Эволюция конструктивных решений пролетных строений железнодорожных мостов

Стальные пролетные строения при сооружении железнодорожных мостов в России находят применение с середины XIX в. Первые решетчатые фермы представляли собой явное подражание многорешетчатым деревянным фермам Тауна, а иногда фермам Гау, как по внешнему очертанию, так и по некоторым конструктивным деталям. Пояса ферм обычно имели тавровое сечение с мощными горизонтальными пакетами, а все раскосы — из полосового железа, прикрепляемые заклепками к вертикальным листам поясов.
Существенные улучшения в конструкцию многорешетчатых ферм внес С.В. Кербедз. При назначении сечений элементов он впервые учел явление продольного изгиба. В связи с этим в некоторых мостах, например, через реку Лугу, пояса ферм, сжатые и сжаторастянутые раскосы приняты им более жесткого сечения.
В дальнейшем многорешетчатые фермы совершенствовали за счет уменьшения числа решеток и повышения жесткости элементов. Пролетные строения этого типа длиной до 109,2 м в основном применяли до начала XX в. Ho они имеют ряд эксплуатационных недостатков. Малая жесткость элементов решетки приводила к сильной их вибрации при проходе поездов и ослаблению заклепочных соединений. Большое число соединений элементов увеличивало вероятность их расстройства, загрязнения и развития коррозии. Кроме того, узлы соединения поперечных балок с главными фермами оказались недостаточно надежными.

В конце 60-х гг. XIX в. в практику вошли пролетные строения с многораскосными главными фермами с параллельными и криволинейными поясами. Первые конструкции данного типа имели ряд недостатков, в частности, сложные верхние крайние узлы главных ферм, в которых прикреплялось до трех раскосов. В 70-х гг. Н.А. Белелюбский изменил схему главных ферм: нисходящий первый раскос был заменен восходящим (см. рис. 7.9, з), что значительно упростило вид верхнего крайнего узла и разгрузило опорные стойки. Жесткое опирание поперечных балок проезжей части в узлах ферм было заменено шарнирным. Позднее эта конструкция проезжей части применялась и за рубежом.
К 1884 г. Н.А. Белелюбским были разработаны проекты унифицированных (типовых) строений для пролетов в свету от 25 до 50 саженей с интервалом 5 саженей (от 53,35 м до 106,7 м с интервалом 10,67 м) (рис. 7.14). Принятый 5-саженный интервал практически определил действующий по сей день модуль длин пролетов железнодорожных мостов (11 м). Схема ферм была принята двухраскос ной с длиной панели 3,66...5,18 м. Целесообразность криволинейного очертания поясов при длине пролета свыше 87 м усматривалась из балки равного сопротивления. В фермах Н.А. Белелюбского клепаные сечения поясов были двухстенчатыми П-образными (рис. 7.15, а, б), развитие их площади достигалось за счет увеличения числа горизонтальных листов. Растянутые раскосы (рис. 7.15, в) состояли из двух ветвей вертикальных листов, сжато-растянутые (рис. 7.15, г), сжатые (рис. 7.15, д) раскосы и стойки (рис. 7.15, с) — из уголков или уголков и вертикальных листов. Отдельные ветви стержней соединяли крестовой решеткой из полосовой стали.

Пролетные строения с двухраскосной решеткой главных ферм строили по нормам 1875, 1884 и 1896 гг. в период бурного развития железнодорожного строительства. Конструкция их постепенно улучшалась за счет совершенствования поперечных сечений элементов ферм.
В конце XIX в. в России по инициативе профессора Л.Д. Проскурякова для перекрытия больших пролетов стали применять пролетные строения с однораскосными главными фермами со шпренгельной решеткой (рис. 7.16). Они выгодно отличались от ранее применявшихся ферм более жесткими элементами, и том числе и связей. Пояса имели коробчатое сечение с высоком концентрацией металла в горизонтальных пакетах, раскосы Н-образное сечение. Ветви стоек объединяли крестовой соединительной решеткой из полос и уголков. Профессор Л.Д. Проскуряков учитывал расположение центров тяжести сечений элементов, избегая больших эксцентриситетов в узлах. Ранее этому не уделяли должного внимания. Особенностью его пролетных строений является сквозная конструкция поперечных балок проезжей части. Их прикрепление к узлам главных ферм вновь выполнено жестким, и с тех пор в основном придерживаются данного решения. Пролетные строения рассмотренной конструкции проектировали по нормам 1896, 1907, 1921, 1923 гг. и изготавливали до середины 20-х гг. прошлого века.

