Современные принципы применения решетчатых пролетных строений

В отечественной практике проектирования железнодорожных мостов ведущим типом стального пролетного строения остается болто-сварная конструкция. В ней элементы главных ферм и балочной клетки изготавливают на заводе сварными, а их монтажные соединения выполняют на ВПБ.
Основными типами поперечного сечения сварных элементов главных ферм остаются коробчатое различного вида (см. рис. 7.27, а...г) и Н-образное сечение (см. рис. 7.27, д). На концах элементов по накладным кондукторам на заводе рассверливают группы отверстий для крепления их болтами в узлах главных ферм.
Узлы главных ферм с болтовыми стыками можно устраивать различным образом: с фасонками-накладками (рис. 7.28, а), с фасонками-вставками (рис. 7.28, б), с фасонками-приставками (рис. 7.28, в) и др. В отечественной практике, как правило, в железнодорожных мостах применяют узлы на фасонках-накладках, в автодорожных мостах узлы любой конструкции. За рубежом также используют все три решения.

В узле фермы на фасонках-накладках парные фасонки охватывают снаружи все элементы фермы (см. рис. 7.28, а). При этом строго центрируют оси сходящихся в узле элементов, обеспечивая их совпадение с положением осей геометрическом схемы ферм (с учетом строительного подъема). Центры болтовых прикреплений каждого элемента должны находиться на его оси. Очертания узловых фасонок следует назначать простыми, без входящих углов и экономичными по площади Необходимо добиваться возможно большей стандартизации размеров фасонок, применяя в них одинаковые рисунки монтажных отверстий для болтов. Расстояния между отверстиями назначают минимально допустимыми. Узловые фасонки могут отличаться размерами, но при одинаковом рисунке отверстий их можно сверлить по одному накладному кондуктору изготовленному для наибольшей фасонки (рис. 7.29).

