Пролетные строения с ездой поверху и безбалластным мостовым полотном

В современных металлических мостах применяют несколько типов безбалластного мостового полотна.
В свое время было широко распространено мостовое полотно на деревянных поперечинах в силу его относительной простоты устройства и малого собственного веса (рис. 3.2). В ряде случаев (например, на разводных мостах) вместо деревянных укладывают металлические поперечины, но вследствие повышенной металлоемкости, коррозии и других недостатков их применяют редко.
Из-за низкой долговечности и значительных расходов на содержание мостовое полотно на деревянных поперечинах все более вытесняется безбалластным полотном на железобетонных плитах (рис. 3.3). Плиты изготавливают из обычного или предварительно напряженного железобетона в виде сборных блоков, прикрепляемых к верхним поясам балок высокопрочными шпильками; в совместную работу с главными балками плиты не включаются. Поперечные швы между блоками заделывают гидроизоляционными мастиками. Промежуточные скрепления рельсов здесь те же, что и в обычном пути на железобетонных шпалах.

В ряде зарубежных стран считают эффективным мостовое полотно с укладкой рельсов непосредственно на несущие металлические конструкции. Расстояние между главными балками принимают равным расстоянию между осями рельсов (по нашим нормам 1,6 м). Достоинства: минимальные масса и строительная высота, доступность всех элементов для осмотра. Вместе с тем конструкции полотна присущи серьезные недостатки: возрастание уровня динамических процессов в системе «мост—поезд», повышенный шум, сложность устройства пути на кривых, электроизоляции и автоблокировки, худшие условия работы бесстыкового пути.

Основными несущими элементами классического пролетного строения являются двутавровые главные балки, объединяемые в пространственную конструкцию системой продольных и поперечных связей (см. рис. 3.1, б). Двутавровые главные балки изготавливают из отдельных стальных листов клепкой или сваркой. Высота двутавра может быть назначена различной, от этого зависит площадь поясных листов. При недостаточной площади одного листа может быть устроен пояс в виде пакета листов, соединенных друг с другом. С увеличением высоты балки повышается ее жесткость и уменьшается площадь поясов, но возрастает площадь стенки.
Поперечное сечение главной балки, подобранное по максимальному изгибающему моменту в середине пролета, естественно, излишне в его остальных частях. В этой связи сечения поясов и стенки рационализируют, уменьшая их от середины к краям балки. Чтобы обеспечить усталостную прочность конструкции, 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).

Связи имеют вид плоских ферм. Элементарная ячейка фермы называется панелью связей. Фермы связей обычно выполняют с треугольной или крестовой решеткой, т.е. в панели фермы располагают соответственно один или два диагональных элемента.
Верхние и нижние продольные связи (расположенные горизонтально в уровнях верхних и нижних поясов главных балок), помимо обеспечения пространственной неизменяемости конструкции, воспринимают горизонтальные поперечные нагрузки: давление ветра, поперечные удары колес временной нагрузки, центробежные силы (при расположении моста на кривой в плане). Отметим, что при езде поверху на нижние продольные связи передается только часть поперечных нагрузок, действующих на главные балки. Следовательно, их роль в работе пролетного строения несколько меньшая, чем верхних связей.
Промежуточные поперечные связи способствуют равномерному распределению усилий от подвижной нагрузки между главными балками пролетного строения (для этого расстояние между связями вдоль пролета назначают не более двух высот балки). В состав опорных поперечных связей, выполняющих также функции опор ферм верхних и нижних продольных связей, входят домкратные балки. Они предназначены для восприятия усилий домкратов при подъеме и опускании пролетного строения на монтаже и при ремонте.
После того, как вертикальная нагрузка, приложенная в плоскости изгиба двутавровой главной балки, достигнет определенного предела Ркр (зачастую намного меньшего предельной силы по прочности конструкции), возможна потеря устойчивости балки по изгибно-крутильной форме (общей устойчивости). Балка выпучивается в плане из плоскости изгиба и скручивается (рис. 3.5, а). На общую устойчивость влияют расстояния между местами закрепления сжатого верхнего пояса балки и изгибная жесткость пояса относительно вертикальной оси. Следовательно, размер панели продольных связей и шаг поперечных связей лимитируются допустимой по устойчивости свободной длиной сжатого верхнего пояса главной балки.