С 90-х гг. XIX в. стали широко использовать пролетные строения с треугольной решеткой главных ферм (рис. 7.17) как наиболее рациональные с точки зрения использования материала, изготовления и монтажа. Много подобных мостов было построено по проектам профессора Л.Д. Проскурякова в конце XIX—начале XX вв.: разрезной, консольной и неразрезной систем, с ездой поверху и понизу, с параллельным, криволинейным и полигональным очертанием поясов, со шпренгелями в фермах больших пролетов.
В пролетных строениях этого типа, запроектированных по нормам 1896 и 1907 гг., сформировались основные современные решения сплошностенчатой балочной клетки. Конструкция клепаных узлов ферм обладала достаточной простотой. Недостатками указанных конструкций являются: высокая концентрация металла (до 50 % сечения) в горизонтальных пакетах коробчатых поясов, слабость соединительной решетки ветвей элементов, отсутствие горизонтальных листов в верхних поясах продольных балок, конструктивные мешки, пазухи и др.

Недостатки конструкций стальных пролетных строений, возведенных до середины 20-х гг. прошлого века, связаны уже не столько с отсутствием достаточного опыта их проектирования, сколько с несовершенством технологии изготовления и сборки элементов. До этого пролетные строения сооружали непосредственно на строительных площадках, где организовывали мастерские для выпуска отдельных элементов, подгоняемых уже по месту.
В середине 20-х гг. прошлого века в бывш. СССР был взят курс на заводское серийное изготовление стальных пролетных строений. На строительной площадке их уже собирали из готовых элементов. Это отразилось на конструктивных формах отдельных частей и монтажных соединений. Сечения элементов подбирали таким образом, чтобы максимально использовать машинную клепку на заводе и уменьшить число составных конструкций. Внедрение навесной сборки, монтажных кранов достаточной грузоподъемности позволило использовать монтажные элементы повышенной массы и сократить число элементов решетки главных ферм. Первые типовые проекты стальных решетчатых пролетных строении советского времени разрабатывали в 1924...1928 гг.
С введением новых норм расчета мостов в 1931...1933 гг. прошлого столетия Гипротрансом НКПС были разработаны типовые проекты серии решетчатых пролетных строений с ездой понизу под нагрузку Н8 (рис. 7.18). При недостаточно развитой еще в те годы металлургической промышленности бывш. СССР ведущей идеей в создании типовых проектов стало стремление к максимальной экономии стали. С этой целью для каждого пролетного строения назначали свою оптимальную высоту (1/5...1/6 пролета), длину панели, угол наклона раскосов. При длине пролета 87,6 м и более было принято полигональное очертание верхних поясов.

Элементы верхних поясов и опорные раскосы типового пролетного строения Гипротранса имеют П-образное сечение, нижних поясов и раскосов — двухветвевые из клепаных швеллеров, подвески выполнены Н-образного сечения (табл.7.1). Ветви элементов соединены между собой крестовой или треугольной соединительной решеткой из полос и уголков и во избежание перекосов ветвей — диафрагмами. Однако высокая плотность соединительных решеток затрудняет окраску элементов. Сосредоточение металла в вертикальных пакетах обеспечивает высокий процент непосредственного прикрепления площади сечений в узлах. Рационально сконструированы стыки нижних поясов (вынесенные за узел), где наличие парных накладок позволяет перекрыть все элементы сечения при двухсрезных заклепках, более эффективных, чем односрезные, которыми прикрепляют раскосы (рис. 7.19).

