3. Работа мостов под нагрузкой и понятие об их расчете

Всякая нагрузка (собственный вес сооружения, проходящие поезда и др.), действуя на конструкцию, вызывает в ней внутрен­ние силы сжатия, растяжения и т. п. Напрягаясь под действием этих сил, элементы конструкции, их сопряжения и детали, как и все сооружение в целом, изменяются в размерах (деформируются).

От сжимающих сил материал элементов (сталь, дерево, бетон, камень) укора­чивается по направлению действия этих сил. Грунт под большим давлением, уп­лотняясь, вызывает осадку опор. От растягивающих сил материал удлиняется. Подобно этому возникает смятие в сопряжениях, скалывание или срез по сече­нию элемента и другие явления.

Величина деформации (укорочения, удлинения и т. д.) для дан­ного материала тем больше, чем большая сила действует на него и чем меньше поперечное сечение элемента.

Иначе говоря, деформация зависит от напряжения. Под напряжением понимают величину внутренней силы, отнесенной к единице площади сечения, на которую действует сила. Силу чаще всего выражают в тонна-силах или килограмм-силах; площадь — в квадратных сантиметрах. За единицу напряжения обычно принима­ют — кге/см².

Для экономии материалов целесообразно уменьшать сечения элементов, повышая напряжения. Но возможность увеличения на­пряжений ограничена механическими свойствами материала.

Значительные напряжения могут привести к чрезмерным деформациям соо­ружения, просадке пути под поездами. Дальнейшее увеличение напряжений до значения, при котором данный материал разрушается, или, как говорят, до вре­менного сопротивления, т. е. предела прочности, угрожает полным обрушением конструкций. Практически недопустимо не только разрушение конструкций, но и даже осложнение эксплуатации, например, из-за больших прогибов и колебаний пролетных строений при проходе поездов.

Для нормальной эксплуатации конструкция по частям и в це­лом должна быть вполне надежной, т. е. достаточно прочной, устойчивой и жесткой, а мосты, кроме того, и выносливыми.

Под прочностью понимают способность материала конструкции сопротивляться силовым воздействиям — растяжению, сжатию и т. д. Прочность необходима для того, чтобы элементы при строи­тельстве и эксплуатации не могли разорваться, переломиться, сре­заться, недопустимо смяться, раздробиться при сжатии. Но одной прочности недостаточно. Так, вполне прочная, но узкая и высокая колонна (опора), не закрепленная внизу или вверху, т. е. неустой­чивая, будет опрокинута, например, ветром.

Следовательно, конструкция должна быть устойчива против опрокидывания, а также сдвига в сторону или сколь­жения.

Различают еще устойчивость против выпучивания вследст­вие большой гибкости.

Например, из двух стержней одинакового сечения, но разной длины, более длинный, а следовательно, и более гибкий стержень при сжатии с концов опасен внезапным катастрофическим выпучиванием вбок. Чтобы этого не произошло, эле­мент должен быть достаточно жестким.

Устойчивость, таким образом, необходима для того, чтобы по­ложение конструкции в целом и ее отдельных элементов относи­тельно друг друга и в пространстве не изменилось до опасного в период монтажа и службы сооружения.

Жесткостью должны обладать не только сжатые, но и растяну­тые элементы, а также вся конструкция во избежание недопусти­мых прогибов, провесов и колебаний под поездами.

Поездная нагрузка характерна тем, что она действует периоди­чески, многократно повторяясь в период службы сооружения до нескольких миллионов раз. В элементах конструкции при проходе поезда изменяется не только величина усилия от меньшего до большего значения, но для некоторых элементов растяжение сме­няется сжатием и наоборот. Такие элементы, испытывающие, как говорят, знакопеременные усилия, находятся в особо неблагопри­ятных условиях работы.

Вполне очевидно, что, если например, приложенная к упругому элементу сила вызовет лишь изгиб его без разрушения, то, действуя той же силой, многократно сгибая и разгибая тот же элемент, можно вызвать в нем сначала надрыв (трещи­ну), а затем и полное разрушение элемента.

И если сечение и прикрепление этих элементов не рассчитаны на такую работу, то в них со временем появляются трещины от усталости, расстраиваются наиболее напряженные заклепки.

Та же переменная нагрузка, в отличие от постоянной, вызывает прогрессивное развитие уже возникших трещин и иных дефектов, а в сооружениях, как известно, появляются и неусталостные тре­щины, например, в бетонных конструкциях из-за усадки (т. е. со­кращения объёма) при твердении бетона, в дереве — от усушки древесины. Не всякие трещины влияют на прочность, но в боль­шинстве случаев они снижают долговечность сооружения. Трещи­ны, например, в железобетонных конструкциях открывают доступ для проникания влаги внутрь элемента к арматуре, вызывая ее ржавление.

Поэтому мосты должны быть не только прочны, устойчивы и жестки, но и достаточно выносливы в работе под поездами и дол­говечны.

