10 Особые виды металлических пролетных строений и мостов

Цельносварные пролетные строения

Сварка, снижая расход металла и трудоемкость изготовления, заслуживает широкого внедрения в мостостроение. Однако приме­нение ее в железнодорожных мостах встретило трудности. Дина­мический характер поездной нагрузки оказался неблагоприят­ным для сварных соединений мощных элементов мостов. Потребо­вались длительные исследования и изыскания особых конструкций, материалов и способов изготовления для создания вполне надеж­ных сварных мостов.

Сварка имеет свои особенности и тем более в применении к же­лезнодорожным мостам. Сварные соединения отличаются от клепа­ных большей жесткостью. В них нет той податливости, которой обладают заклепочные соединения и благодаря которой выравни­ваются напряжения между всеми заклепками соединения и частями элемента. В сварном соединении не происходит такого перераспре­деления усилий и особо перегруженные участки наплавленного и основного металла могут стать местом появления трещин.

Поэтому конструкции и выполнение сварных соединений должны исключать появление таких перегруженных мест, обеспечивать рав­номерное участие сварных швов в передаче усилий.

Скученное расположение швов в соединении, резкие переходы в сечении элементов и в сопряжениях, как выяснилось, снижают прочность. Кроме того, сварка вызывает дополнительные на­пряжения в металле. Расплавленный при сварке металл, осты­вая, сокращается в объеме. Но свободному сокращению препятст­вует металл околошовной зоны. В нем возникает растяжение настолько значительное, что иногда в результате неудовлетворитель­ной сварки сразу же появляются так называемые горячие трещины. Напряжения от сварки остаются и далее в сварной конструкции, в связи с чем их называют остаточными, или сварочными. Они нередко добавляются к напряжениям от нагрузки, ухудшая общее напря­женное состояние элемента. Высокие местные напряжения наряду с конструктивными и технологическими дефектами не раз приводили к разрыву сварных элементов в эксплуатации, особенно при низкой температуре.

Изучение повреждений и исследования сварки позволили полнее учитывать особенности сварных соединений. В современных конст­рукциях всемерно избегают густого и нежелательного расположения швов, обеспечивают плавность сопряжений элементов. Большое внимание уделяют подготовке (строжке) свариваемых кромок ме­талла, тщательному выполнению и последующей механической об­работке швов.

Выяснилось, что и металл, применяемый в клепаных мостах, не­пригоден для сварки. Поэтому сварные пролетные строения теперь изготовляют из специальной стали (стр. 85).

Примером более поздней сварной конструкции может служить опытное пролетное строение, показанное на рис. 109. Характерна здесь простота конструкции — двутавровое одностенчатое сечение всех элементов при пролете фермы 66 м и малое число элементов (рис. 109, а), плавные сопряжения (рис. 109, б). Это пролетное строение цельносварное; в нем все соединения сварные, включая монтажные на месте постройки моста.

Монтажная сварка, как отмечалось, еще мало приспособлена для широкого применения. Поэтому широкое распространение полу­чили болто-сварные, а до того, клепано-сварные пролетные строе­ния. В них только элементы сварные, выполняемые на заводе, а

Рис. 109. Цельносварное пролетное строение пролетом 66 м: С1 — схема пролетного строения, сечения и сопряжения элементов; б — узел нижнего пояса

фермы; 1 — продольная балка; 2 — поперечная балка

монтажные соединения элементов в узлах клепаные (рис. 110) или на высокопрочных болтах. Чтобы возместить ослабление растяну­тых элементов монтажными заклепочными (или болтовыми) отвер­стиями, иногда утолщают или уширяют по концам листы элемен­тов (см. рис. 110). Но и в этом случае нужны узловые накладки-фасонки. Поэтому экономия в металле (5—10%) клепано-сварных пролетных строений ниже, чем цельносварных (15—20%).

Рис. 110. Узел клепано-сварной фермы: 1—фасонка; 2 — утолщенный лист

Неразрезные и консольные пролетные строения

Неразрезные пролетные строения перекрывают два, три пролета, а иногда и более.

Их достоинства по сравнению с однопролетным, т. е. разрезным про­летным строением можно уяснить на примере изгиба балок. Под действием груза Р, одинакового в обоих случаях (рис. 111, а и б), обе балки — разрезная однопролетная а и неразрезная двухпролетная б изогнутся (по пунктиру), но величина прогиба будет различной. В разрезной прогиб больше, чем в неразрез­ной. В первом случае груз Р изгибает разрезную балку только в одном пролёте. Во втором случае изгиб балки в пролете с грузом сопровождается обратным прогибом балки в пролете без груза. При этом изгибу балки в загруженном пролете сопротивляется другая, незагруженная часть ее.

