Отличие сквозных ферм от сплошных балок

В сплошных балках с увеличением пролета растет высота и толщина стенки, требуется более солидное ее укрепление от выпучивания. В итоге увеличивается расход металла на стенку балки. Более целесообразно оставить в балке верхний и нижний пояса, а тяжелую и громоздкую стенку заменить элементами, которые соединили бы пояса в неизменяемую систему.

Воспользовавшись свойством геометрической неизменяемости треугольника (см. рис. 47), соединим пояса балки раскосами так, чтобы они образовали непрерывную треугольную систему (рис. 81, а). Это и будет ферма с параллельными поясами и треугольной решеткой.

Такая система сохранит неизменяемость и в том случае, если пояса будут не целыми на всю длину балки, а составными из отдельных элементов между вершинами треугольников, т. е. между узлами, где сходятся элементы (рис. 81, б). Ни один узел такой фермы не может изменить своего положения относительно остальных без изгиба или изменения длины элементов. Если каждый элемент и все сопряжения элементов будут достаточно мощными для постоянной и временной нагрузки, то под поездом узлы будут смещаться лишь в меру упругого прогиба фермы.

Для уменьшения изгиба поясов в пределах между смежными узлами можно поставить дополнительные элементы, показанные на рис. 81, в пунктиром. Здесь нижний пояс подвешен к верхним узлам подвесками, а верхний подперт с нижних узлов стойками. В низу подвесок (или в верху стоек), а также в основных узлах удобно прикрепить поперечные балки проезжей части (см. рис. 80, б). Именно по этому типу выполнены распространенные фермы (рис. 82).

Рис. 82. Схема фермы в пролетном строении 66 м

Характер и изменение усилий в элементах балочных разрезных ферм частично уже пояснены (стр. 68): элементы верхнего пояса всегда сжаты, а нижнего — растянуты; восходящие вверх к середине пролета раскосы сжаты, а обратные им, нисходящие вниз к середине — растянуты. Лишь в некоторых раскосах средней части пролета при несимметричном расположении на нем временной нагрузки растяжение может смениться сжатием и, наоборот, по мере перемещения поезда по пролету. Дополнительные элементы, такие, как стойки и подвески, не примыкающие хотя бы одним концом к раскосам, т. е. поддерживающие пояса ферм между основными узлами, соответственно сжаты или растянуты.

Фермы с параллельными поясами и решеткой по такой простой схеме приняты для современных пролетных строений пролетами от 33 до 110 м.

Для ферм характерно преимущественно осевое (продольное) действие сил в элементах под нагрузкой, когда она передается поперечными балками в узлы ферм. Все элементы ферм сжаты или растянуты. Из-за жесткости соединений в узлах элементы испытывают еще изгиб, но в обычных конструкциях он невелик.

Известно несколько видов ферм. Помимо расположения езды и типа соединений, фермы различаются по очертанию поясов, системе решетки, сечению элементов.

Схемы ферм

По очертанию поясов фермы бывают с параллельными поясами (см: рис. 82) и с одним прямым поясом в уровне расположения езды, а с другим — полигональным, изогнутым в узлах. Полигональность поясов ферм различная: от криволинейной (в частности, по параболе или гиперболе, рис. 83, а), к чему нередко прибегали раньше даже для небольших пролетов (33—44 м), до переломов лишь в отдельных узлах (рис. 83,б), как это делают для больших пролетов (более 80—100 м).

Уменьшение высоты к опоре при больших пролетах несколько снижает расход металла. Известно, что усилия в параллельных поясах фермы, как и балки, уменьшаются от середины пролета к опоре (см. рис. 73). Усилия в раскосах, как и в стенке сплошных балок, наоборот, к опоре увеличиваются.

Это изменение сил условно изображено на рис. 84, а в виде различной ширины полос для соответствующих элементов. Заметим, что при уменьшении высоты фермы усилия в поясах возрастают. Поэтому, снижая к опоре высоту ферм (рис. 84, б), можно уменьшить разницу усилий во всех элементах каждого пояса. Очертание поясов по параболе позволяет выравнивать по всему пролету усилия в поясах, а по гиперболе — усилия в раскосах.

Высота фермы с параллельными поясами, принятая одинаковой для всего пролета исходя из наибольшей величины усилия поясов в середине фермы, является излишней для остальных ее частей. Избыточная высота ферм особенно нежелательна для наиболее сжатых опорных раскосов, поскольку увеличивает вероятность их выпучивания при продольном изгибе и, следовательно, требует увеличения их мощности. По условиям габарита высота пролетного строения при езде понизу 7—8 м вполне достаточна, в то время как фермы пролетом 88—110 м по условиям оптимального расхода металла имеют высоту в средней части пролета 15 м.

Таким образом, снижение высоты фермы к опорам, без утяжеления поясов, сокращает длину (и мощность) элементов решетки. Однако облегчение таким путем ферм получается незначительным (до 3% общего веса), а при небольших пролетах — и того меньше, что не оправдывает более сложного их изготовления.