Надежность конструкций проверяют расчетом. Рассчитывая со­оружение, исходят из того, что напряжения от нормативных на­грузок с учетом возможных перегрузок, а также деформация от­дельных частей и всей конструкции при самом неблагоприятном, но практически возможном их загружении не должны превосхо­дить установленных норм. Наряду с нагрузками (стр. 18) норми­рованы сопротивления для различных материалов, применяемых в сооружениях, и грунтов, наибольшие величины деформаций, в ча­стности, прогибов конструкций под нагрузкой, а также максималь­ные гибкости элементов. Установлены и другие требования для проектирования.

С 1963 г. расчет мостовых конструкций выполняют исходя из так называемых предельных состояний. Под предельными понимают такие состояния конструкции, по достижении которых дальнейшая эксплуатация сооружения становится невозможной (например, из-за разрушения по прочности) и даже затруднитель­ной (в частности, из-за больших прогибов или колебаний пролет­ных строений). Гарантия от наступления таких состояний или не­обходимый запас обеспечивается расчетом. Для этого норматив­ные значения нагрузок и сопротивлений материала, принимаемые также предельно возможными, вводят в расчет с установленными запасами (в виде коэффициентов) на случай вероятного в извест­ных размерах отклонения реальных нагрузок, сопротивлений и ус­ловий от нормативных.

Таковы, в частности, коэффициенты перегрузки. Они учитывают несовпадение величин реальных нагрузок с их норма­тивными значениями. Например, для подвижной нагрузки не ис­ключено, что максимально допустимая масса груза на подвижном составе будет неодинаково распределена между колесными пара­ми под грузом. Коэффициент перегрузки дифференцирован. Так, нормативную поездную нагрузку (с учетом динамического воздей­ствия) в необходимых случаях умножают на коэффициент, равный 1,1—1,3. Большее значение коэффициента соответствует меньшей длине загружения, при которой перегрузка оказывается значи­тельнее.

В качестве нормативного сопротивления мостовой стали принят предел текучести, равный 2400 кгс/см². При нем сталь начинает как бы течь до известной границы даже без увеличения нагрузки. В таком состоянии сталь еще далека от полного разрушения (раз­рыва), наступающего при временном сопротивлении, равном 3800—4700 кгс/см², и, следовательно, до разрушения еще может воспринимать нагрузку. Однако проявление текучести влечет за собой большие остаточные деформации.

Таким образом, для работы мостовой стали предельным со­стоянием является не полная утрата ею способности воспринимать нагрузку, а лишь наступление пластических деформаций, ухуд­шающих конструкцию.

Значения напряжений, фактически вызывающих текучесть ста­ли, различны: от 2100 до 3500 кгс/см² при нормированном 2400 кгс/см². Возможность отклонения (в сторону снижения) пре­дела текучести реальной стали от нормативного сопротивления учитывают умножением последнего на коэффициент одно­родности материала, равный для мостовой стали 0,9.

Рис. 26. Системы мостов:

а — балочная; б — арочная распорная и схема арки, не закрепленной в опорах; в — ароч­ная безраспорная; г — висячая; д — рамная

Несущая способность конструкции определяется, во-первых, значением напряжений, которое ограничивается нормативным со­противлением, а во-вторых, сечением элементов, участвующих в работе конструкции. Не исключено, что фактические сечения могут оказаться меньше расчетных и, следовательно¹, напряжения превы­сят нормативное сопротивление. Чтобы этого не произошло, вводят еще так называемый коэффициент условий работы (равный 0,9), который учитывает и некоторые другие отклонения.

Расчет по предельным состояниям благодаря дифференцированному учету и анализу условий эксплуатации, применению расчлененных коэффициентов запаса позволяет эффективнее использовать строительный материал и создавать более экономичные сооружения необходимой грузоподъемности, а это важно, так как сооружение должно быть вполне надежным на весь период его расчетной эксплуа­тации и вместе с тем без завышенных запасов.

В любом сооружении нагрузка, как отмечено, вызывает внут­ренние силы, но в то же время каждый нагруженный элемент дей­ствует на другие смежные с ним части конструкции или грунта, получая с их стороны противодействие.

Так, рельсовый путь воспринимает и передает действие нагруз­ки поездов на балки проезжей части и несущие их другие элемен­ты пролетного строения; пролетное строение в тот же момент сум­марными силами от поезда и собственного веса взаимодействует через опорные части с опорами; подобно этому и опоры, испытывая всю приходящуюся на них нагрузку дополнительно к их весу взаи­модействуют ею с грунтом основания.

Напряженное состояние конструкции, взаимодействие элемен­тов, как и частей сооружения, свойственно всем конструкциям мо­стов. Однако характер и направление действия сил зависит от си­стемы сооружения. Наиболее распространена балочная система мостов (рис. 26, а). В них пролетные строения из балок или ферм (см. рис. 16) свободно оперты на опоры. Под вертикальной нагрузкой, условно показанной на рис. 26 стрелками, такие балочные про­летные строения действуют на опоры, а последние — на грунт только вертикальными силами. По закону механики действие этих сил встречает равное по величине противодействие опор и грунта, т. е. реактивные силы, направленные вверх, в противоположность активным силам нагрузки, действующим вниз.