По отношению к элементам поясов фасонки выступают в качестве стыковых накладок. Их стремятся делать минимальной толщины. При недостаточной площади фасонки по высоте пояса необходимо ставить дополнительные наружные 1 и внутренние 4 накладки (см. рис. 7.28, а). Горизонтальные листы коробчатых или Н-образных элементов поясов также необходимо перекрывать в узлах накладками.
При конструировании узла фермы следует обеспечивать местную устойчивость сжатых зон узловых фасонок, при необходимости подкрепляя свободные кромки окаймляющими уголками или ребрами. Кроме того, необходимо учитывать условия присоединения
поперечных балок, распорок и диагоналей связей с их фасонками (см. рис. 7.26).
Коробчатые элементы ферм могут быть двух видов: с нижним перфорированным листом и герметически замкнутые. Перфорация в нижнем горизонтальном листе коробки выполняется размером 600х300 мм при ширине коробки 526 мм и 600х270 мм при ширине коробки 420 мм (см. рис. 7.27). Внутренние размеры коробки должны обеспечивать пропуск двухдугового сварочного автомата. При устройстве узлов ферм на фасонках-накладках (см. рис. 7.28, а) габаритная ширина b всех элементов фермы должна быть одинаковой.
В целях унификации высота элементов поясов h назначается постоянной по длине пролетного строения. Опыт проектирования показывает, что она, как правило, составляет 1/15...1/18 длины панели фермы. Сечения элементов обычно увеличивают утолщением вертикальных листов. Ho нужно учитывать, что чем толще листы, тем менее стабильны механические характеристики стали.
По эксплуатационным и технологическим требованиям в сварных элементах главных ферм рекомендуется применять листы толщиной от 10 до 40 мм. Для обеспечения местной устойчивости листов и сохранения проектных размеров при перевозке и монтаже нормами регламентируются максимальные соотношения ширины и толщины листовых деталей. В частности, для элементов, показанных на рис. 7.27, следует принимать следующие отношения С, расчетной высоты h или ширины b к толщине листов t: в коробчатых сечениях M ≤ 60; b/t ≤ 60, в Н-образных — M ≤ 20; b/t ≤ 45. В сжатых элементах Н-образного сечения, кроме того, толщина горизонтального листа должна составлять от толщины соединяемых листов tf не менее 0,6tf при tf ≤ 24 мм и 0,5tf при tf ≥ 24 мм.
Трудоемкость изготовления сварных коробчатых элементов по сравнению с Н-образиыми выше на 36—65 %. Поэтому при отсутствии необходимости в больших площадях сечений элементов ферм их стремятся делать Н-образными (растянутосжатые раскосы, стойки, подвески).
Ослабление сечений элементов болтовыми отверстиями по концам снижает эффективность использования сечения элемента в целом. Этот недостаток можно устранить, применяя компенсаторы утолщенные короткие листы на концах стержней, сваренные встык с вертикальными листами элементов, либо накладные компенсаторы. Их толщину подбирают из условия, чтобы площадь сечения элемента по компенсатору в месте ослабления его отверстиями была равна площади сечения элемента на участке между компенсаторами. Использование компенсаторов позволяет снизить металлоемкость пролетных строений, но трудоемкость и стоимость изготовления элементов возрастают. В последних типовых проектах компенсаторы не применяют (хотя нормами проектирования они не запрещены).
Решетчатые пролетные строения разрезной системы длиной от 33 до 110 м и длиной от 110 до 154 м неразрезной системы со сварными коробчатыми перфорированными элементами применяли в проектировании железнодорожных мостов до конца 1980-х гг. Эти элементы по своим экономическим и эксплуатационным показателям явились значительным шагом вперед по сравнению с ранее применявшимися и открытыми клепаными элементами. Вместе с тем накопленный опыт изготовления и эксплуатации таких конструкций свидетельствует о их существенных недостатках.
Расположенные по всей длине элемента отверстия в нижних горизонтальных листах не только уменьшают площадь сечения, но и создают условия для коррозии внутренних полостей элементов. Доступ к ним для осмотра, очистки и окраски затруднен, что снижает эффективность проведения ремонтных работ. Необходимо отметить особую опасность щелевой коррозии в местах сопряжения вертикальных и горизонтальных листов, образующих коробчатый элемент. Для предотвращения этого и накладывают, помимо наружных, четыре внутренних угловых шва. Устройство перфорации требует большого объема газовой резки и обработки кромок. Все это обуславливает повышение трудоемкости и стоимости изготовления пролетных строений.
Для устранения отмеченных недостатков в последние десятилетия в отечественной практике (за рубежом несколько раньше) стали применять конструкции коробчатых элементов ферм с герметизацией их внутренних полостей. Такое решение, признаваемое во всем мире прогрессивным, позволяет получать существенный технико-экономический эффект.
Поскольку коррозия стали в замкнутой полости происходит во много раз медленнее, чем на открытом воздухе, внутренние поверхности герметически замкнутого коробчатого элемента не требуют окраски в течение всего срока службы моста. Так как здесь не опасна щелевая коррозия, герметизированный элемент, в отличие от обычного перфорированного, может быть изготовлен наложением только четырех наружных соединительных швов. В герметически замкнутых элементах используют те же типы поперечных сечений, что изображены на рис. 7.27, а—г, но без перфорации.
Возможны два принципа создания замкнутых полостей.
Первый принцип предполагает герметизацию в заводских условиях элементов фермы по отдельности. В результате каждый из них представляет собой самостоятельный монтажный блок с изолированной от других элементов замкнутой внутренней полостью.
Второй принцип предусматривает создание замкнутых полостей внутри элементов не в условиях завода, а на монтаже пролетных строений за счет герметизации узлов главных ферм. При таком решении замкнутая полость образуется не в каждом отдельном элементе, а в целой группе, например по всей длине верхнего или нижнего пояса.
В одном и том же пролетном строении оба указанных принципа могут использоваться совместно.
При любом принципе концевые части элементов фермы с группами монтажных отверстий должны обеспечивать удобную постановку ВПБ. Эти части можно выполнить различным образом.
В зарубежных мостах распространен прием создания в заводских условиях замкнутой внутренней полости отгибом по концам коробчатого элемента горизонтальных листов до их соединения посередине высоты элемента. Поперечное сечение элемента на концевых участках приобретает Н-образную форму, удобную для постановки болтов 3. Отгиб горизонтальных листов может осуществляться в холодном состоянии за счет упругих деформаций (рис. 7.30, а), в пластическом состоянии с предварительным нагревом листов (рис. 7.30, б), с обрывом листов и приваркой стыковыми швами к утолщенной листовой вставке 4 (рис. 7.30, в).
Достоинствами рассмотренных конструктивных решений являются качество и надежность герметизации, свободный доступ в любую часть узла фермы для постановки болтов. Однако такой прием герметизации элементов имеет и существенные недостатки.
Резкое изменение на коротком участке поперечного сечения, сопровождающееся изменением направления сварных швов создает увеличение концентрации напряжений в концевых частях элементов. Это снижает выносливость элементов, приводит к необходимости увеличения площади сечения листов по условию обеспечения усталостной прочности. Большая часть поперечного сечения горизонтальных листов выключается из работы элемента на осевые силы, что требует соответствую щей компенсации за счет увеличения сечений вертикальных листов. В вертикальных листах Н-образных сечений от изгибающих моментов в узлах фермы возникают дополнительные фибровые напряжения, составляющие до 70—80 % напряжений от осевых усилий.
Возможно образование замкнутой внутренней полости при сохранении коробчатого сечения по всей длине элемента. Герметизация может быть достигнута постановкой плоской металлической диафрагмы 5 с устройством монтажных люков 6 в одном или в обоих горизонтальных листах (рис. 7.30, г). Такой прием существенно упрощает заводское изготовление элементов, но приварка диафрагмы поперечными швами резко увеличивает концентрацию напряжений и снижает выносливость элемента, особенно если он воспринимает знакопеременные усилия.

