книги из ГПНТБ / Толмачев, К. Х. Регулирование напряжений в металлических пролетных строениях мостов

разрешения задач, стоявших перед строителями мостов в середине

XIX века. Под влиянием интенсивного строительства железных до­ рог возникла необходимость в широком применении балочных мо­ стов, обладавших большей жесткостью по сравнению с висячими. Искания строителей в этой области привели к большому многооб­ разию типов и конструкций балочных систем. Чугунным балочным и применявшимся в отдельных случаях тяжелым балочным мостам трубчатого сечения, благодаря творчеству русских и зарубежных мостостроителей, пришли на смену мосты с балками двутаврового сечения с фермами рациональных статических схем и систем ре­ шеток.

Применение литого железа в мостостроении привело к осущест­ влению замечательных арочных мостов, которые по величине про­ летов и по конструкции далеко опередили своих предшественни­ ков —• чугунные арочные мосты.

История развития строительства металлических мостов — эго история развития инженерной мысли, основанной вначале на опыте и практической интуиции, а затем подкрепленной теоретическими

исследованиями.

Изменением конструкции или внесением в статическую схему дополнительных элементов строители стремились достигнуть наи­ более целесообразного распределения усилий и обеспечить надеж­ ную статическую и динамическую работу мостов. Например, введе­ нием в гибкую систему висячих мостов балок жесткости, дополни­ тельных кабелей и других элементов была увеличена вертикальная и горизонтальная жесткость и тем самым улучшена динамическая работа пролетных строений этого типа.

Стремление создать балочные конструкции, в которых распреде­ ление материала соответствовало бы величинам и характеру уси­

лий, привело к созданию сначала многорешетчатых ферм, а затем ферм с современными системами решеток.

В истории развития мостов с металлическими фермами ярко вы­ рисовываются многочисленные изыскания более рациональных ин­ женерных решений. Правда, результаты этих исканий опирались в основном на теорию и не всегда приводили к практическим прием­ лемым результатам, но в общем они сказались положительно на развитии мостостроения.

В итоге теоретических изысканий наилучших очертаний ферм

■был построен ряд мостов с фермами параболического, гиперболиче­ ского, полупараболического и других криволинейных очертаний. Приданием поясам ферм соответствующих очертаний достигалось наиболее благоприятное распределение усилий между элементами

фермы. Например, параболическая ферма удовлетворяет тому усло­ вию, что при равномерно распределенной нагрузке раскосы не на­ пряжены, поэтому горизонтальная проекция усилий обоих поясов во всех панелях — величина постоянная, но различная по знаку.

При частичной загрузке пролета, соответствующей наибольшему усилию в раскосах, горизонтальная проекция максимального уси­

лия всех раскосов — величина постоянная.

Ю

Параболическая ферма, обладающая хорошими качествами с теоретической стороны, не оправдала себя практически. Однако факт разработки параболической и других систем ферм указывает на стремление строителей изменением очертания поясов и другими конструктивными мерами получить более рациональное распреде­ ление усилий между элементами ферм.

Имели место и другие предложения улучшения работы пролет­ ных строений. Например, с целью разгрузки фермы от подвижной

влены на Московско-Казанской железной дороге и дали сокраще­

ние расхода материала на 10%.

Проф. Н. А. Белелюбский с целью освобождения от крутящих моментов нижних поясов ферм пролетных строений с ездою понизу ввел шарнирное опирание поперечных балок и тем самым центри­ ровал передачу нагрузок на пояса. Эта конструкция, известная под названием «русской», не получила, однако, всеобщего признания,

так как теоретические выгоды не окупали конструктивных не­ удобств.

Внимание многих мостовиков XIX века было обращено на кон­ структивное усовершенствование многорешетчатых ферм с парал­ лельными поясами. Например, В. Гербер обращал большое внима­ ние на центрирование передачи усилий в узлах ферм и на симмет­ ричное расположение заклепок в узлах ферм с целью избежания,

по возможности, дополнительных напряжений от жесткости узлов.

Для этой же цели он предложил элементы решетки прикреплять к

поясам при помощи шарниров. Однако шарнирные узлы В. Гербера не привились, так как опыт показал, что вследствие трения болто­ вые соединения не обладают идеальной шарнирностью, и дополни­ тельные напряжения не исчезают.

Кроме того, как показала практика эксплуатации мостов с шар­ нирными фермами, широко применявшихся в США, эти фермы ока­ зались неблагоприятными в динамическом отношении, так как в них возникали большие вибрации при проходе временной нагрузки.