Принципиально отличны от балочных арочные мосты (рис. 26, б). Их основой является криволинейный брус — арка. Под дей­ствием вертикальной нагрузки гибкая арка,, если не закрепить ее концы от сдвига, будет разгибаться с неизбежной раздвижкой концов в стороны. Чтобы этого не произошло, опоры должны про­тиводействовать такому распору и вертикальному давлению ар­ки не только вертикальными реактивными силами, но и горизон­тальными, направленными внутрь пролета. Из-за необходимости противодействия распору быки и особенно устои в арочных мостах более громоздки, чем в балочных. Исключением являются однопролетные арочные мосты, упертые по концам в высокие скалистые берега (стр. 83).

Горизонтальную силу в арочных мостах, т. е. распор, можно по­гасить не только опорами, но и затяжкой, стягивающей оба конца арки вместе (рис. 26, в). В таком виде арка по воздействию на опоры и на их основание не отличается от балочного моста. 'Благодаря затяжке арка становится внешне, т. е. относительно опор и основания, без распорной.

В отношении распора арочные мосты аналогичны висячим ав­тодорожным мостам (рис. 26, г). Их основной несущий элемент — гибкие цепи или кабели — также криволинеен. К ним подвешена проезжая часть. Цепи по концам оперты на высокие опоры — пи­лоны — и закреплены оттяжками от смещения распором внутрь пролета под действием нагрузки. Оттяжки должны быть надежно заделаны (заанкерены) внизу так, чтобы нагруженные цепи не могли вырвать их из заделки.

По действию пролетного строения на опоры к арочным распор­ным мостам приближаются рамные мосты (рис. 26, д). Особенность рамных мостов составляет жесткое (неизменяемое) соединение балок (называемых в рамах ригелями) со стойками опор в одну конструкцию — раму. Ее стойки, опертые на фундаменты, под дей­ствием вертикальной нагрузки на ригеле, вызывают реакцию не только вертикальную, но и горизонтальную, равную распору рамы подобно распору арки.

Балочные, арочные, висячие и рамные мосты различаются, таким образом, характером работы под нагрузкой, или, как принято говорить, статическими свой­ствами. Эти свойства, как увидим далее, определяют конструктивные особенности мостов.

Помимо различия в действии пролетных строений на опоры, различна работа и самих пролетных строений под нагрузкой. Балки и балочные фермы под (вертикальной нагрузкой прогибаются, т. е. испытывают действие изгиба. Арки и рамы дополнительно к изгибу подвер-

гаются сжатию поскольку их распору противодействуют опоры, причем сжатие в арочных мостах значительнее и характернее изгиба, что позволяет выпол­нять арки даже из камня.. Цепи

висячих мостов, напротив, всецело растянуты, как и прикрепленные к ним подвески, несущие проезжую часть с проходящей нагрузкой. Так как эта нагрузка вызывает изгиб всякого пролетного строения, причем изменяющий­ся по мере продвижения нагрузки, а гибкие цепи не могут пре­пятствовать такому изгибу, то проезжую часть висячих мостов для повышения жесткости обычно выполняют с главными балками (или балочными фермами), подобными балочным пролетным стро­ениям.

Такие системы из балок жесткости в сочетании с цепью, а чаще с гибкой аркой, поставленной сверху или снизу балок, на­зывают комбинированными. Однако под железную дорогу приме­няют системы, комбинированные с гибкой аркой (стр. 118); ви­сячие мосты все же не обладают требуемой для поездов жест­костью и применяются лишь под автомобильную дорогу и как пе­шеходные.

Пролетное строение, как указывалось на примере балочного моста (стр. 15), представляет собой пространственную конструк­цию, в которой две главные фермы (или балки) объединены свя­зями, а также поперечными балками (или плитой) при наличии проезжей части. Причем продольные связи, выполняемые в виде решетки из стержневых элементов и прикрепленные к поясам главных вертикальных ферм, образуют в свою очередь, но вместе с теми же поясами верхнюю и нижнюю горизонтальные фермы. Они противодействуют изгибу пролетного строения, в частности, боковыми силами, например, ветром, действующим поперек моста как на пролетное строение, так и на расположенный на нем подвижной состав. Нередко поэтому горизонтальные связи ферм называют еще ветровыми.

В балках и балочных фермах при изгибе силами Р (рис. 27) верхние пояса укорачиваются и, следовательно, испытывают сжа­тие, нижние, наоборот, удлиняются, что указывает на их растя­жение. В элементах решетки в зависимости от месторасположе­ния их, а иногда и временной нагрузки возникает сжатие или растяжение. Пролетное строение, изгибаясь, несколько повертывается в опорных узлах. Соответственно этому опорные части, предназначенные для передачи давления с ферм на опоры и за­крепления пролетного строения на опорах, благодаря их особому устройству (стр. 109) обеспечивают возможность деформаций про­летного строения под временной нагрузкой и с изменением тем­пературы.