23. Повреждения металлических конструкций

Характерными повреждениями металлических пролетных строений являются: расстройство заклепочных и болтовых соединений, уста­лостные трещины, коррозия и механические повреждения. Сравнитель­но редко встречаются хрупкие разрушения и потеря устойчивости.

Повреждения металлических пролетных строений являются след­ствием многих причин, к которым прежде всего относятся: низкое ка­чество металла и изготовления конструкций; конструктивные недо­статки; несоответствие расчетных предпосылок действительным усло­виям работы; плохое содержание сооружения; особенности климатических условий; вид перевозимых грузов; несоблюдение габаритности подвижного состава; характер воздействия подвижной нагрузки и др. Усталость материала - это процесс постепенного накопления поврежде­нии при действии многократно повторяемых изменений напряжений приводящий в определенных условиях к усталостному разрушению' которое происходит в результате постепенного развития трещины. Свой­ство материала противостоять усталости называется выносливостью. Усталость - процесс избирательный, происходящий, как правило в локальных зонах элементов конструкций, где наблюдается максималь­ная концентрация напряжений. Излом усталостного разрушения имеет характерные начальные пятна усталости, образующиеся на участках за­рождения трещин усталости.

Наиболее серьезные и весьма опасные усталостные повреждения эле­ментов главных ферм клепаных пролетных строений железнодорожных мостов пока зарегистрированы в раскосах и подвесках. Первые усталост­ные разрушения раскосов на железнодорожных мостах России были обнаружены в 1941 г. К настоящему времени отмечено несколько сотен Усталостных повреждений раскосов (рис. 2.6). В начале усталостные по­вреждения раскосов возникали на пролетных строениях, изготовленных в конце прошлого и начале текущего столетий из сварочного и литого железа, а в 60-х годах стали появляться аналогичные повреждения раско­сов пролетных строений, изготовленных из малоуглеродистой стали мар­ки l.t. з и рассчитанных по нормам 1931 г. под нагрузку Н7 и Н8 Уста лостные повреждения подвесок на железнодорожных мостах нашей страны встречаются пока редко.

Механические повреждения и хрупкие разрешения. Механические повреждения наиболее часто возникают в процессе эксплуатации в ре­зультате ударов негабаритных грузов по элементам пролетных строений, а также при их изготовлении и монтаже. К механическим относятся так­же повреждения, полученные в результате обстрелов или бомбардировок мостов. Механические повреждения могут быть самыми разнообразны-ми: разрывы отдельных элементов или их частей, местные или общие ис-KpjBftemiH элементов, пробоины, вмятины (рис. 2.19).

Элементы, получившие механические повреждения, должны быть тщательно обследованы. Степень опасности повреждения устанавливают в каждом конкретном случае. Она зависит не только от размеров по­вреждения элемента, но и от напряженного состояния и его изменений в связи с появлением повреждения.

Элементы, поврежденные в результате ударного воздействия, необ­ходимо тщательно осмотреть с целью выявления трещин, особенно в зоне удара. Искривление элементов приводит к возникновению в них дополнительных напряжений, а в сжатых элементах уменьшается сопро­тивляемость их продольному изгибу. Прямолинейность элемента обыч­но проверяют при помощи натягиваемой вдоль него тонкой стальной проволоки, относительно которой измеряют ординаты (стрелы) искрив­ления. Особенно опасны искривления сжатых элементов с одновременным повреждением соединительной решетки между ветвями (погнутости, разрывы). В таких случаях следует немед­ленно принять меры по ремонту поврежденных частей соединительной решетки элемента, если это окажется необходимым по расчету.

Значительные повреждения могут получить прикрепления элемен­тов, подвергнутых ударному воздействию. При этом могут срезаться или разорваться заклепки и болты, возникнуть большие сдвиги. В сварных соединениях возникают трещины в швах и околошовных зонах. При об­наружении повреждений необходимо оценить их влияние на надежность прикреплений и принять меры, обеспечивающие нормальную их работу.

Хрупкими разрушениями называют разрушения от силового воз­действия без заметной пластической деформации. Разрушение происхо­дит от развития трещин, зарождающихся в наиболее слабых (перенапря­женных) местах. Трещины при хрупком разрушении развиваются мгновенно (скорость распространения трещины в металле достигает 4000— 5000 м/с) характеризуются почти полным отсутствием пластических деформаций и представляют собой большую опасность.

Склонность к хрупким разрешениям зависит от структуры металла, ориентации кристаллов, химического состава, наличия примесей, формы элемента, вида напряженного состояния, скорости деформирования, тем­пературы окружающей среды и т. п.