Балочные пролетные строения железнодорожных мостов устраивают, как правило, под один путь. В поперечном сечении многопутного моста устанавливают несколько отдельных пролетных строений. В однопутном пролетном строении обычно достаточно двух главных балок. Расстояние между их осями поперек моста определяется местом расположения езды, конструкцией мостового полотна, поперечной устойчивостью пролетного строения, его горизонтальной жесткостью, экономическими и другими соображениями.
Здесь мы рассматриваем пролетные строения с ездой поверху. Главные балки в железнодорожных мостах имеют довольно большую высоту — Н = (1/12 - 1/15)lp, но при этом обеспечивается минимально возможное расстояние В между осями главных балок, приводящее к экономии материала проезжей части и связей.
Строительной высотой пролетного строения hстр называется расстояние от наинизшей точки конструкции до уровня подошвы рельса на железнодорожных мостах либо до уровня верха проезжей части на автодорожных мостах (рис. 3.6, а).

При компоновке схемы мостового сооружения (см. рис. 3.1, а) строительная высота пролетных строений hстр может влиять на назначение генеральных размеров и отметок двояко:
• если отметки насыпи на подходах не заданы, из соображения экономии на земляных работах отметки подходов следует назначать минимальными, отложив вверх от отметки верха подмостового габарита (либо от минимально возможной отметки низа конструкции в пролете) строительную высоту пролетного строения;
• в случае, когда отметки подходов заданы проектировщиком трассы, необходимо проверить, вмещается ли пролетное строение определенной строительной высоты между заданными уровнем проезда и минимально возможной отметкой низа конструкции в пролете.

Снизить строительную высоту разрезного пролетного строения возможно за счет ее уменьшения в зоне опор (h2 ≤ h1 на рис. 3.6, б). Балки с переменной высотой более экономичны, но сложнее в изготовлении и обладают несколько худшими эстетическими качествами.
Расстояние между осями главных балок В должно удовлетворять условиям поперечной устойчивости пролетного строения против опрокидывания под действием горизонтальных поперечных сил (рис. 3.7):

где Mu, Mz — соответственно момент опрокидывающих и удерживающих сил;
Wi — ветровая нагрузка на пролетное строение и подвижной состав;
Qпоп — нагрузка поперечных ударов подвижного состава;
(hcтp + hp) — строительная высота пролетного строения с учетом высоты рельса;
Pv, Pпр — вертикальные нагрузки: временная и от веса пролетного строения;
m — коэффициент условий работы, равен 1;
В — расстояние между осями главных балок;
γn — коэффициент надежности по назначению, равен 1,1.
Bce нагрузки расчетные с введением коэффициентов их сочетания.
При назначении расстояния В между осями главных балок необходимо также обеспечить требуемую жесткость поперечного сечения пролетного строения относительно вертикальной оси, при которой расчетный период собственных поперечных горизонтальных колебаний не должен превышать 0,01lp (в секундах) и 1,5 с, что определяется динамическим расчетом пролетного строения.
Двутавровая форма сечения главных балок продиктована возможностью их изготовления из плоских листов. Ho известно, что двутавровое сечение изгибаемой балки нерационально с позиции полноты использования прочностных свойств материала: максимальные нормальные напряжения действуют только в крайних фибрах поясов, тогда как в средней части стенки уровень нормальных напряжений низок. Поэтому для экономии металла толщину вертикальной стенки стремятся делать возможно меньшей, лишь бы она удовлетворяла ограничению по минимальной толщине элемента (в железнодорожных мостах — 12 мм) и условию прочности по касательным напряжениям у опорных сечений балки.
Однако при тонкой стенке возникает необходимость обеспечить ее местную устойчивость. Потеря устойчивости стенки выражается в выпучивании ее из своей плоскости в локальных зонах под действием в общем случае трех компонентов плоского напряженно-деформированного состояния стенки: продольных нормальных σx, поперечных нормальных σy и касательных τxy напряжений.
Основное влияние на потерю местной устойчивость стенки, помимо уровня нормальных сжимающих напряжений σx, оказывают ее относительная толщина t/hs, соотношение размеров a/hs, степень защемления стенки в поясах, характер распределения напряжений σx по высоте стенки (рис. 3.5, б). Чтобы обеспечить местную устойчивость, стенку разделяют на прямоугольные отсеки шириной а и пластинки высотой hi поперечными и продольными ребрами жесткости. Кроме поперечных ребер, играющих роль жесткого контура пластинок стенки, в балке должны быть устроены опорные ребра жесткости, воспринимающие сосредоточенные опорные давления R и выполняемые большего сечения, чем промежуточные (рис. 3.5, в).
При действии касательных напряжений τxy по контуру пластинки потерять устойчивость стенка может от того, что при сдвиге в пластинке по одной из диагоналей возникают растягивающие, а по другой — сжимающие напряжения, которые и могут вызвать выпучивание стенки по волнообразным поверхностям, разделенным линиями перегиба (см. рис. 3.5, в).
Кроме того, выпучивание стенки может произойти и от поперечных сжимающих напряжений σу, передающихся ей верхним поясом при действии местного давления колес подвижного состава (рис. 3.5, г). Аналогично передается на стенку нижним поясом сила давления накаточных устройств при продольной надвижке пролетного строения.
Компоненты напряженного состояния σx, σy и τxy оказывают совместное воздействие на потерю устойчивости стенки, причем различное в разных зонах по ее длине и высоте. Ho из соображений унификации поперечные ребра жесткости размещают с одинаковым шагом вдоль пролета, увязывая шаг ребер с длиной панели ферм связей. Поперечные связи, как правило, размещают в плоскости поперечных ребер жесткости. При малой высоте балок (до 1,2...1,5 м) необходимости в продольных ребрах жесткости может и не возникать, при большей высоте может потребоваться установка нескольких продольных ребер, что определяется расчетом на местную устойчивость стенки.
Устройство тонкой подребренной стенки — решение оптимальное, поскольку масса конструкции минимальна. Вместе с тем трудозатраты и стоимость изготовления такой ребристой конструкции могут оказаться выше, чем при более толстой стенке (20...40 мм), но не имеющей ребер жесткости. В настоящее время подобное решение считается рациональным во многих зарубежных фирмах, где его широко используют в мостах любого типа, получая пусть и более металлоемкие, но простые в изготовлении балки.
В 1930-е—1950-е гг. в бывш. СССР были распространены клепаные пролетные строения со сплошной стенкой. Серия таких балок включала пролеты расчетной длиной 18,2,23, 27 и 33,6 м. В качестве примера на рис. 3.8 показаны фрагменты конструкции пролетного строения расчетным пролетом 18,2 м по типовому проекту Лентрансмостпроекта 1950-х гг. под нагрузку Н8.
Клепаные пролетные строения применяли с мостовым полотном на деревянных поперечинах, уложенных непосредственно на верхние пояса главных балок (см. рис. 3.2). Последние состояли из сплошного вертикального листа толщиной 10...12 мм, поясных уголков и набора горизонтальных листов толщиной не более 20 мм каждый, число которых увеличивалось к середине пролета в соответствии с эпюрой изгибающих моментов. Материалом пролетных строений была малоуглеродистая сталь марки Ст.3 с пределом текучести 230...240 МПа.

