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

от подмостей вся система включалась в совместную работу на по­ стоянную нагрузку.

На другой железной дороге поучителен также пример усиления

мостов путем постановки снизу шпренгелей параболического очер­ тания. Вначале при сборке были установлены стойки ab, cd, ef и gh (рис. 9). Длина их была принята несколько больше той, которая

определилась ординатами кривой очертания пояса. Дополнитель­ ный нижний пояс первоначально был прикреплен к усиляемой фер­ ме в точках А и В. Затем с помощью гидравлических домкратов,

Рис. 9. Схема регулирования напряжений при усилении фермы постановкой третьего пояса

установленных в точках b, d, f и h, в стойках были вызваны сжи­ мающие усилия, которые вызвали прогиб фермы и предваритель­

ное напряжение в дополнительном поясе, включив его в работу от постоянной нагрузки. Напряженное состояние полученной таким образом системы, достигнутое действием гидравлических домкратов^ фиксировалось путем склепывания стоек с дополнительным

поясом.

Такой же метод усиления мостов был применен и на ряде других мостов. В частности, таким методом усилен железнодорожный мост у Нейштадта в Германии в 1922—1923 гг. Мост, имеющий много­ раскосную ферму пролетом 59 м, построенный в 70-х годах прош­ лого столетия под нагрузку 4,14 т/м, был усилен для пропуска на­ грузки 12 т/м.

Установка третьего пояса с включением его в работу на постоян­ ную нагрузку с помощью домкратов также является примером при­ менения регулирования с целью создания благоприятного напря­ женного состояния всей системы в целом.

А^сстостроители второй половины XIX века при проектирова­ нии ферм стремились при помощи искусственных мер избавиться от нежелательных напряжений. В это время был осуществлен пе­

реход от многораскосных ферм к фермам с более простой решет­ кой, с применением наиболее надежных узловых сопряжений.

Однако в ряде стран развитие конструкций сквозных ферм по­ шло по другому пути. Так, в США стали применять узлы сквозных ферм на шарнирных болтовых соединениях. При этом преследова­

лась цель получить фермы, действительная работа которых пол­ ностью соответствовала бы данным статического расчета кон­ струкций.

20

Как показали дальнейшие исследования, применение болтовых

узлов в действительности не обеспечивало шарнирности, так как вследствие наличия в узловых сопряжениях трения в элементах ферм возникали изгибающие моменты. Поэтому в России и в Евро­

пе эти фермы не получили распространения. В США в последую­ щем также отказались от применения шарнирных узлов и перешли

к клепаным.

Отказ этот шел эволюционным путем. Вначале отказались от применения шарнирных узлов при прикреплении сжатых элемен­ тов ферм. Фермы с шарнирным сопряжением элементов решетки с

нижним поясом были применены при постройке мостов в Метропо-

представляют неразрезную двух­

пролетную балку с пролетами по 236,2 м. Узловые соединения фер­ мы— клепаные. Наиболее интересная деталь этого моста заклю­ чается в том, что здесь, по-видимому, впервые, теоретические под­ счеты дополнительных напряжений от жесткости узлов были учте­ ны при проектировании и постройке. Изгибающие моменты, воз­ никающие в элементах фермы от жесткости узлов, были устранены

тем, что стержни при монтаже собирались с выгибом, обратным по

знаку возможному изгибу от жесткости узлов (рис. 10). Для этой цели были соответственно сдвинуты все заклепочные соединения, а стержни фермы в процессе их сборки получали требуемый изгиб при помощи гидравлических домкратов.

В этом примере наглядно демонстрируется метод использования искусственного регулирования с целью устранения дополнительных напряжений в элементах ферм от жесткости узлов. В дальнейшем такой прием регулирования напряжений был использован в 1934 г. при постройке железнодорожного металлического моста через р. Нербода у г. Броч на железной дороге Бомбей — Барода — Цен­ тральная Индия *. Русло реки перекрыто 15 пролетными строения­ ми, с фермами раскосной системы расчетным пролетом по 85,95 м (рис. 11, а). При монтаже ферм был применен метод регулирова­ ния, заключающийся в придании их элементам начальных напря­

жений, обратных по знаку тем, которые возникнут от жесткости узлов. Это достигалось, как и в примере ранее r.oci роенного моста

Journal of the Inst, of Civil Eng. 1937, № 4.

