1. История развития металлических мостов. Влияние совершенствования материалов для металлических мостов на конструктивные решения. Основные механические свойства чугуна, сварочного железа, литого железа и стали. Требования к стали, как к материалу для изготовления мостов.

Задолго до нашей эры металл применяли для строительства сооружений и мостов в древних государствах Междуречья, Персии, Египте и Малой Азии. Однако вплоть до XVIII века металл оставался, главным образом, материалом для изготовления деталей отдельных скреплений несущих конструкций мостов, а также механизмов разводных

мостов.

Переворот в использовании металла для мостостроения связан с эпохой промышленной революции в Англии и других передовых странах Европы второй половины XVIII века. Первый чугунный арочный мост был построен через р.Северн в(Англия) в 1779 году.

В дальнейшем, главным образом в первой половине XIX века арочные чугунные сооружения строят как под шоссейную, так и под железную дороги. Их конструкции претерпевают ряд изменений – появляются трубчатые арки с эллиптическим и круглым поперечным сечением, из элементов двутаврового профиля, соединяемых болтами, и др.

В 1807 году Гесте разработал первый в истории типовой проект чугунного арочного моста через р.Мойку. По такому же проекту были построены мосты через Екатерининский канал (Грибоедова), а также через Введенский канал ныне засыпан

В 1850 году заканчивается строительство крупнейшего для своего времени первого постоянного моста через реку Неву – Благовещенского.

Историю материала металлических мостов Е.О.Патон разделял на три периода:

1780-1850 г.г. – чугун;

1850-1900 г.г. – сварочное железо;

С 1890 г. – стали.

Чугун – сплав железа с углеродом, с содержанием углерода от 2 до 4,5%. Производится из чугуна-сырца, выплавляемого из железной руды и кокса в доменных печах.

В XIX веке были достигнуты следующие временные сопротивления чугуна:

При сжатии 290-980 МПа;

При растяжени 70-300 МПа;

При изгибе 100-350 МПа.

Внутренние напряжения при остывании отливок могут привести к разрушению отливки даже при слабом ударе. Внутри чугунной отливки часто образуются пустоты.

Сварочное железо – неоднородный волокнистый материал научились получать в середине XIX века из чугуна. Чугун варили, перемешивая в течение двух и более часов, удаляя таким образом графит из расплава характеристики были следующими:

Временное сопротивление вдоль волокон 230-490 МПа;

Поперек волокон 180-390 МПа;

Предел упругости вдоль волокон 130-230 МПа;

Удлинение при разрыве вдоль волокон 30-10%;

Поперек волокон 6-2%.

Сталь - сплав железа с углеродом, содержание углерода в котором не превышает 2,14 %, но не меньше 0,02 %. Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость. Сталь, в отличие от сварочного железа, могла закаливаться, обрабатываться механическим способом. Кроме того появилось стальное литье. Механические свойства сталей в XIX веке близки современным углеродистым сталям.

Временное сопротивление 380 МПа;

Предел упругости 240 МПа;

Удлинение при разрыве 22-24%;

Требования к стали, как к материалу для изготовления мостов. Марки сталей, применяемые в мостостроении.

Со времен СССР марки низколегированных сталей обозначались буквенно-цифровой

системой. Легирующие добавки, вводимые в сталь, обозначаются большими буквами русского алфавита: Г-марганец;

Первые цифры, указанные перед буквами, показывают содержание углерода в сотых долях процента.

Основные марки сталей, применяемые в настоящее время, регламентируются СНиП 2.05.03-84* «Мосты и трубы

По типу исполнения металлоконструкции изготавливают трех типов, в зависимости от

расчетной минимальной температуры воздуха в районе строительства.

С учетом типа исполнения назначаются и категории стали для изготовления мостовых

конструкций. Чем выше категория стали, тем больший объем испытаний прошли образцы из нее, и тем шире диапазон ее применения. Например, сталь 10ХСНД-3 пригодна как для обычного, так и для северного Б исполнения конструкций. Но, чем выше категория стали, тем она дороже. Например для стали первой категории не проводят испытания на ударный изгиб при температуре минус 50 С, а для стали второй категории эти испытания обязательны. Поэтому необоснованное увеличение требований к стали ведет также к удорожанию конструкции. Расчетные сопротивления проката для различных видов напряженных состояний следует определять по формулам, приведенным в табл. 48*.