Недостатки клепаных конструкций - большой объем сверления отверстий, кузнечных и клепальных работ, дополнительные затраты металла на элементы скрепления деталей (поясные уголки, прокладки и др.). Сейчас металлоконструкции изготавливают на заводах преимущественно не на заклепках, а при помощи электросварки, что позволяет снизить расход металла и трудозатраты изготовления. Один из типовых проектов заводских сварных пролетных строений был выпущен институтом Ленгипротрансмост в 1971 г. К настоящему времени по нему изготовлены и эксплуатируются на сети железных дорог сотни таких пролетных строений.
Конструкции расчетным пролетом 18,2...33,6 м под нагрузку C14 одинаковы для обычных и северных климатических условий, но для северных условий оговаривают дополнительные требования к маркам сталей и окраске пролетных строений.
Все пролетные строения серии — цельно перевозимые, со сварными главными балками (рис. 3.9). Главные балки состоят из вертикальных стенок толщиной 12 мм и поясов из одного или двух листов. Высота главных балок определяется требованиями к вертикальной жесткости пролетных строений и условиями их транспортировки и монтажа консольным краном ГЭПК-130У. Ho приоритет ограничения жесткости над прочностью конструкции привел к тому, что максимальные нормальные напряжения в середине пролета балок не превышают 194 МПа (при расчетном сопротивлении 280 МПа для стали 15ХСНД).

Для всех пролетов серии принята унифицированная решетка связей (рис. 3.10). Заводские соединения связей из уголков 90х90х9 мм с ребрами жесткости и на фасонках с главными балками выполнены на заклепках диаметром 23 мм. Применение в сварной конструкции заклепочных соединений продиктовано желанием заводов-изготовителей устранить большое число мелких, но в то же время весьма ответственных, узлов сварных соединений. Верхние и нижние продольные связи смещены по высоте относительно поясов, что вызвано стремлением избежать ослабления поясов отверстиями для заклепок и исключить соприкасание со связями деревянных мостовых брусьев, прирубаемых к верхнему поясу.