21

объясняется практической трудностью придания элементам ферм тех малых деформаций, которые равны по величине и обратны по

знаку деформациям от жесткости узлов. К тому же, как известно, заклепочные соединения обладают некоторой податливостью, уменьшающей со временем пред­ варительно заданные напряже­ ния. В результате данный метод регулирования напряжений не на­ шел широкого распространения

осадки средней опоры и получить требуемое значение опорных реакций, крайние опоры были подняты соответственно на 210 и 420 мм. Этот прием регулирования опорных давлений неразрезных балок широко был распространен в Амери­

ке. В некоторых случаях при проектировании неразрезных мостов задавалась величина опорных давлений, а затем соответствующим регулированием положения опор достигали ее практически.

В России такое регулирование было предложено в 1916 г. в про­

екте неразрезного моста через р. Вотку, а в начале 20-х годов и в работах Киевской станции по исследованию мостов, которая успеш­

но применяла регулирование уровней опор для достижения благо­ приятного распределения усилий в существующих пролетных строе­ ниях с неразрезными фермами.

Из изложенного видно, что на протяжении длительного времени на строительстве металлических мостов применяли различные спо­ собы регулирования напряжений в отдельных элементах пролетного

строения, причем не все они нашли себе широкое распространение по причинам несовершенства или же незначительного практического эффекта.

Несмотря на это, можно считать, что регулирование напряжений (усилий) является особым направлением, которое оказалось про­ грессом в области производства мостостроительных работ и раз­ вития конструкций.

В период после империалистической войны было восстановлено

22

много мостов. Регулирование напряжений в основном сводилось к созданию напряженного состояния, при котором восстанавливае­ мый элемент включился бы в работу от постоянной нагрузки. На­ пример, регулирование с этой целью было проведено при восста­ новлении Черкасского железнодорожного моста. В одной из ферм был разорван нижний пояс у среднего узла фермы. Усилие ра­ зорванного элемента пролетного строения передалось на 80—88% раскосам ветровых связей нижнего пояса, от 11 до 19% восприня­

то жестким верхним узлом фермы и 0,7—0,8%—продольными

балками. Напряжения в раскосах ветровых связей достигли

2920 кг/см2, т. е. превышали предел упругости (по данным Киевской мостоиспытательной станции).

Конечно, при таком перераспределении усилий, восстанавливая фермы, невозможно было ограничиться постановкой новых элемен­ тов, так как последние не могут работать на постоянную нагрузку. К тому же перегрузка отдельных элементов не была бы устранена. Поэтому при восстановлении моста требовалось заставить новый элемент работать на усилия от постоянной нагрузки, т. е. создать

внем искусственное напряжение, равное расчетному от веса моста.

Для этого достаточно в поврежденной панели стянуть соседние

узлы, разошедшиеся после взрыва, и восстановить новый элемент. Такой и аналогичные принципы регулирования напряжений много­ кратно использовали при восстановлении поврежденных ферм как

внашей стране, так и за рубежом.

Современный период характерен строительством металлических мостов больших пролетов и применением оригинальных кон­

струкций.

Широкое распространение получили арочные мосты, из которых можно отметить мост в Сиднейской гавани (1928—1931 гг.) про­

летом 503 м и мост Кил-Ван-Кул (США) пролетом 511 м, а также висячие мосты в США через широкие и многоводные реки с боль­ шими пролетами. В 1929 г. построен висячий мост через р. Гудзон в Нью-Йорке пролетом 1067,5 м, а в 1937 г.— мост через пролив Золотые ворота в Сан-Франциско пролетом 1280 м.

В нашей стране во второй половине 20-х годов началось боль­ шое строительство новых мостов в связи с реконструкцией желез­ нодорожного транспорта и началом строительства железных и ав­ томобильных дорог. В это время были возведены крупные мосты через реки Волгу в г. Горьком и у Саратова (1930—1935 гг.), Оку

у Каширы (1932—1933 гг.), Днепр (1930—1932 гг.), Обь

(1930—1931 гг.) и др. В 1936—1937 гг. были построены мосты че­ рез канал им. Москвы, отличающиеся рациональностью применен­ ных систем, а немного позже мосты на автомагистралях Москва — Минск и Москва — Симферополь.

Гордостью советского мостостроения являются мосты, построен­ ные в Москве через р. Москву, которые отличаются большой ши­ риной при тяжелых расчетных нагрузках и являются образцами совершенных и смелых сооружений. В 1950 г. построен оригиналь­ ный большой автодорожный мост через р. Оку у Коломны, а в

23

Г л а в а II

РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ИЗГИБАЮЩИХ МОМЕНТОВ

ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗГИБАЮЩИХ МОМЕНТОВ РЕГУЛИРОВАНИЕМ УРОВНЯ ОПОР

Идея способа регулирования изменением уровня опор 'сводится к созданию искусственным путем дополнительных изгибающих мо­ ментов, которые в нужном сечении алгебраически складывались бы с моментами, возникающими в этом сечении. Вызвать изменение изгибающего момента искусственным понижением или повышением

Рис. 12. Перераспределение изгибающих моментов в трекпролетной неразрезной балке опусканием крайних опор

уровня опор можно лишь в статически неопределимых конструкци­ ях, в частности, в неразрезных балках, рамах и т. п. Проследим идею регулирования изменением уровня опор на примере трехпро­ летной неразрезной балки с неравными пролетами (рис. 12).