В пролетных строениях Гипротранса обеспечено надежное соединение балок проезжей части между собой, в том числе посредством «рыбок», воспринимающих опорный изгибающий момент в продольных балках, и поперечных балок в узлах главных ферм (рис. 7.20). Ho важным недостатком является отсутствие горизонтальных листов у верхних поясов продольных балок при сравнительно слабых поясных уголках.
В 40-е гг был сделан следующий шаг по пути типизации и индустриализации изготовления стальных пролетных строений. На заводах внедряют сборочные кондукторы, предназначенные для точной сборки элементов и рассверливания в них групповых отверстий, что избавляло от заводской контрольной сборки пролетного строения крупными фрагментами и обеспечивало точность совпадения отверстий на монтаже.
Однако изготовление конструкций в кондукторах в наибольшей степени подходит для элементов, имеющих Н-образную или двутавровую форму сечения. Кроме того, типовые пролетные строения 30-х гг. оказались малопопригодными для этого в силу большого расхождения в геометрических размерах элементов разных пролетов (см. рис. 7.18).

К концу второй мировой войны в нашей стране возникла необходимость в большом объеме восстановления разрушенных мостов при малой мощности заводов. В 1944 г. ГПИ Проектстальконструкция (ПСК) были разработаны проекты решетчатых пролетных строений железнодорожных мостов, отвечающие требованию — «все для завода», призванные упростить изготовление и повысить производительность труда зa счет максимальной унификации элементов.
Пролетные строения ПСК под нагрузку Н7 были разбиты на две серии (рис. 7.21). В первой с пролетами длиной 33...66 м решетка главных ферм принята треугольной с дополнительны ми стойками и подвесками, во второй с пролетами 77...110 м двухрешетчатой с дополнительными полустойками-полуподвесками. Для каждой серии принята единая высота фермы. Paсстояние между осями ферм в обеих сериях одинаково — 5,784 м одинаковы панель фермы (5,5 м) и ширина всех элементом (460 мм). В результате балочная клетка едина для всех пролетных строений, одинаковы в пределах серии системы продольных и поперечных связей. Сечения всех элементов приняты Н-образными (рис. 7.22).

Трудно представить себе большую степень стандартизации Можно было ожидать, что равенство высот и панелей у ферм различных пролетов значительно утяжелит конструкцию, так как теоретически каждому пролету соответствуют свои наивыгоднейшие значения этих параметров. Однако фактически масса пролетных строений ПСК оказалась довольно близкой массе типовых пролетных строений 1931...1934 гг. (утяжеление для большинства пролетов не превышало 3...7 %).
Н-образная форма сечения удобна для изготовления: отпадает необходимость в соединительных решетках и диафрагмах, отсутствуют мелкие элементы, заводская клепка полностью механизирована (клепка «на скобе»). В случае отсутствия вертикальных листов к минимуму сводится работа по сверлению заклепочных отверстий и клепке. Вместе с тем при принятых размерах ферм появляются мелкоблочность и большой объем монтажной клепки при большой толщине склепываемых пакетов.

Конструктивное оформление узлов ферм ПСК весьма простое (см. рис. 7.22). Однако отсутствие перекрытия горизонтальных листов элементов нижнего пояса в узлах приводит к непрямой передаче усилий, что повышает фибровые напряжения в вертикальных листах в 1,5—2 раза по сравнению с осевыми. Применение односрезных заклепок создает благоприятные условия для монтажа, в связи с чем односрезные соединения с 30-х гг. прошлого века стали основными. Ho такой тип соединений, особенно при большом числе поперечных рядов заклепок, существенно снижает усталостную прочность узла.
Отсутствие жестких портальных рам в пролетных строениях ПСК и более слабые элементы продольных связей по сравнению с типовыми пролетными строениями Гипротранса приводят к уменьшению их горизонтальной жесткости. Наличие открытых коробов, образованных Н-образным сечением, способствует загрязнению поясов главных ферм и развитию их коррозии.
В 1954...1956 гг. Трансмостпроект (ТМП) составил рабочие чертежи новых унифицированных пролетных строений под нагрузку Н8.

