Системы металлических мостов.

Металл – достаточно универсальный материал, он хорошо работает на сжатие, растяжение, кручение, сдвиг. Поэтому из металла можно создать практически любую мостовую конструкцию. Учитывая, с одной стороны, что металл относительно дорогой и в какой-то степени дефицитный материал, а с другой стороны, что он обладает высокой удельной прочностью, используется металл в основном для сооружения мостов с большими и сверхбольшими пролётами.

Все металлические мосты можно условно разбить на две большие группы - сплошностенчатые и решётчатые. Хотя при этом возможны любые произвольные комбинации.

Как и мосты, выполненные из других материалов, металлические мосты классифицируются в основном по статическим схемам. Попутно отметим, что металлическими мостами мы будем называть такие мосты, несущие конструкции пролётных строений которых выполнены из металла. Материал, используемый для сооружения опор, в этом определении не принимается во внимание.

Пролётные строения металлических мостов могут быть выполнены по следующим основным статическим системам:

1. балочные;

2. рамные;

3. арочные;

4. вантовые;

5. висячие;

6. комбинированные.

Далее проведём классификацию металлических мостов параллельно по группам и по системам.

4.Заклепочные соединения.

Основным элементом заклёпочного соединения является заклёпка, которая может иметь головку сферическую потайную или полупотайную В мостостроении наибольшее распространение получили заклёпки со сферической головкой.

Заклёпки используют для сплачивания отдельных листов металла в единый пакет, соединения отдельных элементов между собой и устройства монтажных стыков. Заклёпочные соединения относятся к категории нахлёсточных соединений, хотя иногда используются и во фланцевых соединениях.

Для получения заклёпочного соединения в объединяемых элементах необходимо сделать отверстие, диаметр которого и определяет расчётный диаметр заклёпки. Наиболее часто используют заклёпки диаметром 23 мм. При соединении мощных элементов применяют заклёпки диаметром 26 мм. Для прикрепления второстепенных элементов служат заклёпки диаметром 20 мм. Отметим, что значения диаметров заклёпок связаны с дюймовой системой измерений. Диаметр стержня заготовки заклёпки принимается примерно на миллиметр меньше диаметра отверстия.

На первых порах отверстия в соединяемых заклёпками элементах устраивали пробивкой с помощью штемпеля (Рис. 6.8). При этом происходило нарушение структуры металла, в результате чего прочность его в зоне устройства отверстий снижалась (примерно на 15…18%). Сталь в зоне стенок отверстий становилась хрупкой, а по краям отверстий появлялись волосные трещины.

Пробитые отверстия имели слабо выраженную конусность внутренней поверхности. Поэтому если укладывать все листы пакета в направлении продавливания отверстий, то при установке заклёпки её тело не сможет полностью заполнить отверстие. Выходом из этого положения является чередование в укладке листов

Рассверловка отверстий устраняет указанные недостатки.

Отверстия сверлят в два этапа Сначала устраивают отверстия несколько меньше требуемого диаметра, после стягивания пакета болтами или специальными скобами выполняют окончательную рассверловку до требуемого диаметра. В результате получают отверстие правильной цилиндрической формы в строгом соответствии с требуемым диаметром заклёпки.

Для того, чтобы стержень заклёпки мог плотно заполнить заклёпочное отверстие, металл заклёпки необходимо привести в пластическое состояние, что достигается её нагревом до температуры 1100 °С.Перед постановкой заклёпки в отверстие её предварительно нагревают, сбивают образовавшуюся при нагреве окалину и вставляют в заклёпочное отверстие.

Стержень заклёпки должен выступать над соединяемыми элементами на 1,35… 1,5 диаметра заклёпки (обычно уточняется пробной клёпкой). Это необходимо для правильного формирования головки заклёпки. Излишек длины стержня заклёпки обрезают. Головки формируют ударным способом вручную молотком массой примерно 4 кг, или пневматическим молотком. С противоположной стороны соединения устанавливают поддержку для восприятия ударной энергии от молотка. Поддержка должна иметь достаточно большую массу или специальное упорное приспособление. Желательно, чтобы на момент окончания установки заклёпки она имела тёмно-красное каление, что позволяет при остывании заклёпки создать дополнительное обжатие соединяемых элементов.

В нахлёсточном соединении каждый ряд заклёпок скачкообразно передаёт усилие от одного элемента к другому что является существенным недостатком такого типа соединения.