При расположении опор А, В, С и D на одном уровне от посто-

25-

•янной равномерно распределенной нагрузки в неразрезной балке возникнут изгибающие моменты согласно эпюре I (см. рис. 12).

Изменить величину изгибающих моментов можно в данном случае понижением уровней опор А и D. В самом деле, если каждая из спор А и D будет опущена на величину 8/ то в балке над опорами В и С возникнут отрицательные моменты Л4В и MCJ которые будут алгебраически складываться с изгибающими моментами от посто­ янной нагрузки. В результате имеем эпюру 7/. Так, искусственно перераспределяя изгибающие моменты, можно достигнуть уравни­ вания ЛЬ и 7И3, которые примерно равны лишь при /г ■ 1\ — 1,3. При всех остальных соотношениях пролетов эти моменты отлича­ ются друг от друга. Отношение величин изгибающих моментов при некотором соотношении пролетов достигает большой величины, а именно:

что вызывает необходимость в уравнивании их.

Однако следует иметь в виду, что уравнивание величин изги­ бающих моментов в пролете понижением уровней опор будет сопря­ жено с увеличением опорных моментов. Таким образом, будет до­ стигнуто снижение высоты балки в середине пролетов за счет уве­ личения ее высоты над опорами, т. е. потребуются балки перемен­ ной высоты.

Применение балок переменной высоты дает возможность уве­

личивать подмостовый габарит или снижать отметку полотна проезжей части, что в свою очередь позволяет уменьшить высоту насыпи при подходах к мосту и соответственно ее стоимость.

О выгодности увеличения опорных моментов за счет уменьше­

ния пролетных можно заключить исходя из следующих соображе­ ний Момент сопротивления для сечения двутавровых балок может

■быть принят равным

где F — площадь сечения балки;

h — высота балки;

р

Jz~——отношение площади стенки балки к полной площади по-

F

перечного сечения.

Заменяя W=~ , получим

G

Мап (3 - 2k)

Это выражение представляет собой удельную площадь балки,

т. е. площадь, приходящуюся на единицу изгибающего момента. Как видно из формулы (1), удельная площадь балки обратно про­

порциональна высоте. Следовательно, приняв k за неизменную ве-

.26

личину, можно сделать вывод, что момент выгодно перетягивать туда, где большая высота балок, т. е. к опорам. Все это говорит

с рациональности применения изложенного приема перераспреде­ ления моментов.

Однако следует иметь в виду, что, применяя балки переменной

высоты, мы усложняем технологический процесс их изготовления и

увеличиваем стоимость.

Поэтому выгодность при­ менения такого приема

регулирования может быть оправдана лишь при

проектировании и по­ стройке мостов с пролета­ ми значительной величи­ ны, когда достигнутая от перераспределения мо­

ментов экономия металла превысит удорожание конструкции, связанное с

усложнением технологиче­ ского процесса изготов­

ления.

При средних пролетах '

балки с одинаковой высотой по всей длине в настоящее время соз-

дают за счет применения поперечных сечений с различным числом горизонтальных листов. Такое решение не осуществимо при боль­ шой разности в абсолютных величинах пролетных и опорных изги­ бающих моментов

Применяя регулирование методом вертикального перемещения опор, можно обеспечить равенство (по абсолютной величине) про­ летных и опорных моментов.

Проследим решение этой задачи на примере двухпролетной не­

разрезной балки (рис. 13, а). На эпюре моментов (рис. 13, б) от

загружения балки постоянной и временной нагрузками обозначены:

27

Задача регулирования заключается в том, чтобы получить ра­ венство по абсолютной величине наибольшего опорного момента наибольшему моменту, возникающему в пролете. Если опусканием

средней опоры на величину (рис. 13, в) в опорном сечении будет вызван дополнительный положительный момент ту, то задача, ко­ торая ставится перед регулированием, выразится следующим ра­ венством:

где Ryyy — единичная реакция крайней опоры от вертикального пе­ ремещения средней опоры на <4 = 1.

Учитывая выражения (4) и (9), получим

^R.yZyly. (10)

4 + -Т1

28