В отличие от пролетных строений ПСК они разбиты не на две, а на три серии, в которые пролетные строения объединены общностью размеров панелей, высот ферм и расстоянии между осями ферм (рис. 7.23, табл. 7.2). Это позволило получить более экономичные по затрате металла конструкции и в пределах каждой серии стандартизировать элементы. Во всех сериях принят одинаковый вид треугольной решетки со стойками и подвесками, что способствовало сокращению числа узлов и монтажных единиц при больших пролетах.
Н-образные сечения, выгодные при небольшой площади элемента, рекомендованы только для первой серии. Обоим поясам и раскосам второй серии придается двухветвевое сечение с уголками, повернутыми полками внутрь. Верхние пояса третьей серии приняты с уголками, выступающими полками наружу. Стойки и подвески — Н-образного сечения.
В целом конструкции унифицированных клепаных пролетных строений ТМП 1954...1956 гг. по сравнению с пролетными строениями ПСК отличаются улучшенными эксплуатационными качествами и более экономным расходом металла, но трудоемкость их изготовления выше.

Снизить ее позволило применение клепано-сварных пролетных строений, у которых заводские соединения сварные, а монтажные — клепаные. Такой вариант также был предложен ТМП и в 60-е гг. проходил опытную проверку.
Об эффективности сплошностенчатых сварных балок уже говорилось ранее. Поэтому не вызывало сомнений устройство балочной клетки из двутавровых балок, свариваемых на заводе, с клепаными монтажными стыками. Н-образный тип течения элементов ферм представлялся наиболее подходящим для данного случая, поскольку в нем отсутствуют диафрагмы и соединительная решетка, а соединительные швы удобны для спарки автоматами. Ho сохраняются и важные недостатки таких сечений, о которых говорилось выше.
Применение сварных коробчатых сечений элементов ферм явилось важным нововведением. Известно, что такой тип сечения экономичнее Н-образного, в особенности для сжатых элементов большой длины. Он отличается и лучшими эксплуатационными качествами, т.к. здесь отсутствует засоряющееся и быстро ржавеющее корыто. Однако при сварке коробчатых элементов столкнулись со значительными трудностями: винтообразностью коробок, сложностью установки диафрагм и др.
Проблемы были преодолены при отработке НИИ мостов решений на опытных пролетных строениях за счет применения двухдуговых сварочных автоматов и сборочных кондукторов. Исследования показали, что постановка диафрагм в коробки не требуется, т.к. отсутствие диафрагм не влияет на общую устойчивость сжатого элемента.
Масса клепано-сварных пролетных строений оказалась на 6...10 % меньше, чем клепаных, а трудоемкость их изготовления снизилась на 15 %. Однако клепано-сварные пролетные строения в серию не пошли. Одной из причин явилось применение в мостостроении с конца 50-х гг. более совершенного типа соединения конструкций - высокопрочных болтов.
Отметим, что в принципе максимальную экономию металла, полную ликвидацию неплотностей в сопряжениях и упрощение изготовления решетчатых пролетных строений можно достичь, применяя цельносварные конструкции.
В конце 40-х- начале 50-х гг. XX в. по предложению про фессора К.Г. Протасова при участии НИИ мостов, ЛИИЖТа и Института электросварки имени Е.О. Патона были разработаны и установлены на железнодорожном мосту первые в бывш. CCСР цельносварные пролетные строения комбинированной системы. Используя результаты их исследований, в дальнейшем разработали проекты опытных цельносварных пролетных строений со стержневыми фермами. Один из них (Ленгипротрансмост, 1955 г.) показан на рис. 7.24, 7.25. Масса металла про летного строения оказалась равна 180 т, что по сравнению с унифицированным клепаным пролетным строением (209,3) аналогичного пролета, рассчитанным под ту же нагрузку уменьшило массу на 14 %, а по сравнению с клепано-сварным (191,3 т) на 6 %. В 1958 г. было смонтировано опытное пролетное строение на одном из железнодорожных мостов.