Другой недостаток заклёпочного соединения связан с необходимостью рассверловки отверстий под заклёпку, что приводит к ослаблению соединяемых элементов.

При равномерно распределенной нагрузке, приложенной к концам цельной металлической полосы, напряжения в полосе распределяются равномерно. Однако, если в полосе есть какие-то ослабления, например, отверстия под заклёпку, характер напряжённого состояния в полосе резко изменяется (Рис.6.14). Такие места называются концентраторами напряжений. При ослаблении полосы круглым отверстием напряжения могут возрасти в три раза (конечно, если металл имел бы неограниченный предел пропорциональности). В силу того, что фактические максимальные напряжения в зоне концентрации превышают предел пропорциональности, в наиболее напряжённых зонах развиваются пластические деформации. В результате этого проявляется наклёп и, как следствие, происходит местное охрупчивание металла. При динамически переменных напряжениях это приводит к образованию усталостных трещин в металле. Правда, свободному развитию пластических напряжений препятствуют менее напряжённые участки, да и наклёп повышает предел пропорциональности. Поэтому заметные пластические деформации проходят при напряжениях несколько больших, чем начальный предел пропорциональности.

Зона концентрации напряжений возле отверстий под заклёпку невелика. Поэтому при размещении заклёпок поперёк направлению действующих напряжений с шагом 3d_закл. взаимное влияние зон концентрации напряжений двух рядом расположенных заклёпок не происходит.

Крайние заклёпки в ряду размещают на расстоянии 2d_закл. от края элемента, чтобы зона концентрации напряжений около отверстия была удалена на безопасное расстояние от кромки. Это расстояние исключает возможность распространения трещины к краю листа.

Однако и слишком большое расстояние между заклёпками недопустимо, так как при этом не обеспечивается плотность соединяемых элементов, а в сжатых элементах может произойти выпучивание отдельных листов или уголков. Нормы проектирования мостов устанавливают ограничение на максимальный шаг заклёпок в зависимости оттого, сжат элемент или растянут.

Прикрепляя заклёпками уголок, необходимо стремиться, чтобы головки заклёпок не попадали на закруглённую часть уголка. Поэтому заклёпки размещают по рискам уголков е₁, зависящих от размеров полки: ширины b и толщины t (Рис. 6.16). Для уголков с шириной полки 200 мм и более возможно двухрядное размещение заклёпок (по двум рискам е₁ и е₂).

Работа заклёпки в соединении сложна, что наглядно видно из рис. 6.17. Поэтому при определении несущей способности заклёпки приходится использовать приближённые методики расчёта. Условно несущую способность заклёпки определяют из условия равномерного диаметрального смятия заклёпки по площадкам 1 и 2, а также по срезу по возможным площадкам сдвига тела заклёпки. В качестве расчётного значения несущей способности заклёпки принимают наименьшее из значений, полученных по указанным условиям.

Из рис. 6.17 наглядно следует, что заклёпочное соединение относится к категории податливых, т. е. из-за обмятия и деформации стержня заклёпки происходит некоторое взаимное проскальзывание соединяемых элементов. В какой-то степени это снижает эффективность работы заклёпочного соединения. После того как усилия, действующие в соединяемых элементах, преодолевают силы сцепления, образующиеся между элементами при остывании заклёпки, она полностью включается в работу на смятие и срез.

В настоящее время заклёпочные соединения в мостостроении применяются редко. При разработке проекта реконструкции клёпаных пролётных строений расчёты заклёпочных соединений выполняют согласно «Техническим условиям проектирования железнодорожных и городских мостов и труб» (СН 200-62).

Несущая способность заклёпки из условия её работы на смятие определяется по выражению:

где – основное расчётное сопротивление стали, из которой выполнены заклёпки;

– коэффициент перехода к сопротивлению заклёпки на смятие;

– наименьшая из толщин соединяемых элементов или +.

Несущая способность заклёпки из условия её работы на срез определяется по выражению:

где – коэффициент перехода от основного сопротивления металла

заклёпки к сопротивлению заклёпки на срез;

k – число возможных плоскостей среза.

Несущая способность заклепки принимается равной наименьшему из значений и.

Болтовое соединение

Болтовые соединения появились в мостостроении одновременно с чугунными конструкциями. Постановка болтов не сопряжена с ударными воздействиями, что является важным фактором при монтаже элементов, выполненных из чугуна. Обычный болт сложно плотно поставить в отверстие. Поэтому болтовым соединениям, работающим на сдвиг, свойственно небольшое проскальзывание соединяемых элементов.