Приведенные примеры говорят о стремлении мостостроителей добиться наиболее благоприятного распределения усилий в фермах и устранить дополнительные напряжения в элементах, применяя отдельные конструктивные мероприятия и сохраняя основную си­

стему ферм.

Другое направление в развитии мостостроения шло по пути из­

11

менения статической системы ферм. Например, во второй половине прошлого столетия широко применяли неразрезные и консольные фермы. Причем следует заметить, что стремление избавиться от дополнительных усилий в неразрезных фермах, вызываемых не­ равномерной осадкой опор, привело к широкому применению кон­

сольных ферм, идея которых возникла очень давно.

В развитии арочных систем мостов можно заметить, что изме­ нением статических схем строители также добивались получения

желаемого эффекта. Примером может служить разработка арочноконсольных систем, в которых уменьшается горизонтальное воз­ действие пролетных строений на опоры.

Эти факты из истории проектирования и постройки мостов ука­ зывают на то, что изменением известных статических схем мостов,

разработкой пролетных строений с новыми статическими схемами,

внесение,м изменений в форму и конструкцию ферм строители соз­

давали рациональные системы мостов, отвечающие стоящим перед ними задачам.

Наряду с этими направлениями в XIX веке были попытки создать более благоприятные условия работы ферм путем искус­ ственного вмешательства в распределение усилий, т. е. применить регулирование напряжений.

Искусственное регулирование напряжений известно с давних времен. Например, в XVIII веке применяли составные прогоны с зубчатым соединением деревянных брусьев и использовали искус­ ственные меры для обеспечения совместной работы брусьев, вхо­ дящих в состав прогона. Для плотного прилегания врубок прогона зубья нижнего бруса делали несколько короче, чем зубья верхнего

бруса. Перед укладкой одного прогона на другой их изгибали вверх

зультате этой операции в лрогонах возникали первоначальные напряжения, противоположные по знаку напряжениям от времен­ ной нагрузки.

Можно утверждать, что в самый ранний период строительства висячих мостов процесс сборки пролетных строений сопровождался

применением искусственного натяжения подвесок, т. е. осуществля­ лось регулирование. Правда, в этом случае регулирование приме­ няли не с целью создания искусственных напряжений, а для вырав­ нивания профиля проезжей части висячих мостов и для достижения

нужного очертания цепи.

Известно также, что для придания гибким висячим мостам го­ ризонтальной и вертикальной жесткости устанавливали контрка­

бели, которые предварительно напрягали и тем самым обеспечива­

ли включение их в работу при незначительных величинах деформа­

ций основной системы висячих мостов.

Известны примеры регулирования напряжений и в балочных мостах. Коппке 1 и Шеффлер в своих трудах указывают на возмож-

1 Kopcke. Uber die Dimensionen von Balkenlagen. Zeitsch. d. Arch. u. Inp Ver Hannover. 1856.

12

несть перераспределения изгибающих моментов в двухпролетной неразрезной балке изменением уровня ее опор.

Несколько позднее Мор1, базируясь на методе Клапейрона, ис­

следует работу неразрезных балок и изучает влияние осадки опор на изменение изгибающих моментов в сечениях балок. Мор изуча­ ет также искусственное понижение уровня промежуточной опоры двухпролетной неразрезной балки с тем, чтобы уменьшить величину опорного изгибающего момента. Вопрос о наивыгоднейшей вели­ чине изменения уровня опор, по указанию Мора, не может решать­ ся только для случая полного загружения всех пролетов. Он реко­ мендует исходить из того, что при всех возможных положениях временной нагрузки наибольшие напряжения должны быть равны.

Доказывая теоретическую возможность достижения более благо­ приятного распределения моментов, Мор, однако, делает следую­ щие оговорки: «Выгодность понижения опоры может быть боль­ шая, как показывает расчет, если понижение выполнено с той же точностью, как это принято в расчете. В большинстве случаев можно с определенностью установить, что вероятные случайные из­ менения уровней опор бывают больше или столь же велики, как и вычисленные теоретически наивыгоднейшие величины. Тем не ме­

нее изучение этого вопроса может принести пользу, так как указы­ вает на значительное влияние осадки опоры на напряжения в не­ разрезных балках и тем подчеркивает слабую сторону этой кон­ струкции».

