1. Общие сведения о развитии металлических мостов.

Основные исторические периоды материала металлических мостов.

Датой рождения металлических мостов считают 1779 год, когда в Англии был построен мост из чугуна с пролетом 30.5 м.

Металлические элементы и ранее использовалось в мостовых сооружениях. Есть данные про древние висячие мосты в Китае, у которых цепи имели железные звенья.

В 19 в. инженеры создавали и совершенствовали новые статические схемы и новые конструктивные решения. Этот процесс протекал болезненно. Обрушение мостов при их возведении было не редкостью. Также обрушались уже построенные мосты, что приводило к многочисленным человеческим жертвам. Это было вызвано тем, что многие проектные решения не могли быть подкреплены расчетами, поскольку еще не были созданы соответствующие расчетные теории. Инженеры прошлого в основном полагались на интуицию и на испытания уменьшенных копий мостов, а также их узлов и деталей. Но самое удивительное заключалось в том, что в таких условиях создавались грандиозные сооружения циклопических размеров.

Строительство стальных мостов ускоряло развитие металлургии по совершенствованию состава сталей и номенклатуре выпускаемых изделий.

На каждом историческом этапе схемы мостов, их пролеты и конструкции представляются логичными, так как были продиктованы меха­ническими свойствами металла и инженерным уровнем времени, причем последнее обстоятельство играло второстепенную роль. Историю материала металлических мос­тов Е.О. Патон разделял на три периода:

• 1780-1850 гг. - чугун;

• 1850-1900 гг. - сва­рочное железо;

• с 1890 г. - стали.

ЧУГУН - это сплав железа с относительно большим количеством углерода - от 2 до 4.5%. Производится из чугуна сырца, выплавляемого из железной руды и кокса в доменных печах. Руда и кокс послойно загружаются в доменную печь. Высокая температура 1100—1200 градусов достигается за счет горения углерода кокса. Кокс, который состоит на 90% из углерода, получают из каменного коксующегося угля нагреванием без доступа воздуха до температуры близкой к 1000 градусов. Продукты горения кокса восстанавливают из руды железо и в то же время науглераживают его, превращая в чугун. Свойства чугуна зависят от примесей и способа охлаждения отливок. У чугуна в явном виде отсутствуют предел упругости и удлинение при разрыве. Все сорта чугуна отличаются хрупкостью. Разрушение происходит без видимых деформаций. Нет линейной зависимости деформаций от напряжений. Остаточные деформации появляются даже при малых напряжениях. Средний модуль деформации около 100 000 МПа, т.е. вдвое меньше, чем у стали. Временное сопротивление чугуна Сжатию, растяжению и изгибу различно, вследствие чего чугун пригоден только для сжатых частей. В 19 в. были достигнуты следующие временные сопротивления: при сжатии = 290-980 МПа; при растяжении = 70-300 МПа; при изгибе = 100-350 МПа. Внутренние напряжения при остывании отливок могут привести к разрушению отливки даже при слабом ударе. Внутри чугунной отливки часто образуются пустоты.

СВАРОЧНОЕ ЖЕЛЕЗО - неоднородный волокнистый материал научились получать в середине 19 в. из чугуна. Чугун варили, перемешивая в течение двух и более часов, удаляя, таким образом, графит из расплава. Масса перемешивалась со шлаком и изливалась, остывала с его включениями. Этот пористый материал называли крицей. Далее, крицу разогревали и проко- нывали под паровым молотом, уплотняя и сваривая проковкой отдельные куски железа между собой. Затем прокатывали на вальцах. Уплотненные остатки шлаков внутри железа приобретали вид нитей-строчек, сообщая сварочному железу волокнистую структуру и неоднородность свойств вдоль и поперек прокатки. Механические характеристики сварочного железа были следующими: временное сопротивление вдоль волокон = 230-490 МПа; поперек = 180— 390 МПа; предел упругости вдоль волокон = 130-230 МПа; удлинение при разрыве вдоль волокон = 30-10%; поперек = 6-2 %.

СТАЛИ. С изобретением конвертора и мартена начали производить стали, которые имели равномерную мелкозернистую структуру. В 1856 году в Англии Бессемер изобрел способ, при котором удаление углерода из чугуна происходило за счет сжатого воздуха, вдуваемого в конвертор. Сталь получают через 15-30 мин и поэтому из-за скоротечности процесса сложно было регулировать выделение примесей. В 1865 году в Париже Мартен применил способ выплавки стали на поде печи, в которую вдувался кислород. Процесс выплавки стали стал более длительным и продолжался 3-4 ч, и поэтому позволял строго регулировать выделение примесей до желаемой степени. Кроме того, происходила меньшая загазованность стали из-за того, что воздух соприкасался лишь с поверхностью, не проникая во внутрь. Выплавленную в болванки сталь затем вновь разогревали и прокатывали. Сталь, в отличие от сварочного железа, могла закаливаться. Кроме того, появилось стальное литье. Механические свойства сталей в начале 19 в. были близки по своим свойствам к современным углеродистым сталям.

Первый чугунный арочный мост был построен в 1779 году Абрахамом Дерби (Abraham Darby) в городке Коэлбрукдэил (Coalbrookdale) в графстве Shropshire в Англии Пролет арки равен 30.5 м; полный вес моста 378.5 т. Чугунные элементы арок были отлиты на заводе, а затем собраны при помощи шпилек и болтов (рис.2.2).

В 1796 году в Англии был построен чугунный арочный мост в Сундерленде с рекордным пролетом 72 м. Арка состояла из отдельных коробчатых секций. Надарочное строение было чугунным сквозным.

Чугунные арочные мосты стали строить повсеместно. Пролеты мостов постепенно увеличивались. В России наиболее значительным чугунным арочным мостом являлся Николаевский мост в Петербурге (после революции был назван мостом Лейтенанта Шмидта). Он был построен в 1843-1850 гг. Мост имел пролеты по схеме: 32.1 + 36.9 + 42.9 + 46.8 + 42.9 + 36.9 + 32.1 м. Полная длина моста составила 298 м. Проект майора-инженера С. В. Кербедза, архитектор А.П. Брюллов. В 1938 году пролетные строения моста заменены стальными сварными балками.

Арочные мосты из чугуна строили повсеместно до середины 19 в., потом чугуну

на смену пришло сварочное железо, а затем и стали. Первый большой арочный мост из

стали (Лркольский) был построен в Париже 1853 году.

Отсутствие широкого стального проката приводило к созданию ажурных конст-

рукций, мастером которых, несомненно, был Густав Эйфель (Gustave Eiffel). Мост Ма-

рии Пиа (Ponte Maria Pia) через реку Доуро в Португалии с пролетом 160 м был по-

строен в 1877 году по его проекту.

В 1884 году Эйфель строит мост Гарабит (Garabit) во Франции аналогичной системы с пролетом арки 165 м. Пролет арки в то время был наибольшим в мире.