Устраняют этот недостаток за счет выполнения диафрагмы из двух металлических листов 7 с прокладкой из эластичного материала 8, стянутых болтами 9 (рис. 7.30, д). Надежность такого способа герметизации зависит от долговечности эластичной прокладки.
Достаточная надежность герметизации при умеренной концентрации напряжений обеспечивается при установке в заводских условиях стальной диафрагмы 10 подковообразной формы, привариваемой к горизонтальным листам (предложение НИИ мостов, рис. 7.30, е). В этом случае вертикальные листы не ослабляются поперечными сварными швами, сама диафрагма может использоваться как компенсатор ослабления сечения перфорацией 6. Ho монтажные зоны элементов остаются негерметизированными, в верхних узлах ферм и в торцевых частях раскосов образуются нежелательные конструктивные «мешки» — зоны повышенной коррозии. По этим причинам рассматриваемый способ целесообразен для поясов ферм, особенно при необходимости постановки внутренних накладок.
Отрицательное влияние поперечных сварных швов на выносливость элемента полностью устраняется в конструкции его концевой части, показанной на рис. 7.30, ж. По торцам элемента вваривают плоские диафрагмы 11, для доступа изнутри к болтовым отверстиям устраивают монтажные люки 6, закрываемые крышками-накладками 12, являющимися одновременно компенсаторами ослабления сечений. При такой конструкции, предложенной Гипротрансмостом, элемент герметизируется но всей длине. Однако диафрагмы по концам элементов не позволяют устанавливать в узлах ферм внутренние накладки. В про летных строениях больших длин при значительных усилиях и поясах ферм применение торцевых диафрагм становится ограниченным, их используют в основном в раскосах.
Конструкции узлов главных ферм соответственно с подковообразными вставками и с торцевыми диафрагмами элементов нижних поясов и раскосов показаны на рис. 7.31 и 7.32. Стойки и подвески при этом выполняют обычной Н-образной формы.