Несмотря на опасения, высказанные Мором, ранее сделанные Коппке и Шеффлером утверждения о возможности практического

применения регулирования напряжений нашли применение тогда, когда для искусственного изменения уровней опор стали исполь­

зовать более совершенные приспособления, например, гидравличе­

ские домкраты. Применение домкратов позволило свести к миниму­ му влияние тех неточностей, на которые указывал Мор.

Изменение уровней опор неразрезных балок равносильно при­ ложению дополнительных моментов с целью достижения требуемо­ го распределения моментов по длине балок.

Искусственное приложение усилий для создания более благо­ приятных условий работы балок и ферм нашло широкое распрост­ ранение во второй половине прошлого столетия. Последнее может

быть подтверждено рядом интересных примеров.

Особенность параболической фермы, состоящая в постоянстве усилий во всех панелях нижнего горизонтального пояса, побудила Коппке предложить параболическую ферму, в которой нижний пояс искусственно подвергался бы постоянному сжимающему усилию, равному величине растягивающего усилия от постоянной загрузки.

Таким образом, при полной нагрузке нижний пояс фермы подвер­ гался бы растягивающему усилию только от временной нагрузки.

18

которого упирался в торец пояса фермы, а другой нагружался гру­

зом Q (рис. 2).

Аналогичный прием был предложен Коппке для регулирования усилий в арочных мостах (рис. 3). В арке искусственно создается распор при помощи груза Q, подвешенного к рычажной системе, представляющей собой трехшарнирную арку. При изменении за­

грузки арки пята В перемещается по катковой опорной части, и

Рис. 2. Регулирование напряжений в поясах параболиче­ ских ферм

Рис. 3. Регулирование напряжений в арках путем приложения дополнительного распора

распор сохраняется (Постоянным. Величина распора зависит от ве­ са груза Q и от геометрических размеров трехшарнирной системы, к которой он подвешен.

Инженеру Коппке принадлежит также предложение о предва­

рительном натяжении затяжек в металлических арочных мостах с

ездою понизу. Таким путем арке придавались предварительные деформации, обратные тем, которые будут возникать при эксплуа­ тационных условиях. Последнее способствовало достижению более благоприятного распределения напряжений по сечениям арки Этот метод регулирования напряжений в 30-х годах текущего сто­

летия был использован проф. Ф. Дишингером для регулирования

напряжений в железобетонных арочных мостах с ездою понизу.

Предварительное напряжение, создаваемое в затяжках, находит

применение и в последнее время при постройке арочных металличе­ ских мостов.

Эти интересные методы регулирования напряжений в балочных и арочных мостах, появление которых относится ко второй половине

14

прошлого столетия, несколько позднее были распространены и на

висячие мосты. На рис. 4 приведена схема висячего моста, где ре­ гулирование силы натяжения кабеля осуществлено при помощи гру­

за Q, подвешенного к оттяжке подвижного конца кабеля. Другой

конец кабеля закреплен неподвижно. При этой схеме распор в ка­ беле при любой нагрузке Н — Q sin a cos а.

Следовательно, кабель при любом положении нагрузки напря­ жен одинаково, т. е. система работает как псевдостатически неопре­ делимая с произвольными параметрами Q или И. Величину этих параметров можно выбрать такую, что ферма жесткости будет ра ботать наилучшим образом.

Усилия в подвесках этой системы будут равны

K = ^(tg?x+1-tg x).

При загружении подобной висячей системы нагрузками: посто­ янной— g т/м и временной — р т/м можно выбрать величину Н такую, чтобы

При такой величине усилий в подвесках ферма жесткости пол ностью освобождается от воздействия постоянной нагрузки и напо­ ловину от усилий, вызываемых временной нагрузкой.

Ко второй половине прошлого столетия относится появление балочных неразрезных ферм. Однако влияние изменений темпера­ туры и особенно неравномерных осадок опор на перераспределение усилий в неразрезных фермах несколько ограничило сферу приме­ нения таких систем.