Поскольку прогиб неразрез­ной балки меньше, чем разрез­ной, можно уменьшить ее сече­ние по высоте и снизить расход металла иногда на 8—10% по сравнению с разрезной балкой.

Подобно этому, но в меньшем размере, уменьшается прогиб и оказывается возможным снизить высоту и массу консольных ба­лок (рис. 111, в). Здесь прогиб в загруженном пролете снижается сопротивлением изгибу консоли, на которую оперто пролетное строение АБ второго пролета. Пролет с консолью и подвесным пролетным строением называют сборны, а первый пролет — анкерным, так как пролетное

строение в этом пролете служит противовесом, своего рода анке­ром для консоли.

Неразрезные и консольные пролетные строения могут быть с балками или с фермами (см. рис. 63 и 64). Конструкция ба­лок, решетки ферм, связей, проезжей части в общем такие же, как и в разрезных пролетных строениях.

Особенность консольных пролетных строений — наличие опор­ных частей - шарниров в местах опирания подвесного пролетного: строения на консоль анкерного подобно конструкции по рис. 102.

У неразрезных и консольных балок (ферм) по сравнению с раз­резными даже при одинаковых пролетах отличны не только величина, но и вид усилия в одноименных элементах. Вид или знак усилия (сжатие, растяжение) в поясах, как можно было заметить на модели с изгибом палки (стр. 63), связан с очертанием балки (фермы) в изогнутом состоянии. Вогнутая, т. е. укорачивающаяся часть балки (пояс) сжата, выпуклая или удлиняющаяся — растя­нута. Так же и в неразрезной балке (рис. 111, б) и консоли (рис. 111, в), выпуклый пояс (нижний в первом пролете и верхний во втором пролете) растянут, а вогнутый сжат. При переходе на­грузки Р из первого пролета во второй прогибы, а соответственно и знак усилий изменяются на противоположные. С изменением знака усилий в поясах изменяются и знаки усилий в раскосах, примыкаю­щих к поясам. Точно, однако, усилия, как и очертание линии прогиба, определяются расчетом.

Недостаток неразрезных ба­лок—в их чувствительности к осадке опор. Предположим, что средняя опора (рис. 112) просе­ла. Тогда пролет балки увеличи-

Рис. 112. Просадка промежуточной

опоры двухпролетной неразрезнок

балки

вается вдвое, и, в ней возникают чрезвычайно большие напряжения, которые могут привести к разрушению. Консольные балки и фер­мы лишены этого недостатка. Шарнир в оттирании подвесного про­летного строения на консоль допускает при осадке опоры возможность изменения первоначального положения пролетных строений без появления в них дополнительных напряжений.

Арочные мосты

В отличие от балок и балочных ферм аркам из-за распора необ­ходимо, помимо вертикального, еще и горизонтальное противодейст­вие опор (рис. 113). Обе эти реакции — вертикальная V и горизон­тальная Н — могут быть заменены равнодействующей реакцией 5, направленной по оси арки (точнее, по касательной к ее оси в опор­ной точке). По тому же направлению действует и арка на опору. Наличие в арке по всей ее длине такого сжатия, помимо изгиба, от­личает арку от балки. Горизонтальное давление арок, или распор, как отмечено, объясняется тем, что нагруженная арка стремится раздвинуться концами в стороны, причем величина распора возрас­тает при более пологом очертании арки.

Распор арок требует особо устойчивого положения опор. Осадки и смещение опоры в сторону под действием распора позволяют ар­ке несколько распрямиться. При этом в ней возникают большие до­полнительные изгибающие силы (моменты). Чувствительность рас­порных арочных мостов к деформациям опор ограничивает их при­менение лишь случаями вполне надежных оснований. Особо бла­гоприятны крутые скалистые берега, в которые могут быть уперты через небольшие опоры арки однопролетного моста (см. рис. 65). Действие распора на опоры в арочных мостах, как известно, исключается, если концы арки соединены затяжкой (рис. 114, а).

Чувствительность арок к деформации опор снижают устройством трех шарниров: по одному в местах опирания и одного в середине пролета (рис. 114, б). При осадке или смещении опор такая трехшарнирная арка может изменить свое очертание, т. е. не­сколько раздвинуться за счет поворота в шарнирах, не подвергаясь опасности излома. Арочные мосты, как и неразрезные балки, экономичнее по расходу металла. Но усложнение арочной конструкции и утяжеление опор при неблагоприятном основании могут оправдать ее примене­ние в редких случаях, например по ар­хитектурным требованиям. В арочных мостах одностороннее загружение нагрузкой вызывает S-образное искривление проезжей части

(на рис. 114, в показано пунктиром). Оно тем больше, чем тоньше (по высоте сечения) арка.

