłowych mostów skrzynkowych

2.2.1. Podstawowe informacje

Wieloprzęsłowe mosty skrzynkowe są budowane jedną z trzech podstawowych metod:

• metodą sekcja po sekcji przy użyciu różnego typu rusztowań [10];

• metodą nasuwania podłużnego (wzdłużnego) [28, 29];

• metodą betonowania lub montażu wspornikowego [8, 16, 75].

W tablicy 2.1 przedstawiono te metody, podając jednocześnie zakres ich stosowania. Pierwsze dwie technologie – metoda sekcja po sekcji (przęsło po przęśle) i nasuwania podłużnego – mają zastosowanie przy budowie obiektów o przęsłach średniej długości od 30,00 do 80,00 m. Metoda betonowania i montażu wspornikowego jest stosowana do budowy przęseł o dużej rozpiętości > 80,00 m.

Tablica 2.1. Zakres stosowania poszczególnych technologii jako funkcja rozpiętości budowanych przęseł

Wybór technologii budowy zależy od wielu czynników, m.in. takich jak:

• rodzaj pokonywanej przeszkody – teren otwarty, miejski lub przemysłowy, głęboka dolina, dolina rzeczna, jezioro, zatoka morska;

• wysokość położenia obiektu nad terenem;

• usprzętowienie i rodzaj doświadczeń firmy wykonawczej;

• termin realizacji.

Należy zaznaczyć, że nie ma jednej optymalnej technologii, a różne firmy mogą proponować wykonanie obiektu przy zastosowaniu odmiennych metod. Często duże wieloprzęsłowe mosty są wykonywane przy wykorzystaniu dwóch, a nawet trzech technologii, na przykład przęsła nurtowe budowane są metodą betonowania wspornikowego, a przęsła nad terenami zalewowymi – metodą nasuwania podłużnego (rys. 2.15). W końcowym etapie obie części można połączyć za pomocą styku sprężonego.

Rysunek 2.15. Przykład budowy wieloprzęsłowego mostu przy wykorzystaniu dwóch różnych technologii: a) faza budowy, b) gotowy obiekt

Na rysunku 2.16 przedstawiono różnicę kosztów (ceny z 2010 r.) wykonania mostu autostradowego metodą betonowania na rusztowaniach a metodą nasuwania podłużnego. Przeanalizowano dwie wysokości usytuowania obiektu nad terenem oraz nasuwanie obu nitek jednocześnie lub jedna po drugiej.

Jak widać na wykresie, wykonywanie mostów na rusztowaniach jest opłacalne dla obiektów krótkich, natomiast przy długości przekraczającej 160 m wykonywanie mostu metodą nasuwania podłużnego będzie tańsze niż realizacja na rusztowaniach. Wyniki analizy przedstawione na rys. 2.16 [4, 5] mają ograniczone zastosowanie, albowiem postęp w technologii rusztowań mobilnych jest znaczący i na przykład rusztowania wyposażone w system samoczynnej regulacji niwelety (organiczne) [43] stanowią realną konkurencję dla metody nasuwania podłużnego w przypadku długich obiektów wieloprzęsłowych.

W następnych rozdziałach (3, 4 i 5) zostaną szczegółowo omówione podstawowe technologie budowy wieloprzęsłowych mostów skrzynkowych oraz wpływ wybranej metody na proces projektowania takich konstrukcji.

Rysunek 2.16. Orientacyjne porównanie kosztów obiektów mostowych wykonywanych metodą nasuwania lub na rusztowaniach [4]

2.2.2. Sposoby wykonywania dźwigarów skrzynkowych

Dźwigary skrzynkowe z betonu sprężonego wykonuje się w segmentach w formach stalowych lub stalowo-drewnianych. Długość segmentu zależy od wielu czynników, na przykład takich jak:

• miejsce wytwarzania segmentów – w zakładzie prefabrykacji czy na placu budowy bezpośrednio w miejscu docelowym konstrukcji;

• metoda budowy obiektu: sekcja po sekcji, nasuwanie podłużne, betonowanie lub montaż wspornikowy.

Segmenty prefabrykowane wykonuje się zazwyczaj jednoetapowo w formach stalowych z uwagi na wymaganą dużą dokładność wykonania. Długość segmentów prefabrykowanych przeważnie nie przekracza 3,00 m z uwagi na możliwości transportowe.