Например, американские инженеры того времени, учитывая воз­

можность неблагоприятного перераспределения усилий, считали,

что применять неразрезные балки рискованно. Однако преимуще­ ства, которые имеют неразрезные пролетные строения перед раз­ резными, оказали большое влияние на дальнейшее развитие нераз­

В период распространения и развития неразрезных ферм было

стремление создать неразрезные системы, не чувствительные к осадкам опор. Так, например, известно, что в 1883 г. в Питсбурге

15

Для исключения влияния возможной осадки опор из-за плохих геологических условий были устроены специальные приспособления

(рис. 5) для регулирования величин опорных моментов. Нижний

|ояс фермы над промежуточной опорой заменили шарнирной систе-

Рис. 5. Регулирование для освобождения опорного сечения неразрезной фермы от изгибающего момента

мой abc. При помощи поперечной рычажной системы от груза Q на шарнирную систему abc передается сила А, которая вызывает в нижних поясах ферм предварительное сжимающее усилие //. Вели­ чина этого усилия зависит от силы Q, соотношения плеч попереч­ ной рычажной системы и от отношения f : I шарнирной системы abc. Соответствующим подбором параметров, влияющих на усилие Н, можно добиться нужной величины изгибающего момента от по­

стоянной нагрузки в середине пролета.

При осадке опор изменение начального напряженного состояния устраняется соответствующим изменением веса груза Q.

Поскольку за работой этой системы необходимо повседневно наблюдать, она не нашла широкого применения. При проектирова­

нии моста были разработаны другие способы регулирования уси­ лий в неразрезных балках.

На рис. 6, а представлена принципиальная схема одного из ме­ тодов регулирования, сводящегося к созданию предварительных

растягивающих усилий в верхних поясах от подвешенного к ним груза Q. Теоретически можно получить момент, разгружающий

фермы и заставляющий их работать совместно как элементы нераз­

1 Der Bauingenieur. 1933, NS 19/20.

резной балки. Однако подвешенный к верхнему поясу ферм груз придает мосту некрасивый вид, поэтому отказались от применения

этого метода регулирования напряжений.

На рис. 6,6 приведена неразрезная балка с опиранием ее на промежуточные опоры при помощи стержней, расположенных под

углом и шарнирно соединенных между собой. Такая система, пред­ ложенная Е. М. Вихертом (США), дает возможность создать пред­

варительные сжимающие усилия в нижнем поясе, величина кото­ рых будет зависеть от величины постоянной нагрузки и от угла а. Этот метод регулирования усилий в неразрезных балочных систе­ мах, основанный на новом принципе использования собственного веса для создания предварительных напряжений, также не нашел практического применения, поскольку оказалось невозможным воз­ вратиться к первоначальному напряженному состоянию после осад­ ки опор. Именно поэтому авторы проекта моста, построенного в Питсбурге, остановились на третьем методе (рис. 6, в) — с рычаж­ ной системой между концами нижних поясов :и с грузом под проез­ жей частью. Этот метод регулирования был применен, несмотря на

то, что потребовалось построить более широкие опоры для разме­ щения двух опорных частей.

Приложение предварительных усилий к элементам ферм через

рычажную систему от подвешиваемых грузов явилось одним из на­

правлений создания методов регулирования в последнюю четверть прошлого столетия. Вторым направлением является создание пред­ варительных усилий при помощи гидравлических домкратов.

Примером регулирования усилий с целью достижения соответ­

ствия действительных усилий расчетным являются работы, прове­ денные в процессе постройки моста им. Вильгельма у Мюнгестена

в 1897 г. ' Главный пролет этого моста, равный 170 м, перекрыт

решетчатой аркой, очерченной по параболе. Береговые пролеты пе­ рекрыты тремя балочными фермами, опирающимися на решетчатые металлические быки. Общая длина моста 465 м.

Рис. 7. Схема навесной сборки моста им. Вильгельма у Мюнгестена

рого удерживались четырьмя анкерными стальными тросами диа­

метром 90 мм каждый. Здесь же было устроено приспособление для подтягивания этих тросов гидравлическими домкратами.

Когда были собраны первые пять панелей арки и поставлены стойки de, узел d верхнего пояса арки был подвешен к узлу b при помощи тяжа f. Далее была произведена навесная сборка обеих по-

Рис. 8. Расположение домкратов при регулировании напряжений в арках моста им. Вильгельма у Мюнгестена

луарок, после чего при помощи 300-тонных гидравлических домкра­

тов разгрузили опорные узлы Е и Е' (рис. 8). Домкраты были уста­ новлены у узла а (см. рис. 7) и между узлами D и D' и В и В'.

Вставкой специальных заранее заготовленных элементов между узлами В и В' арка была превращена в трехшарнирную АВА'

(см. рис. 8).

После удаления вспомогательных элементов и стальных тросов

1 Известия Собрания инженеров путей сообщения. 1899, № 7.

18