Искривление можно снизить, разместив в уровне проезда мощную балку. Она в меру своей мощности придает жесткость та­ким мостам, в связи с чем и называется балкой жесткости. Балка может быть либо решетчатой, либо сплошной (рис. 114, г). Но такие комбинированные системы мостов в виде балок с гибкой аркой менее экономичны.

Разводные мосты

Известно несколько систем разводных мостов: вертикально-подъемные, раскрывающиеся, поворотные (рис. 115). Пролетное строение вертикально-подъемных систем при разведении мостов поднимается поступательно вверх. Через шкивы, закреплен­ные в верхней части башен, перекинуты грузовые тросы, прикреп­ленные одним концом к пролетному строению, а другим—к противовесам. При таком уравновешивании подъем и опускание пролет­ного строения осуществляются за 5—6 мин при помощи более легких рабочих тросов и электромоторов.

Раскрывающееся пролетное строение поднимается, вра­щаясь на опоре. Оно также уравновешено противовесом, облегчаю­щим вращение.

Поворотное пролетное строение вращается не в вертикаль­ной, а в горизонтальной плоскости.

В современных мостах распространены вертикально-подъемные разводные пролетные строения. Они легче и, кроме того, проще по устройству и в эксплуатации.

Облегченные и пакетные пролетные строения

Для непродолжительной эксплуатации, например при времен­ном восстановлении, находят применение облегченные пролетные строения, рассчитанные на пропуск лишь современных нагрузок. Они не имеют запасов на рост нагрузки и потому отличаются наи­меньшей массой.

Конструкции облегченных пролетных строений просты в изго­товлении. Так, в пролетном строении пролетом 27 м (рис. 116) при­менены для поясов прокатные двутавры. Из двутавров вырезаны и фасонки для прикрепления решетки к поясам ферм.

Для временного перекрытия пролетов (от 1 до 23 м) при пере­устройстве и ремонте мостов широко используют пакетные пролет­ные строения из прокатных балок, рельсов или составных элемен­тов, рассчитываемые также на пропуск обращающихся поездов. При использовании прокатных двутавровых балок в зависимости от величины пролета ставят 1,2,3 (редко 4) двутавра под каждый путевой рельс. Три двутавра № 55 (т. е. высотой 55 см) в таком полупакете (или 6 двутавров в целом пролетном строении) позво­ляют перекрыть пролет до 8,5 м. При таких же двутаврах, но скле­панных в два яруса по высоте (рис. 117, а) пролет может быть уве­личен до 16,2 м.

Балки в полупакетах объединены диафрагмами, а оба полупакета — продольными и поперечными связями на болтах. Болтовые соединения позволяют разобрать пролетное строение на полупаке­ты, что облегчает в таком виде их сборку, транспортирование и установку на опоры.

Сборно-разборная конструкция пакетных пролетных строений, малая строительная высота и простота изготовления представляют большое удобство для применения их при ремонте и переустройстве искусственных сооружений, хотя они и тяжелы при малой высоте.

Высоту и массу существенно снижают, применяя коробчатые элементы более мощного сечения (рис. 117, б). Строительная высо­та еще более снижена в пакетах корытного профиля без шпал (рис. 117, в). При наибольшем для этого профиля пролете 11,7 м строительная высота составляет всего 28 см, а в подшпальном па­кете из одиночных двутавров № 55 того же пролета — 77 см.

Эта высота сведена к нулю в пакетах, размещаемых над шпала­ми по сторонам путевых рельсов (рис. 117, г). В таком нашпальном пакете из рельсов или более компактных сварных профилей (рис. 117, д) шпалы с помощью хомутов, болтов и планок подве­шены к пакетам, в связи с чем эти пакеты называют еще подвес­ными. Рельсовые пакеты легко выполнимы, но слишком громоздки. Так, для пролета 3,5 м требуется 10 рельсов типа Р50. В сварном подвесном пакете лишь четыре элемента для пролетов до 5,3 м.

Подвесные пакеты не требуют разборки пути и незаменимы при стесненном габарите под ними, например, в случае ремонта гидро­изоляции, когда просвет между рельсами и балластным корытом составляет всего 24—40 см. Для таких работ еще удобнее сборный пакет из широкополочных швеллеров (рис. 117, е) со стальными полушпалами, позволяющими после установки пакета убрать из-под него шпалы, мешающие работе. В подобном пакете взамен каждой пары швеллеров объединены в виде двутавра четыре уголка с приболченными к нему снизу парными уголками вместо полушпал.