14.2. Конструкции стальных ортотропных плит
Ортотропная плита - плита, имеющая разные деформативные свойства в двух взаимно перпендикулярных направлениях: вдоль продольных ребер и вдоль поперечных балок.
Верхняя ортотропная плита, расположенная в уровне проезда, состоит из листа настила, приваренных к нему продольных ребер и поперечных балок, опирающихся на основные конструкции (обычно стенки) главных балок. В постоянных мостах толщина листа настила принимается не менее 12 мм, расстояния между продольными ребрами 300—400 мм, длина панели между поперечными балками 1,8—5 м (обычно 3—4 м).
Рис. 4.2. Сечения продольных ребер ортотропной плиты
Ортотропные плиты бывают одноярусными и двухъярусными. В одноярусной плите лист настила совмещен с верхними поясами продольных ребер и поперечных балок; таким образом, продольные ребра пересекают стенки поперечных балок. В двухъярусной плите лист настила совмещен с верхними поясами только продольных ребер, а поперечные балки имеют собственные верхние пояса, на которые ярусно опираются продольные ребра (рис. 4.2,6). Благодаря совместной работе листа настила с поперечными балками одноярусная плита требует несколько меньше металла, чем двухъярусная, но конструктивная форма двухъярусной плиты проще.
Для одноярусных конструкций наиболее характерны следующие сечения продольных ребер: плоские (полосовые, рис. 4.2, а), наиболее простые конструктивно и удобные для стыкования (обычно на высокопрочных болтах), но невыгодные для работы на изгиб; замкнутые, холодногнутые (трапециевидные, а также U-образные или треугольные, рис. 4.2, б) из тонкой стали (толщиной 6 мм), герметизированные заглушками по концам и не окрашиваемые внутри, эффективные для работы на изгиб и хорошо сопротивляющиеся кручению (это увеличивает число ребер, вовлекаемых в работу под местной нагрузкой), привариваемые односторонними швами и соответственно требующие вдвое меньше швов, чем плоские ребра, но менее удобные для стыкования и пересечения с поперечными балками. Стыкование осуществляется обычно полуавтоматической сваркой на остающихся внутренних подкладках; для получения хорошего качества соединений и пересечений необходима относительно высокая точность изготовления плит.
В одноярусных ортотропных плитах применяли также продольные ребра из судостроительных полособульбовых профилей (рис. 4.1, в). Такие ребра были особенно сложны для соединения.
В двухъярусных ортотропных плитах применяли следующие сечения продольных ребер: двутавровые (из прокатных профилей, применялись в первых отечественных пролетных строениях с ортотропными плитами, рис. 4.2, г), относительно металлоемкие из-за наличия лишнего пояса у настила; тавровые, из прокатных тавров, из половин прокатных двутавров и сварные (рис. 4.2,), достаточно эффективные; из неравнополочных уголков (рис. 4.2, е), несимметричность которых затрудняла достижение проектного положения ребер после их приварки к листу настила.
Некоторые из перечисленных сечений продольных ребер использовались и в одноярусных конструкциях ортотропных плит.
Поперечные балки применяют при одноярусной конструкции сварного таврового сечения (достающий пояс заменяет лист настила). В случае двухъярусной плиты поперечные балки могут быть сварными двутавровыми либо решетчатой комбинированной конструкции, выполняющей одновременно функции поперечных связей.
При одноярусной плите в стенках поперечных балок делают вырезы, через которые пропускают продольные ребра. Конструкция выреза должна обеспечивать снижение концентрации напряжений. Полосовые продольные ребра обычно приваривают к стенке поперечной балки только с одной стороны, что существенно упрощает изготовление плит. Можно еще больше упростить конструкцию и вообще не приваривать полосовые (или полособульбовые) продольные ребра к стенкам поперечных балок тогда нагрузка передается с продольного ребра на поперечную балку только работой листа настила на изгиб, Надежность такого узла проверена в лабораторных и натурных условиях. Стыки продольных ребер размещают в третях или четвертях панели (в зоне действия небольших изгибающих моментов в неразрезных продольных ребрах).
Особенность ортотропных плит состоит в наличии большого числа сварных швов, что определяет значительность сварочных деформаций и повышенную трудоемкость изготовления ортотропных плит. Изготовление чаще всего ведут в специальной оснастке, лист настила предварительно выгибают для погашения сварочных деформаций, сварку производят двухдуговыми автоматами.
Отправочные марки ортотропной плиты имеют исходя из условий транспортирования ширину 2,4—3 и длину 9—20 м. Наиболее характерно продольное членение плиты на блоки, при котором длина блоков ориентирована вдоль оси моста, что уменьшает число монтажных стыков продольных ребер и соответственно общий объем монтажных соединений. Поперечное членение, отличающееся отсутствием промежуточных монтажных стыков поперечных балок, оказывается иногда рациональным при навесной сборке и в некоторых других случаях.
Листы настила соединяют стыковыми монтажными сварными швами, выполненными обычно автоматической сваркой на медных съемных подкладках. Возможно также выполнение их на удаляемых или остающихся стальных подкладках. При невозможности обеспечить на заводе достаточную точность кромок листов последние изготовляют с припуском и обрезают по месту автогеном на монтаже. К поясам главных балок листы настила присоединяют обычно внахлестку с наложением палубного и потолочного фланговых швов. Применяют и широкие, заплавленные металлом (с «крупкой») стыковые швы.
Возможны монтажные соединения листов настила на высокопрочных болтах, что, в общем, желательно для конструкций северного исполнения. Однако устройство таких соединений существенно увеличивает металлоемкость и трудоемкость плиты. Кроме того, выступающие головки высокопрочных болтов затрудняют устройство высококачественного защитно-ездового покрытия поверх листа настила.
Монтажные стыки поперечных балок и прикрепления балок и консолей к ребрам главных балок осуществляют почти всегда на высокопрочных болтах. Продольные ребра соединяют либо на высокопрочных болтах, либо монтажной сваркой (ручной или полуавтоматической). Ценой небольшого увеличения расхода стали и концентраций напряжений (безопасного, однако, для конструкций обычного исполнения) можно значительно уменьшить трудоемкость монтажа ортотропной плиты и число высокопрочных болтов, отказавшись от соединения продольных ребер в швах между блоками плиты. Ребра обрываются у шва с устройством скосов, уменьшающих концентрации напряжений. Для компенсации ослабления сечения плиты лист настила у шва утолщается путем устройства соответствующих вставок по обе стороны шва.
Металлоемкость верхней ортотропной плиты колеблется в пределах 160—200кг/м2, что составляет около половины расхода стали на все пролетное строение.
Конструктивные особенности нижних ортотропных плит (практически всегда одноярусных) заключаются в больших расстояниях между продольными и поперечными ребрами, являющихся здесь уже не балками, а только ребрами жесткости. Поперечные ребра представляют собой элементы поперечных связей (входят в состав поперечных рам). Горизонтальный лист соединяют с поясом главной балки внахлестку с наложением фланговых сварных швов, стыковыми сварными швами, на высокопрочных болтах.