Существуют два вида обычных болтов: чистые (точеные), имеющие точно фиксированный диаметр и часто используемые вместо заклепок в труднодоступных для клепки местах, и черные, изготавливаемые из прокатных прутков и служащие в качестве крепежных элементов.

В мостостроении болты широко используют в нахлесточных и фланцевых соединениях. Болты могут быть использованы в прикреплениях второстепенных элементов к основным и при анкеровке элементов, например, к фундаментным блокам.

Резьбы болтов в России и за рубежом стандартизированы. В свое время они послужили первым объектом мировой стандартизации. Важнейшей характеристикой болта является шаг резьбы Р. Метрическая резьба является основной треугольной резьбой, принятой в России. Метрические резьбы разделяют на резьбу с крупными и мелкими шагами.

В мостостроении за основу принята резьба с крупным шагом, обозначаемая буквой М и числом, выражающим диаметр резьбы в миллиметрах (например, М20). Трапецеидальная резьба является основной резьбой для передач винт-гайка. Трапецеидальная резьба стандартизирована в диапазоне диаметров 8…640 мм. Упорную резьбу используют для винтов с односторонней осевой нагрузкой.

Установлены поля допусков диаметров резьбы, образуемые сочетанием степени точности (допуска) и основного отклонения. Обозначение степени поля допуска состоит из цифры, показывающей степень точности, и буквы, обозначающей основное отклонение. Тогда ранее записанный пример обозначения болта, следует представить в полном виде М20-6g.

Одной из важных характеристик стальных болтов является их класс прочности. Например, для соединения элементов мостового полотна, перил и смотровых приспособлений используются стальные болты класса прочности 4,6. Первая цифра в классе прочности болта соответствует значению временного сопротивления материала, из которого выполнен болт, уменьшенному в 100 раз () – здесь следует принимать в МПа. Вторая цифра представляет собой увеличенное в 10 раз отношение предела текучести к временному сопротивлению – ().

Для соединения основных элементов мостовых конструкций в настоящее время широко используют высокопрочные болты, выполненные из термически упрочнённой стали (Рис. 6.23). Болты затягивают до такого значения усилия, при котором возникающие силы фрикционного сцепления между соприкасающимися поверхностями делают соединение практически жёстким, т. е. исключающим сдвиг между соединяемыми элементами. Поскольку несущая способность в соединении на высокопрочных болтах обеспечивается за счёт сил фрикционного сцепления, такое соединение часто называют фрикционным.

Соединения на высокопрочных болтах по простоте их исполнения ненамного уступают соединениям на обычных болтах. Фрикционные соединения в мостостроении применяют с 1948 г. Поскольку во фрикционном соединении болт непосредственно никаких сдвигающих усилий не воспринимает, диаметр отверстия делают несколько большим, чем диаметр болта (до 3 мм). Это значительно упрощает постановку болтов при монтаже.

В практике мостостроения широко используют высокопрочные болты типов 110, 110С и 135. Цифровое обозначение типа болта соответствует минимальному значению временного сопротивления материала болта в кгс/мм². Болты, предназначенные для конструкций северного исполнения (для районов с расчётной минимальной температурой воздуха ниже минус 40 °С), дополнительно обозначаются индексом С. Болты типов 110 и 110С изготавливают из хромистой стали марки 40Х, а болты типа 135 из сталей марок 38ХС и 40ХФА «селект». В настоящее время в отечественном мостостроении стали применяться высокопрочные болты с цинковым напылением.

Натяжение болта осуществляют завинчиванием гайки специальным динамометрическим ключом. Использование динамометрических ключей позволяет получить строго контролируемый крутящий момент М_кр обеспечивающий требуемое натяжение болта P:

где – коэффициент закручивания болта, зависящий от вида смазки резьбы, определяется опытным путём (в большинстве случаев значение лежит в пределах 0, 17…0,19).

Для стабилизации значения коэффициента закручивания, соответствующие технологические регламенты, предусматривают процедуру расконсервации, чистки резьбы и смазки болта специальным маслом.

Во фрикционных соединениях сдвигающие усилия между соединяемыми элементами передаются более равномерно, чем в заклёпочных (Рис. 6.25), что делает фрикционное соединение более надёжным.

Сдвиг по плоскости контакта соединяемых элементов практически не происходит, поэтому фрикционные соединения относят к категории жёстких.