Опыт эксплуатации металлических пролетных строений показывает, что повреждения элементов вследствие хрупкого разрушения встреча­ются пока очень редко. Они наблюдались, главным образом, в сварных конструкциях, изготовленных в начальный период применения сварки в мостостроении. Однако в связи с массовым появлением и развитием усталостных трещин в сварных балках вероятность появления в них хрупких разрушений будет возрастать. Опасность хрупких разрушений и тяжесть их последствий в сварных конструкциях, в частности в свар­ных балках, обусловлена главным образом сплошностью сечений балок, в связи с чем при хрупком разрушении трещина мгновенно распростра­няется по всему сечению.

Что касается клепаных пролетных строений, то по мере увеличения нагрузок, интенсивности и скоростей движения поездов, сроков экс­плуатации в элементах, особенно в зонах сильных концентраторов на­пряжений, происходят накопления повреждений, снижающих сопротив­ляемость металла хрупким разрушениям. При образовании в нем уста­лостных трещин вероятность появления хрупких разрушений повышает­ся. Однако она несравненно ниже, а последствия разрушений менее опасны, чем в сварных.

Коррозионные повреждения. Металлические пролетные строения мостов, длительное время находящиеся в эксплуатации, обычно имеют коррозионные повреждения, степень развития которых зависит от спо­собов защиты от коррозии, качества металла и текущего содержания.

Коррозионные повреждения, уменьшая площадь сечения элементов, снижают их грузоподъемность. Кроме того, совместное воздействие кор­розии и циклических напряжений может приводить к возникновению коррозионно-усталостных трещин. Коррозионно-усталостные трещины начдйаются в зонах концентрации напряжений с разрушения защитной пленки на металле под действием циклических напряжений. Коррозия снижает также стойкость металла против хрупких разрушений.

Скорость развития коррозии зависит от ряда факторов: способов и качества защиты от коррозии, химического состава металла, разновид­ности агрессивной среды, влажности, температуры, напряженного состоя­ния и др. Главным фактором, влияющим на возникновение и развитие Коррозии, является увлажнение поверхности металла. Эксперименталь­но установлено, что в среде, имеющей относительную влажность меньше 40 %, даже при наличии загрязнений, коррозия не возникает. Но эти условия не характерны для мостов, находящихся, как правило, в среде с более высокой влажностью. При относительной влажности воздуха более 70 % поверхность металла заметно адсорбирует влагу из воздуха в количествах, достаточных для развития коррозии. Загрязнение возду­ха частицами хлоридов, сульфидов или газами (например, сернистым), а также оседание на поверхности элементов пролетных строений всякого рода солей, руды и других агрессивных веществ способствует появлению и ускоренному развитию коррозии. Значительное влияние на развитие коррозии оказывают блуждающие электрические токи. Температура также влияет на развитие коррозии: повышение температуры ускоряет коррозию, понижение замедляет. При отрицательных температурах раз­витие коррозии практически прекращается.

Коррозия металла происходит либо путем непосредственного хими­ческого взаимодействия металла с окружающей средой (химическая коррозия), либо в результате взаимодействия образующихся на поверх­ности металла гальванических элементов (электрохимическая корро­зия) . В стальных мостовых конструкциях в основном происходит элек­трохимическая коррозия.

Коррозионные повреждения бывают двух основных видов: равно­мерная коррозия и местная. Равномерная коррозия распространяется на большой поверхности металла, а местная сосредоточивается на отдель­ных его участках. Характерными видами местной коррозии являются: точечная; избирательная, разрушающая только одну структурную со­ставляющую; межкристаллитная, распространяющаяся по границам кристаллитов (зерен) металла. Межкристаллитная коррозия вследствие разрушения межкристаллитных связей приводит к значительному ухуд­шению свойств металла, снижению его сопротивляемости усталостным и хрупким разрушениям. Часто межкристаллитная коррозия не вызыва­ет изменения внешнего вида металла и поэтому не всегда может быть обнаружена.

Образованию и развитию коррозии металла более подвержены про­летные строения с ездой поверху, элементы и узлы которых в большей степени загрязняются, чем у пролетных строений с ездой понизу. В про­летных строениях с ездой понизу более интенсивно корродируют эле­менты, расположенные ниже уровня мостового полотна.

Коррозией поражаются главным образом элементы поясов главных ферм, балки проезжей части, связи между главными фермами, а также связи между продольными балками. В поясах главных ферм вследствие отсутствия или недостаточности дренажных отверстий, а также в резуль­тате загрязнения может возникать застой воды, приводящий к коррозии внутренних элементов сечения коробки.

В продольных балках проезжей части наиболее подвержены корро­зии верхние горизонтальные листы, а при их отсутствии — горизонталь­ные полки верхних поясных уголков в местах контакта с мостовыми брусьями. Ускоренный процесс развития коррозии на этих участках объясняется быстрым разрушением слоя краски в зоне контакта с мос­товым брусом и устойчивым увлажнением поверхности.