2. Сплошностенчатые пролетные строения мостов с ездой поверху под железную дорогу. Состав пролетного строения, назначение основных размеров. Область применения.

Простейшей системой - балка на двух опорах (рис. 3.1, а). Стоимость и тру­дозатраты изготовления и возведения сплошностенчатых стро­ений оказываются меньшими, чем балок сквозной (решетча­той) конструкции при длине пролетов железнодорожных мос­тов до 50...60 м. Это и определяет область их применения. целесообразно в специфических условиях (в северной строительно-климатической зоне и др.), а также оправдано стремлением обеспечить малую (менее 1 м) строительную вы­соту. применяют при замене пролетных строений эксплуатируемых мостов. + типизации.

Один из принципов типизации — создание и применение параметрических рядов пролетных стро­ений одинакового назначения. Серийное изготовление- тре­бования максимально возможной однотипности размеров эле­Ментов. Основными несущими элементами классического пролетно­го строения являются двутавровые главные балки, объединяе­мые системой продольных и поперечных связей (см. рис. 3.1, б). С увеличением высоты балки повышается ее жесткость и уменьшается пло­щадь поясов, но возрастает площадь. сечения по­ясов и стенки рационализируют, уменьшая их от середины к краям балки. в местах обрыва и изменения сечений поясных лис­тов следует выполнить плавные переходы: уклоном 1:8 для растянутого пояса и 1:4 — для сжатого (рис. 3.4).

Верхние и нижние продольные связи помимо обеспечения пространственной неизменяемости конст­рукции, воспринимают горизонтальные поперечные нагрузки: давление ветра, поперечные удары колес временной нагрузки, центробежные. Промежуточные поперечные связи способствуют равномер­ному распределению усилий от подвижной нагрузки между глав­ными балками пролетного строения. рассматриваем пролетные строения с ездой поверху. Главные балки в железнодорожных мостах имеют довольно боль­шую высоту — Н =(1/12 – 1/15)l_P, но при этом обеспечивается минимально возможное расстояние В между осями главных ба­лок, приводящее к экономии материала проезжей части и связей. Сплошностенчатые пролетные строения с ездой поверху: пролетом 23,0 м по проекту Трансмост - проекта 1948 г.; пролетом 33,6 м по проекту Центрального проектно-конструкторского бюро МПС 1947 г.; пролетом 23,0 м по проекту Кременчугского мостового завода 1950 г.; пролетом 21,5 - 23.0 м по проекту треста "Стальмост" 1952 г.; пролетом 18,2 м по проекту Лентрансмостпроекта 1952 г.; пролетом 21,6 - 23,0 м по проекту Ленгипротрансмоста 1962 г.; пролетами 18,2; 23,0; 27,0 и 33,6 м по проекту № 541 Ленгипротрансмоста 1967 г.; пролетами 18,2; 23,0; 27,0 и 33,6 м по проекту № 821 Ленгипротрансмоста 1971 г.;

4. Характеристика марок стали, применяемых в мостостроении. Понятие о классе прочности стали.

Со времен СССР марки низколегированных сталей обозначались буквенно-цифровой

системой. Легирующие добавки, вводимые в сталь, обозначаются большими буквами русского

алфавита:Г-марганец;Х-хром;С-кремний;Н-никель;М-молибден;Д-медь;Ф-ванадий;

Т-титан.

Первые цифры, указанные перед буквами, показывают содержание углерода в сотых доляхпроцента. Если процентное содержание легирующей добавки превышает 1%, то после соответствующей буквы ставится цифра 1 или 2 (с некоторым округлением)

Основные марки сталей, применяемые в настоящее время, регламентируются СНиП 2.05.03-84* «Мосты и трубы», раздел 4 «Стальные конструкции», табл.47.

Мостовые стали различаются по классу прочности. Класс обозначают буквой С и дробью,

числитель которой указывает предел прочности в килограмм-силах на квадратный миллиметр, азнаменатель – предел текучести в тех же единицах, принимаемый за нормативное сопротивлениестали (1 кгс/мм2=0,1МПа). Для сталей, у которых диаграмма растяжения не имеет выраженной площадки текучести, вводят понятие условный предел текучести, т.е. напряжение, соответствующее 0,2% остаточного удлинения образца стали.

