Основными несущими элементами пролетных строений арочных мостов являются арки. Арки упираются в опоры и от вертикальных нагрузок передают на них не только вертикальные, но и горизонтальные давления — распор.
Распор вызывает в сечениях арки отрицательные изгибающие моменты, в связи с чем расчетные моменты в арках значительно меньше, чем в аналогичных по величине пролета и нагрузке балках. Поэтому сечения арок меньше, чем аналогичных балок, и перекрывающая способность их выше.
Опыт проектирования показывает, что даже с учетом веса надарочной конструкции арочное пролетное строение обычно легче балочного, особенно при больших пролетах.
Пролетные строения балочных мостов изготовляются на заводе серийно, так как размеры и конструкция их типизированы. Элементы арочных пролетных строений типизировать значительно труднее, так как пологость арок является весьма изменчивым параметром.
При сооружении арочных мостов требуется более высокая точность работ, чем в балочных мостах, так как отклонения от заданных размеров между центрами опорных частей, кривизны арки и т. п. могут существенно повлиять на величину усилий в арках.
Для суждения о стоимости арочных мостов необходимо учитывать, что в связи с наличием распора опоры арочного моста, особенно при неблагоприятных грунтовых условиях, требуют значительно больших размеров, чем опоры аналогичных балочных мостов.
Практика показывает, что в железнодорожных мостах при пролетах до 150 ж балочные пролетные строения благодаря преимуществам, создаваемым их типизацией и простотой конструкции, оказываются обычно более экономичными даже при наличии хороших грунтов.
При пролетах свыше 200 м балочные мосты становятся слишком тяжелыми, и преимущества арочных систем в отношении веса пролетных строений при наличии благоприятных геологических условий выдвигают эти системы на видное место.
Широко применяются арочные мосты в городах, что связано с их архитектурными достоинствами.
Один из первых в России арочных мостов под железную дорогу сооружен в 1907 г. по проекту проф. Л. Д. Проскурякова через р. Москву в Москве (рис. 255). Пологие серповидные арки этого моста делают силуэт его легким и изящным. Несомненно, что применение в этом случае балочных ферм значительно ухудшило бы внешний вид моста.
Ряд металлических арочных мостов построен в Москве и других городах СССР в годы Советской власти.
Существенное влияние на внешний вид и конструкцию моста оказывает расположение проезжей части относительно арок.
Наиболее благоприятным в конструктивном и архитектурно-художественном отношениях является расположение проезжей части моста над арками или в уровне замка арок.
В мостах с ездой поверху число арок в пролетном строении может быть назначено по условиям наиболее простого и экономичного решения конструкции пролетного строения. Однако устройство езды поверху не всегда возможно по местным условиям, так как имеющийся просвет между уровнем воды или верхом подмостового габарита и уровнем полотна дороги может оказаться недостаточным для размещения арок приемлемой пологости.
Расположение пят арок ниже горизонта высоких вод нежелательно, а ниже горизонта ледохода недопустимо. Уровень проезжей части определяется продольным профилем дороги; повышение его вызывает обычно удорожание подходов, а в некоторых случаях вообще неприемлемо по условиям допустимых уклонов или планировки и застройки предмостных площадей в городах.
В существующих металлических арочных мостах с ездой поверху пологость арок колеблется в довольно широких пределах, примерно от 1:2,5 до 1:18. Большинство существующих городских арочных мостов имеет пологость, характеризуемую отношением:
Применение более пологих арок заметно увеличивает стоимость опор моста. В этих условиях часто целесообразно применение более крутых арок с расположением их на некоторой длине пролета выше проезжей части, т. е. устройство езды посередине (см. рис. 263) у мостов с ездой посередине проезжая часть при жестком соединении ее с арками препятствует деформации арок и, работая как затяжка, воспринимает на себя распор. Чтобы избежать этого, на участке проезжей части, расположенной ниже арок, необходимо устроить разрез.
Сопряжение арок с опорами может быть шарнирным или жестким.
В бесшарнирных арках в результате защемления пят увеличивается жесткость пролетного строения (уменьшаются его прогибы под временной нагрузкой), а на опоры моста передаются, помимо давления арок, также изгибающие моменты. Под влиянием температурных изменений и неравномерной осадки опор в бесшарнирной арке возникают дополнительные изгибающие моменты, величина которых тем больше, чем жестче арка.
Устройство в пятах арок шарниров, обеспечивающих возможность поворота, как известно, значительно снижает величины моментов от температурных деформаций и смещения опор, а добавление шарнира в замке, т. е. переход к трехшарнирной арке, вообще исключает появление моментов от изменения температуры и смещения опор. Моменты, которые возникают из-за трения в шарнирах, обычно не учитываются.
Однако с увеличением числа шарниров прогибы арки под временной нагрузкой увеличиваются. В трехшарнирной арке, кроме того, возникает перелом упругой линии прогиба у замкового шарнира (рис. 256). Наличие такого перелома вызывает ударное воздействие подвижной нагрузки на арку. Поэтому в мостах под железную дорогу устройство постоянного шарнира в замке арки нежелательно.
Устройство в арках шарниров влияет на распределение по длине арки максимальных изгибающих моментов от внешней нагрузки и температуры. На рис. 257 показаны эпюры максимальных изгибающих моментов для бесшарнирной, двухшарнирной и трехшарнирной арок. Сопоставление эпюр показывает, что в бесшарнирной арке распределение изгибающих моментов более равномерно, чем в арках с шарнирами.
Разномерность изменения расчетных усилий облегчает экономичное конструирование арки; с этой точки зрения бесшарнирные арки имеют преимущества перед арками с шарнирами.
До 30-х примерно годов арки мостов средних и больших пролетов принимались, как правило, в виде сквозных ферм с большой жесткостью. Для уменьшения влияния температуры арки устраивались обычно двухшарнирными. В современной практике даже при весьма больших пролетах (до 300 мм более) находят применение арки со сплошной стенкой. Ограниченные возможности развития высоты арок со сплошными стенками побуждают использовать все средства для увеличения их жесткости и прежде всего защемление пят, тем более что температурные напряжения (в силу малой жесткости арок со сплошными стенками больших пролетов) не достигают значительных величин.
Примером моста с бесшарнирными арками со сплошной стенкой может служить городской мост в Стокгольме (Швеция), построенный в 1935 г. (рис. 258). Мост — двухпролетный, с пролетами 168 и 204 м.
Стрелы подъема арок соответственно равны 20, 30 и 24,65 м. Арки замкнутого коробчатого сечения увеличиваются " по высоте от середины пролета к опорам в соответствии с изменением изгибающего момента, имеющего наибольшую величину в пятах.
Защемление пят арок в опорах достигнуто опиранием каждого конца арки на две опорные части, как показано на рис. 259.
Примерами больших мостов с бесшарнирными арками со сплошными стенками могут служить также городской мост Генри Гудзона через р. Гарлем в Нью-Йорке пролетом 248 м, построенный в 1938 г., и мост через р. Ниагару (рис. 260), построенный в 1941 г. взамен прежнего моста, разрушенного ледоходом. Пролет арок моста 290 м.