Segmenty monolityczne wykonywane w osi obiektu mają długość zależną od metody realizacji, dlatego sposoby ich produkcji zostaną szczegółowo omówione w rozdziałach 3, 4 i 5.

2.2.3. Wykonywanie dźwigarów skrzynkowych z użyciem elementów prefabrykowanych

W dzisiejszych czasach coraz większą wagę przywiązuje się do estetyki i walorów architektonicznych obiektów mostowych. Szczególnie wysokie wymagania estetyczne stawiane są obiektom miejskim, których wygląd decyduje często o wyrazie architektonicznym miasta lub jego dzielnicy [9, 10]. W wielu krajach jest rzeczą niedopuszczalną, by w obiektach mostowych kolektory odprowadzające wodę opadową były poprowadzone wzdłuż eksponowanej elewacji obiektu mostowego.

Elegancką formę dużego obiektu mostowego można uzyskać, stosując specjalnie ukształtowane skrzynkowe ustroje nośne, wewnątrz których można ukryć system odwodnienia obiektu. Dla osiągnięcia tego zamierzenia przekrój poprzeczny skrzynkowego ustroju nośnego powinien być dwu lub trzykomorowy. W przypadku przekrojów trzykomorowych, w celu ułatwienia procesu wykonania ustroju nośnego, często są stosowane boczne elementy prefabrykowane betonowe lub stalowe. Elementy te mogą:

a) stanowić swego rodzaju atrapę nadającą wymaganą formę budowli oraz zasłaniającą kolektory odwodnienia (jak np. w krakowskim Moście Zwierzynieckim [19]), wówczas są one montowane po zakończeniu procesu budowy i nie pełnią żadnej funkcji konstrukcyjnej;

b) być scalane z wykonanym ustrojem skrzynkowym (za pomocą węzłów monolitycznych) i wówczas biorą udział w przenoszeniu obciążeń użytkowych oraz elementów wyposażenia;

c) stanowić integralną część konstrukcji ustroju nośnego, wówczas przenoszą wszystkie obciążenia.

Dalej przedstawiono, na wybranych przykładach, rozwiązania konstrukcyjne wymienione w punktach b) i c).

• Montaż elementów do wykonanego wcześniej przekroju skrzynkowego

Pokazano dwa zrealizowane rozwiązania:

− Estakady Gądowskiej we Wrocławiu [7, 14], gdzie prefabrykowane łupiny żelbetowe wyposażono w żebro z betonu zbrojonego (rys. 2.17).

Szerokość łupin wynosiła 1,98 m. Dolny węzeł wykonano następująco: w środniku skrzynki osadzono, na zaprawę żywiczną, cztery pręty kotwiące ∅20 mm; po wyregulowaniu położenia łupiny końcówkę żebra zabetonowano, tworząc ściskany węzeł

Rysunek 2.17. Prefabrykowane elementy przygotowane do montażu (fot. archiwum firmy DROMEX)

monolityczny. Górny węzeł wykonywano dwuetapowo: w prefabrykat wbetonowywany był płaskownik wypuszczony z żebra. W czasie montażu prefabrykat ułożono na stopce środnika, a płaskownik przyspawano do blachy na krawędzi wspornika płyty. Zarówno z płyty pomostowej, jak i z żebra łupiny były wypuszczone pręty zbrojeniowe. Finalnie podczas montażu prefabrykowanych gzymsów żelbetowych betonowano węzeł górny łączący łupinę, płytę pomostową i prefabrykat gzymsowy. Łupiny nie były między sobą łączone. W sumie zamocowano 1280 prefabrykowanych łupin. Masa każdej wynosiła 3,70 t. Osiągnięty efekt pokazano na rys. 2.18 i 2.19.

Rysunek 2.18. Sposób łączenia prefabrykatu z konstrukcją dźwigara skrzynkowego i widok gotowej konstrukcji [7] (fot. Jerzy Onysyk)

Rysunek 2.19. Widok wykonanych estakad (fot. Jerzy Onysyk)

− Wiaduktu kolejowego koło miejscowości Ventabren we Francji. W tym przypadku po wykonaniu zasadniczej konstrukcji (stosowano metodę nasuwania podłużnego i betonowania wspornikowego) zamontowano nadające jej finalny kształt łupiny żelbetowe. Stosowano styki monolityczne [73]. Ideowo zastosowane rozwiązanie (rys. 2.20) jest podobne do poprzednio pokazanego (rys. 2.18).