Наличие зон передачи сдвигающего усилия приводит к тому, что в первом ослабленном сечении элемента усилие, на которое рассчитывается это сечение, уменьшается на 40% от усилия, передаваемого через первый ряд болтов (для рассматриваемого примера.

Напомним, что наибольшая толщина поясного листа 20 мм и не рекомендуется принимать в поясном пакете более четырёх листов.

Толщину вертикального листа определяют из условия прочности на восприятие максимальной перерезывающей силы. Если предварительно назначенная минимальная толщина стенки не удовлетворяет указанному условию, то толщину стенки увеличивают и, как правило, делают её постоянной по всей длине балки.

Шаг заклёпок, прикрепляющих пакет горизонтальных листов к поясным уголкам (тип 1) и поясных уголков к вертикальному листу (тип 2), определяют из условия восприятия соответствующих сдвигающих усилий, вызванных перерезывающей силой. В целях упрощения размещения заклёпок балку разбивают на отдельные участки. Шаг заклёпок постоянный на отдельном участке, определяют по максимальной перерезывающей силе на этом участке:

При определении несущей способности заклёпок типа 2 по условию среза необходимо учитывать, что эти заклёпки имеет по две площадки среза.

Определённая из условия прочности толщина вертикальной стенки оказывается, как правило, недостаточной для обеспечения устойчивости балки от выпучивания стенки в целом (Рис. 8.9). Во избежание возникновения такой ситуации стенку балки усиливают постановкой вертикальных элементов уголков жёсткости (Рис. 8.7).

Уголки жёсткости ставят с двух сторон стенки при обязательном закреплении их концов к поясным уголкам (Рис. 8.8). Это может быть выполнено с применением дополнительных прокладок между уголками жёсткости и стенкой или применением уголков с высаженными концами. На опорных сечениях балки, где передаются большие сосредоточенные усилия, ставят более мощные уголки жёсткости (в балках больших пролётов иногда приходится устанавливать сдвоенные уголки жёсткости).

В опорных рёбрах жёсткости высаживать уголки не рекомендуется. Тип уголковых рёбер жёсткости и их размеры зависят от величины ближайшего расстояния между рисками поясных уголков и толщины вертикальной стенки. В зависимости от указанных параметров нормы проектирования мостов устанавливают минимальное значение момента инерции относительно оси, проходящей через центр тяжести рёбер жёсткости.

Расстояние между вертикальными уголками жёсткости определяют расчётом из условия обеспечения местной устойчивости сжатого участка стенки между вертикальными уголками жёсткости (Рис. 8.10). Однако в наиболее напряжённых сечениях балки для выполнения указанного условия пришлось бы вертикальные уголки ставить слишком часто.

В этом случае стенку для исключения потери местной устойчивости рационально усиливать постановкой дополнительных горизонтальных уголков жёсткости, что обеспечивает постоянство шага поперечных рёбер. (Рис. 8.11). Эти уголки жёсткости в зависимости от напряжённости стенки устанавливают в один, два или три ряда. В последнем случае третий уголок жёсткости устанавливают в растянутой зоне стенки. На приопорных участках балки напряжённое состояние стенки определяется касательными напряжениями, которые по высоте стенки изменяются незначительно. Поэтому один или два уголка жёсткости по высоте стенки ставят симметрично относительно оси балки. В горизонтальных уголках жёсткости вертикальная полка пером должна быть повёрнута вниз.

Заводской блок балки стремятся сделать по возможности большей длины (порядка 10 м). Выпускаемый промышленностью угловой прокат позволяет сделать поясные уголки цельными по длине блока. Однако листовой прокат требуемой для мостовых балок толщины имеет длину не более 5 м. Поэтому вертикальный лист приходится стыковать по длине с помощью парных накладок, располагаемых между перьями поясных уголков верхнего и нижнего поясов.

Следует иметь в виду, что часть вертикального листа, расположенная между крайним рядом заклёпок и наружным краем листа, не включается в работу. Усилия, которые не могут быть восприняты неработающей частью стенки, воспринимаются полосовыми накладками, прикрепляемыми к поясным уголкам. Иногда для этих целей используют уголковые накладки (Рис. 8.12), но для этого надо предварительно удалить часть обушка. Образовавшиеся при этом пазухи шпатлюют, что особенно важно для нижних поясов.

Клёпаные балки ввиду повышенного расхода металла и большой трудоёмкости изготовления в настоящее время применяют редко. Однако значительная часть построенных мостов в своём составе имеет клёпаные конструкции.