Обследование многих пролетных строений данного типового проекта выявило в них разрушения, снижающие несущую способность конструкции — горизонтальные трещины стенок главных балок в местах обрывов сварных швов прикрепления поперечных ребер жесткости. Причинами появления трещин, имеющих усталостный характер, являются поперечный изгиб стенки за счет кручения поясов при смещении связей относительно поясов, высокие остаточные сварочные напряжения в местах обрыва ребер жесткости и др. Отметим, что аналогичные повреждения имеют массовый характер и в сплошных балках стальных железнодорожных мостов во многих зарубежных странах.
В откорректированном типовом проекте 1991 г. (шифр 821К, табл. 3.1) листовые ребра жесткости, привариваемые к стенке, заменены уголковыми ребрами жесткости сечением 200х125х12 мм, прикрепляемыми к стенке высокопрочными болтами диаметром 22 мм. Чтобы исключить кручение поясов, их жестко соединяют болтами с выступающими полками ребер жесткости уголковыми коротышами сечением 125х125х12 мм (рис. 3.11). Уголковые ребра жесткости ставят с внутренней стороны балок (по расчету устойчивости стенки) и дополнительно — с внешней стороны в местах установки тротуарных консолей.

Итак, в последнем типовом проекте сплошностенчатых пролетных строений с безбалластным полотном существенно отступили от цельносварных конструкций — сварными остались только главные балки. Возросла металлоемкость и трудоемкость заводского изготовления конструкций, но внесенные изменения повысили усталостную прочность, долговечность и надежность пролетных строений. И все же типовой проект 1991 г. следует рассматривать как временный, пока не будут найдены рациональные и надежные решения цельносварной конструкции.
Из-за того, что основной причиной образования усталостных трещин в стенках балок является изгиб стенки вследствие кручения поясов, совершенствование конструкции ведется в следующих направлениях: ликвидация кручения поясов, обеспечение свободы кручения поясов независимо от стенки и др. Примером первого направления является устройство стенок из гофрированного металла, второго — балки со «свободными» поясами, к которым не крепят ребра жесткости.

Традиционная форма цельноперевозимых пролетных строений из двух двутавровых главных балок, объединенных уголковыми связями, наряду с относительной простотой конструкции имеет и ряд недостатков. Помимо отмеченных выше к их числу следует отнести: многоэлементность, необходимость устройства раздельного мостового полотна, недостаточную защищенность несущих элементов от коррозии и др. Поэтому в мировой и отечественной практике постоянно совершенствуют существующие конструкции и создают новые формы.
Одно из направлений состоит в применении коробчатых пролетных строений с верхним поясом в виде ребристого настила, непосредственно к которому крепят рельсы. Отечественными специалистами предложен ряд решений, в одном из которых коробка состоит из двух двутавровых балок, к поясам которых на высокопрочных болтах или сварке присоединены горизонтальные ребристые плиты (рис. 3.12). Верхняя опирается двумя тавровыми ребрами на поперечные двутавровые балки, прикрепляемые ВПБ к поперечным ребрам жесткости стенок с шагом 2...2,5 м. Листовые продольные ребра верхней и нижней плит необходимы для набора рассчитанной площади поясов коробки, а также для обеспечения общей устойчивости листа верхнего сжатого пояса. В опорных сечениях коробка закрывается торцевыми сплошными листами с монтажными люками. Она полностью изготавливается в заводских условиях, на монтаже только требуется прикрепить к ней тротуары. Перечислим достоинства коробчатых пролетных строений: максимальная заводская готовность, высокая вертикальная, горизонтальная и крутильная жесткость, защита внутренней полости коробки от коррозии, повышение долговечности и снижение эксплуатационных расходов. Применение таких пролетных строений особенно целесообразно при строительстве в труднодоступных районах с холодным климатом.

При создании отечественных сварных коробчатых конструкций учли опыт зарубежных стран, прежде всего Германии, где еще в 1960-е гг. было построено большое число сооружений данного типа. В качестве интересного примера приведем разрезное балочное пролетное строение моста через реку Эммер у Бад Пирмонт (рис. 3.13). Пролетное строение под два железнодорожных пути выполнено в виде одной сварной коробки с наклонными стенками при непосредственном прикреплении рельсов пути к листу верхнего пояса. Для опирания рельсов внутри нее устроены две вспомогательные треугольные коробки. Вся конструкция укреплена штампованными продольными ребрами и поперечными диафрагмами. Коробчатая балка высотой 3,5 м (1/15,4 пролета) на концах уменьшается до высоты вспомогательных треугольных 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 низколегированной стали повышенной прочности St52.
Вместе с тем отметим, что применение сталей повышенной и высокой прочности в коробчатых конструкциях, призванное экономить металл, может быть малоэффективным, поскольку в железнодорожных мостах сечения главных несущих элементов часто лимитируются условием жесткости конструкции f ≤ flim. В этом случае конструкция оказывается существенно «недонапряжена».