Металлические конструкции в транспортном строительстве

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ

РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Белорусский национальный технический университет

Кафедра «Мосты и тоннели»

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ В ТРАНСПОРТНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Учебно-методическое пособие

Минск

БНТУ

2023

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет

Кафедра «Мосты и тоннели»

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ В ТРАНСПОРТНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Учебно-методическое пособие для студентов специальности 1-70 03 02

«Мосты, транспортные тоннели и метрополитены»

Рекомендовано учебно-методическим объединением по образованию в области строительства и архитектуры

Минск

БНТУ

2023

1

УДК 624.014 ББК 38.54

М54

Составитель

С. В. Шевченко

Рецензенты:

Директор ООО «ЭКОМОСТ» А. М. Першай; кафедра «Химическая технология вяжущих материалов» УО БГТУ

(зав. кафедрой, канд. техн. наук, доцент А. А. Мечай)

Металлические конструкции в транспортном строительстве : М54 учебно-методическое пособие для студентов специальности 1-70 03 02 «Мосты, транспортные тоннели и метрополитены» / сост. С. В. Шев-

ченко. – Минск : БНТУ, 2023. – 160 с. ISBN 978-985-583-934-8.

В учебно-методическом пособии приведены указания по расчету и конструированию металлических конструкций для транспортного строительства по дисциплине «Строительные конструкции в транспортном строительстве» для студентов специальности «Мосты, транспортные тоннели и метрополитены» факультета транспортных коммуникаций.

УДК 624.014 ББК 38.54

2

3

4

5

ВВЕДЕНИЕ

Металлические мосты обладают рядом важных особенностей и достоинств. Конструкции их допускают простое расчленение на отдельные блоки или элементы, которые изготавливают на заводах индустриальными методами с большой точностью и степенью стандартизации. Изготовленные на заводах части конструкций имеют высокую степень готовности как к монтажу на месте строительства моста, так и к предварительной укрупнительной сборке. Массу монтажных блоков металлических конструкций легко согласовать

сгрузоподъемностью имеющегося на строительстве кранового оборудования, а габариты блоков – с возможностями использования тех или иных транспортных средств. Известны примеры изготовления крупных частей металлических конструкций на разных заводах

споследующей доставкой к месту строительства моста морским путем, иногда за несколько тысяч километров. Такая технология сооружения мостов возможна ввиду относительной легкости монтажных блоков, что обеспечивается высокой удельной прочностью современных конструкционных сталей, а также благодаря использованию при монтаже мощного высокомеханизированного кранового оборудования. Мощность монтажных кранов непрерывно растет: есть примеры установки на опоры смонтированных пролетных строений массой до 3600 т при помощи морских плавучих кранов.

Наивысшие достижения современной техники мостостроения связаны с проектированием и постройкой крупных металлических мостов, в несущих конструкциях которых находят эффективное применение высокопрочные стали. К таким сооружениям в первую очередь нужно отнести висячие и вантовые мосты с рекордными пролетами, построенные в последнее время в ряде стран Европы, Азии и Америки через большие реки и морские проливы. Примерами могут служить выдающиеся по своим техническим показателям вантовые мосты: Московский через р. Днепр в Киеве, р. Даугаву в Риге, Парану в Аргентине, рассчитанный на совмещенную езду, Сен-Назар через р. Луару во Франции и Кельбранд через р. Южную Эльбу у Гамбурга, а также висячие мосты через эстуарий Хамбер в Англии с пролетами 530+1410+280 м, через пролив ВеррацаноНерроуз у входа в гавань Нью-Йорка с центральным пролетом 1300 м, пролив Босфор в Турции, а также совмещенный мост в устье р. Та-

6

хо (Тежу) у Лиссабона для пропуска двухпутной железнодорожной линии и шести полос автомобильного движения. Пролеты стальных подвесных мостов в Японии достигают 2 км.

Использование металла в качестве строительного материала имеет длительную историю, тесно связанную со сменой способов производства, развитием производительных сил, накоплением знаний

освойствах руд и возникновением металлургического производства. Еще задолго до начала н. э. литую бронзу и листовую медь применяли при постройке дворцов и храмов в древних государствах Междуречья, Ирана, Египта и Малой Азии.

Ремесленники и мастера Индии еще в III в. до н. э. владели приемами добычи железа, позволявшими изготовлять крупные, массивные детали, достаточно устойчивые против коррозии. Образцом их искусства служит знаменитая железная колонна, установленная мусульманскими строителями XIII в. в Старом Дели в центре двора мечети Куттуб-ед-дин, около самого высокого здания средневековой Азии – минарета Кутб-минар.