Rysunek 2.20. Budowa kolejowego wiaduktu koło Ventabren we Francji (fot. archiwum firmy Freyssinet Polska Sp. z o.o.)

• Elementy kształtujące będące integralną częścią konstrukcji

Rozwiązanie takie jest korzystniejsze od omówionego w poprzednim punkcie z uwagi na pełną współpracę dodanego elementu przy przenoszeniu wszystkich obciążeń. Dalej przedstawiono:

− Estakadę kolejową w obrębie stacji im. Masaryka w Pradze [70, 76]. Ponieważ jest to obiekt położony w centrum miasta, starano się nadać mu oryginalny kształt. Trzykomorowy dwunastoprzęsłowy dźwigar skrzynkowy z betonu sprężonego wykonano, stosując wkładane do formy prefabrykowane żelbetowe łupiny boczne. W pierwszej fazie betonowano przekrój U, a potem, wykorzystując „deskowanie tracone”, płytę górną (rys. 2.21). Uzyskany efekt pokazano na rys. 2.22.

Rysunek 2.21. Widk z boku i przekrój poprzeczny estakady kolejowej w Pradze [76]

Rysunek 2.22. Widok estakady w końcowej fazie realizacji (2008) [76]

− Estakadę dojazdową (północną) do mostu Rędzińskiego we Wrocławiu [6]. Obiekt wykonano metodą nasuwania podłużnego. Prefabrykowane elementy (z wypuszczonym zbrojeniem) wkładano do formy i betonowano: w pierwszej fazie płytę dolną i środniki, a następnie płytę pomostową (rys. 2.23). W rezultacie uzyskiwano trzykomorowy dźwigar skrzynkowy o ciekawej architekturze (rys. 2.24).

Rysunek 2.23. Sposób budowy ustroju nośnego mostu. Na kolejnych fotografiach pokazano prefabrykaty przygotowane do montażu, ułożone w formie (zdjęcia górne) i przekrój poprzeczny wykonanego segmentu (zdjęcie dolne) (fot. Jan Biliszczuk)

Rysunek 2.24. Widoki estakady E1 po zamontowaniu prefabrykowanych elementów gzymsowych (fot. Jan Biliszczuk)

− Estakadę przy stadionie w ciągu Autostradowej Obwodnicy Wrocławia. W obiekcie tym zastosowano podparcie wsporników w postaci zastrzałów z rur stalowych ustawionych przy użyciu pochylonej kratownicy. Na rysunku 2.25 pokazano ukształtowanie dźwigara i sposób łączenia zastrzałów, a detal węzła górnego – na rys. 2.26. Obiekt wykonany metodą sekcja po sekcji.

Z przedstawionych przykładów wynikają następujące uwagi:

a) zastosowanie elementów prefabrykowanych (betonowych lub stalowych) do kształtowania formy ustrojów nośnych umożliwia uzyskanie ciekawych efektów architektonicznych;

b) prefabrykaty mogą być różnorodnie ukształtowane;

c) konstrukcje z zastosowaniem prefabrykatów mogą być wykonane zarówno w obiektach prostych, jak i zakrzywionych w planie;

d) podparcie wsporników płyty pomostowej pozwala na zmniejszenie szerokości podstawowego dźwigara skrzynkowego, a tym samym szerokości filarów, co prowadzi do zmniejszenia kosztów obiektu;

e) użycie elementów prefabrykowanych skraca czas realizacji obiektu;

f) elementy prefabrykowane mogą być stosowane w dowolnej technologii budowy przęseł średniej i dużej rozpiętości;

g) w obecnych warunkach produkcji prefabrykatów można uzyskać elementy cienkościenne o złożonym kształcie oraz o wysokiej jakości materiałowej i dużej dokładności geometrycznej.

Rysunek 2.25. Konstrukcja estakady WA19 [7]

Rysunek 2.26. Detal ukształtowania i zbrojenia węzła górnego mocowania zastrzału