По типу исполнения металлоконструкции изготавливают трех типов, в зависимости от

расчетной минимальной температуры воздуха в районе строительства.

При этом за расчетную минимальную температуру воздуха принимается средняя температура наружного воздуха наиболее холодной пятидневки, обеспеченностью 0,98 (для стальных конструкций) и обеспеченностью 0,92 для железобетонных конструкций.

С учетом типа исполнения назначаются и категории стали для изготовления мостовых

конструкций. Чем выше категория стали, тем больший объем испытаний прошли образцы из нее, итем шире диапазон ее применения. Например, сталь 10ХСНД-3 пригодна как для обычного, так и длясеверного Б исполнения конструкций. Но, чем выше категория стали, тем она дороже. Например для

стали первой категории не проводят испытания на ударный изгиб при температуре минус 50 С, а для стали второй категории эти испытания обязательны. Поэтому необоснованное увеличение требований к стали ведет также к удорожанию конструкции.

Расчетные сопротивления проката для различных видов напряженных состояний следует

определять по формулам, приведенным в табл. 48*.

Значения коэффициента надежности m по материалу проката следует принимать по табл.

49*.Нормативные и расчетные сопротивления стального проката, применяемого в мостостроении.

Таблица 50* Кроме проката для мостов применяют также отливки и поковки из углеродистой и легированной

стали. Расчетные сопротивления для отливок следует принимать по табл. 51* СНиП. А для поковок– по табл. 52*.

5. Типы и конструктивные решения мостового полотна железнодорожных мостов. Достоинства и недостатки.

1. Мостовое полотно на деревянных поперечинах. В настоящее время запрещено к

применению МПС. Используется только как временное решение.

2. Мостовое полотно на безбалластных ж.б. плитах

Плиты прикрепляют к верхним поясам балок высокопрочными шпильками. Плиты не включаются

в совместную работу с главными балками. Поперечные швы между плитами заделывают

гидроизоляционными мастиками.

3. Мостовое полотно с ездой на балласте (рисунок –см. выше ТП 2210)

Щебеночный балласт укладывается на металлическую или железобетонную плиту, выполненную

в форме корыта. Ж.д. путь укладывается обычный – на ж.б. шпалах.

Недостаток – собственный вес 4 т/м (40 кн/м)

Достоинство – возможно устройство пути на криволинейных участках и со стрелочными

переводами.

4. Мостовое полотно на металлических поперечинах.

Применяют часто для увеличения долговечности – как альтернативу безбалластной ж.б. плите, но

при этом значительно возрастает стоимость сооружения. Однако для разводных мостов это

является основным решением мостового полотна (Финляндский, Кузьминский мосты).

5. Мостовое полотно с непосредственным креплением рельсов к листу верхнего пояса.

У коробчатых пролетных строений высокая крутильная жесткость, более высокая защита

внутренней полости коробки от коррозии, повышенная долговечность и более низкие

эксплуатационные расходы.

Применение таких пролетных строений особенно целесообразно в районах с холодным климатом

и в труднодоступных районах.

При создании таких конструкций учли опыт зарубежных стран, прежде всего Германии, где еще в

1960-х годах было построено много подобных сооружений.

Пример – разрезное балочное пролетное строение моста через р.Эммер у г.Бад Пирмонт.

Пролетное строение выполнено в виде одной сварной коробки под два ж.д. пути. Коробка с

наклонными стенками при непосредственном прикреплении рельсов к листу настила. Для

опирания рельсов внутри большой коробки устроены две вспомогательные треугольные коробки.

Вся конструкция укреплена профильными продольными ребрами и поперечными диафрагмами.

Коробчатая балка высотой 3,5 м в середине пролета (1/15,4L) уменьшается к опоре до высоты

вспомогательных коробок 1,72 м. Полная масса конструкции 245 т (350 кг/м2).

Интересным приемом использования материала является применение так называемой

бистальной конструкции: устройство верхней (менее напряженной) части балки из менее прочной

стали St37, а нижней, более напряженной из стали St52 (низколегированной).

Однако, применение сталей повышенной и высокой прочности в коробчатых конструкциях,

призванное экономить металл в ж.д. мостах мало эффективно, т.к. сечение определяется

жесткостью, а не прочностью.