Между тем при параллельных поясах ферм по современным проектам, как и прежде во многих фермах с треугольной решеткой, используется возможность облегчения конструкции совмещением неездового пояса с опорным раскосом. Благодаря этому в таких фермах с «острым» опорным узлом исключаются опорные стойки и элементы пояса по одному с каждого конца, а в пролетном строении, кроме того, и связи в плоскостях исключенных элементов. Фермы с острыми опорными узлами применимы при езде понизу и реже поверху, так как в последнем случае надо наращивать опоры.

По системе решеток мостовые фермы, включая старые конструкции, более разнообразны.

В начальный период внедрения металлических ферм они во многом напоминали более ранние деревянные фермы Гау-Журавского. Такова, в частности, крестовая решетка фермы с криво-

Рис. 83. Схемы ферм: а — с криволинейным очертанием пояса; б — с полигональным

линейным поясом по рис. 83, а. Таковы и многорешетчатые фермы (рис.85), повторяющие дощатые (см. рис. 54, в).

Среди старых систем решеток ферм были распространены также раскосные и многораскосные (рис. 86). Многораскосные состоят из нескольких простых раскосных решеток (на рис. 86, б показаны порознь пунктиром).

В раскосной решетке раскосы и стойки являются основными элементами. В отличие от треугольной решетки, где стойки (подвески) могут и не быть, здесь, в раскосной, они обязательны. Без стоек ферма становится легкоизменяемой. При нисходящих растянутых раскосах (рис. 86, а —верхняя ферма) стойки сжаты в случае полного загружения пролета. При восходящих сжатых раскосах (рис. 86, а —нижняя ферма) стойки (подвески) растянуты.

Разновидностью раскосной решетки является полураскосная (рис. 86, в); в ней при том же наклоне раскосов вдвое укорочены панель и продольные балки, а также свободная длина раскосов, зато намного больше элементов и узлов.

В ромбической решетке (.рис. 86, г) крайние полураскосы примыкают, как и в полураскосной решетке, к серединам опорных стоек, но в отличие от нее — все остальные раскосы полной длины и без стоек. Исключение составляет один вертикальный или вместо него, как показано,— горизонтальный элемент, без которого конструкция является геометрически изменяемой. В некоторых мостах ромбическая решетка снабжена полуподвесками (полустойками) от узла пересечения раскосов до ездового пояса, так как вертикальные элементы удобнее для прикрепления к ним поперечных балок.

Все эти решетки—крестовая, многорешетчатая, полураскосная, ромбическая — не оправдали себя в эксплуатации, сложны в изготовлении. Они сохранились лишь в старых мостах.

Теперь применяют более совершенную треугольную решетку обычно с подвесками и стойками.

В узлах ферм к подвескам или стойкам прикрепляют поперечные балки проезжей части. Таким образом, расстояние между смежными узлами (панель) определяет длину и мощность продольных балок. Поэтому в фермах больших пролетов, имеющих треугольную решетку с подвесками и стойками, у концов раскосов ставят еще другие дополни» тельные элементы для уменьшения панели (и длины продольных балок).

На рис. 87, а пунктиром показаны дополнительные подвески— стойки, которые пересекают раскосы. Воспринимая нагрузку от поперечной балки, подвеска-стойка передает эту нагрузку раскосу и поясам, изгибая их книзу, а для того, чтобы воспрепятствовать этому изгибу, пересечение раскоса с подвеской укрепляют полураскосом-шпренгелем (рис. 87, б). При наличии шпренгеля верхняя часть подвески-стойки поддерживает от изгиба верхний пояс и, следовательно, сжата, а нижняя часть, воспринимая нагрузку от поперечной балки, растянута. На рис. 87, в, помимо подвесок-стоек и шпренгелей, показаны еще горизонтальные распорки - стяжки, они укрепляют от продольного изгиба длинные сжатые стойки.

В послевоенные годы нашли применение пролетные строения, разработанные Проектстальконструкцией. В них фермы пролетом 77—110 м имеют параллельные пояса и двухрешетчатую систему раскосов с дополнительными стойками-подвесками (рис. 88). Благодаря большой стандартизации размеров и элементов для различных пролетов они проще в изготовлении, но зато более трудоемки при монтаже, тяжелее и менее удачны в эксплуатации из-за конструктивных упрощений.

С 1955 г. пролетные строения изготовляют по типовым проектам МПС (рис. 89). Они в достаточной мере учитывают все основные требования — унификацию элементов, невысокую трудоемкость изготовления и монтажа, наибольшую жесткость и прочность при оптимальном расходе металла, простоту содержания.

Рис. 88. Ферма Проектстальконструкции

Использование низколегированной стали в проектах 1969 г. позволило уменьшить массу металла пролетных строений примерно на 10%, а при замене клепаных элементов сварными — еще на 10% по сравнению с указанным на рис. 89.