Однако эксплуатация цельносварных пролетных строений железнодорожных мостов показала, что при интенсивном движении тяжелых динамических нагрузок в них образуются повреждения в виде трещин, имеющих усталостный характер и вызванных наличием большого числа трудно устранимых концентраторов напряжений, связанных именно с особенностями сварной конструкции. Кроме того, существенно возрастает трудоемкость монтажа таких конструкций. Поэтому цельносварные пролетные строения были заменены традиционными, и отечественные инженеры от этой идеи в железнодорожных мостах отказались. В зарубежной практике сварка в железнодорожных мостах используется шире (но в основном при более легких нагрузках).
В 60-х гг. XX в. в железнодорожных мостах начали широко применять болтосварные решетчатые пролетные строения из низколегированных сталей. В настоящее время этот тип строений является основным, так как обладает достаточно высокими конструктивными, технологическими, эксплуатационными качествами, экономичностью, надежностью и долговечностью.
В 1969 г. Гипротрансмостом по техническому заданию НИИ мостов были разработаны типовые болтосварные решетчатые пролетные строения с ездой понизу разрезной системы пролетами от 33 до 110 м под железнодорожную нагрузку CM. Схемы и унифицированные геометрические параметры пролетных строений сохранены такими же, как и в типовых проектах TMlI 1954—1956 гг. (см. рис. 7.23, табл. 7.2).
Сварными на заводе выполняли продольные и поперечные балки проезжей части и элементы главных ферм. Проезжий часть включена в совместную работу с нижними поясами главных ферм за счет специальных диафрагм (см. рис. 7.12, в). Bсe монтажные соединения устроены на болтах 022 мм, затягиваемых на контролируемое усилие 220 кН (пример узла фермы на рис. 7.26).

Коробчатые элементы, образованные из четырех листов, со единенных между собой четырьмя наружными и четырьмя внутренними сварными швами, выполняли в кондукторах при помощи специально разработанных НИИ мостов двухдуговых автоматов. Такие элементы использовали для поясов и опорных раскосов (рис. 7.27, а...в) пролетных строений всех серий, всех раскосов III серии, а также преимущественно сжатых раскосов И серии (рис. 7.27, г). Сварные Н-образные элементы применили в стойках и подвесках пролетных строений всех серий, а также в раскосах пролетных строений I серии (рис. 7.27, д).
Ширина элементов поясов и решетки (по наружным граням вертикальных листов) для всех серий равна 526 мм. В нижних листах коробчатых элементов выполнены овальные отверстия (перфорация) размером 600х270 мм для контроля качества внутренних сварных швов, возможности постановки болтов в узлах ферм, окраски и осмотра внутренних поверхностей элементов (рис. 7.27, е).
В принятых коробчатых сечениях основная часть площади элементов сконцентрирована в вертикальных листах высотой от 450 до 800 мм, что обеспечивает достаточное перекрытие сечений в узлах ферм вертикальными фасонками. Толщина вертикальных листов в зависимости от величины усилий принята в пределах от 10 до 40 мм, толщина горизонтальных листов — от 10 до 16 мм. Свесы горизонтальных листов (90...100 мм) в поясах устроены для наложения наружных сварных швов и прикрепления фасонок связей между главными фермами. Небольшие свесы вертикальных листов (15...20 мм) в элементах решетки сделаны по технологическим соображениям (во избежание строжки кромок этих листов).
Несмотря на то, что рассматриваемые пролетные строения проектировались под более тяжелую нагрузку С14 (по сравнению с нагрузкой H8 для типовых проектов ТМП 1954—1956 гг.), применение в проекте 1969 г. низколегированных сталей, рационального типа поперечных сечений элементов, заводской сварки и монтажных фрикционных соединений позволило существенно снизить расход стали (например, для пролетных строений длиной 55—110 м на 12—16 %).