Надежные исторические свидетельства позволяют сделать вывод, что в начале н. э. при строительстве мостов римляне пользовались бронзой. Леон Баттиста Альберти в своем трактате упоминает

обронзовых деталях моста Элия, построенного в 136 г. н. э. Месиусом Рустикусом через р. Тибр в Риме. В Китае и Японии в связи

сраспространением буддизма в X и XIII в. применяли железо и бронзу при строительстве многоэтажных пагод. В X в. в Южном Китае была построена 13-этажная железная пагода в Тан-ян на р. Янцзы. Проникновение буддизма в Японию сопровождалось строительством храмов и сооружением многочисленных статуй культового назначения. Высокого художественного мастерства достигли литейные мастера и скульпторы Японии, создавшие в XIII в. знаменитую 15-метровую бронзовую статую сидящего Будды в г. Камакура, являющуюся до настоящего времени одним из наиболее примечательных памятников искусства Японии. В Китае, Индии и средневековой Европе при строительстве фортификационных сооружений в примитивных висячих и подъемных мостах часто применяли металлические цепи.

Подлинный переворот в области использования металла как строительного материала связан с эпохой промышленной революции в Англии во второй половине XIII в., когда развитие металлур-

7

гии в Англии и России открыло возможности получения сравнительно дешевого и однородного по качеству чугуна, пригодного для изготовления крупных отливок сложной формы.

Первый чугунный арочных мост, сохранившийся до наших дней, был построен в Англии архитекторами Рейнольдсом в г. Коулбрукдэйли (графство Шорпшир) в 1779 г. А спустя всего три года в России И. П. Кулибин предложил проект металлического моста через р. Неву. Однако начало строительства чугунных мостов в России относится к 80-м гг. XIII в., когда по проектам Камерона, В. П. Стасова, Дж. Кваренги и К. Н. Росси были созданы замечательные по архитектуре чугунные мосты в парковых ансамблях Царского села

иПавловска. В тот период чугунные мосты начали сооружать в ряде стран Европы. Строителями мостов довольно скоро были возведены надежные чугунные арочные конструкции небольших пролетов на основе использования литых двутавровых секций и ребристых коробок типа тюбингов, скрепляемых болтами. В швы между коробками закладывали свинцовые листы – прокладки, исключавшие опасные концентрации усилий при взаимодействии чугунных блоков и служившие своеобразными пластическими шарнирами, смягчавшими динамическое воздействие нагрузки на несущую конструкцию. Архитектором Гестом в начале XIX в. были разработаны

ипостроены в Петербурге шесть городских чугунных арочных мостов пролетами по 15–32 м.

Недостаточно высокие механические свойства не позволяли, однако, использовать чугун в элементах, работающих на изгиб и растяжение, и он не получил широкого распространения в качестве конструкционного материала для пролетных строений больших мостов. Однако по проекту известного английского мостостроителя Тельфорда в Англии через р. Северн был построен чугунный арочный мост с пролетом 170 футов (примерно 52 м).

На рубеже XVIII и XIX вв. во Франции, Англии и Северной Америке возник интерес к постройке висячих мостов.

Первые строители крупных металлических мостов не опирались на надежные теоретические основы и даже испытывали недоверие к научным исследованиям. Так, в публикациях современников Тельфорда сохранились сведения о его отрицательном отношении к занятиям математикой, которые он считал ненужными для инже-

8

нера-мостостроителя. Неудивительно поэтому, что в тот период крупные мосты часто терпели аварии.

Дальнейший прогресс в использовании металла был связан с ростом производительных сил во второй половине XIX в. в странах Европы и Америки, началом строительства железных дорог и освоением переработки чугуна-сырца пудлинговым способом в сварочное железо. Процесс пудлингования позволял выжигать углерод из расплавленного чугуна и в течение 1,5–2 ч при непрерывном перемешивании плавки получать крицы сварочного железа в виде губчатой массы метала, пропитанной шлаками. Содержание углерода

всварочном железе колебалось в пределах 0,1–0,5 %, что позволяло удалять шлаковые включения проковкой паровым молотом с последующей прокаткой между валками. В период с 1850 по 1890 г. был построен ряд крупных железнодорожных и городских мостов сварочного железа во Франции, США и России.

Открытие способов переработки расплавленного чугуна в сталь

вконверторах и мартеновских печах позволило значительно улучшить и удешевить металл, а также увеличить производительность металлургических заводов, в связи с чем с середины 80-х годов прошлого века в мостостроении началось более широкое применение стали. В 1899 г. во всем мире было произведено уже около 20 млн т металла, пригодного по своей стоимости и механическим показателям для использования при возведении мостов любых систем. Расширение производства и применения стали стимулировало разработку теории расчета ферм, сделало возможным проектирование крупных мостов и организацию массового строительства железнодорожных мостов на вновь строящихся линиях.

В1874 г. американский инженер Идс использовал сталь с добавкой хрома при сооружении городского арочного моста в г. СанЛуисе.

ВРоссии применение стали для железнодорожных мостов было предложено проф. Н. А. Белелюбским, и в 1883–1887 гг. по его проектам из литого железа возведены первые пролетные строения ряда мостов на строившихся железных дорогах. Распространению стали

вмостостроении способствовали также исследования в 1891–1893 гг. немецкого инженера Мертенса в связи с постройкой большого моста через реку Вислу.

9