Герметизацию пролетных строений активно используют в зарубежной практике, где кроме элементов ферм, полностью герметизируют продольные связи, а узлы ферм часто выполняют цельносварными с фасонками-вставками (см. рис. 7.28). Вынос стыка пояса за узел в таком решении выгоден: стык легче выполняется конструктивно и технологически, отпадает необходимость в торцевых диафрагмах, образуется единая замкнутая полость пояса, т.е. используется второй принцип герметизации.
Первое в бывш. СССР опытное пролетное строение пролетом 66 м, и главных фермах которого пояса и раскосы были выполнены в виде сварных герметически замкнутых коробчатых элементов, смонтировано в 1979 г. на мосту через реку Ловать. Герметизация элементов осуществлена по первому принципу с помощью подковообразных вставок (см. рис. 7.30, е).
Образование замкнутой внутренней полости в коробчатых элементах поясов на монтаже (по второму принципу) требует разработки специальной конструкции узлов ферм и технологии их сборки. Этот принцип частично использован в типовом проекте Гипротрансмоста унифицированных пролетных строений длиной от 33 до 110 м, действовавшем с 1989 по 1998 гг.

В рассматриваемом типовом проекте по-прежнему сохраняются три серии унифицированных пролетных строений с параметрами по рис. 7.25 и табл. 7.2. Поперечные сечения элементов главных ферм представлены в табл. 7.3, а в табл. 7.4 даны весовые характеристики наиболее применяемых пролетных строений. Все пролетные строения рассчитаны под нагрузку C14 и предназначены для использования как в обычном, так и в северном исполнении для зон А и Б (марки сталей — 15ХСНД и 10ХСНД). Монтаж пролетных строений предусмотрен навесным способом с постановкой временных соединительных элементов.

Герметизация коробчатых элементов поясов главных ферм осуществляется двумя способами. Монтажные элементы поясов пролетных строений I серии длиной по 11 м и II серии длиной по 8,25 м герметизируют на заводе торцовыми заглушками (см. рис. 7.30, ж) и стыкуют в основных узлах с постановкой только наружных стыковых накладок (см. рис. 7.32). При этом в середине монтажных элементов поясов длиной 11 м в пролетных строениях I серии для прикрепления стоек и подвесок и нижних горизонтальных листах коробок устраивают такие же монтажные люки, как и по концам элементов.
Монтажные элементы пролетных строений III серии дли ной 11 м из-за больших усилий в поясах стыкуют в каждом промежуточном узле главной фермы с постановкой не только наружных, но и внутренних накладок, что исключает возможность применения торцевых диафрагм. В связи с этим герметизация верхних и нижних поясов главных ферм пролетных строений III серии выполняется по второму принципу. Торцевые заглушки I приваривают на заводе только к одному концу крайних монтажных элементов верхних и нижних поясов. Во всех промежуточных узлах элементы поясов герметизируют с помощью резиновых уплотнителей (рис. 7.33).

Достоинством образования замкнутой внутренней полости поясов главных ферм является полная герметизация их не только по всей длине, но и в наиболее ответственных зонах узловых соединений. Однако перенос процесса герметизации элементов из заводских условий на строительную площадку усложняет монтаж пролетных строений, особенно навесную сборку. Также большим недостатком является и низкая долговечность резиновых уплотнителей стыков.
Коробчатые элементы раскосов всех серий пролетных строений выполняют с торцевыми диафрагмами и монтажными люками по типу рис. 7.30, ж. На рис. 7.34...7.37 для примера показаны узлы главных ферм пролетного строения 66 м с аналогичной конструкцией герметизации. Ho как показал опыт, такая герметизация люков ненадежна, наилучший результат может дать только образование готовых герметичных элементов в условиях завода (см. рис. 7.30, а—в, ё).

Основным типом мостовoгo полотна современных пролетных строений является безбалластная железобетонная плита (рис. 7.38). Сборная плита не включается в совместную работу с продольными балками. Она состоит из блоков длиной до 3 м, устанавливаемых на армированную подливку цементно-песчаным или песчано-клеевым раствором и прикрепляемых к верхним поясам балок высокопрочными шпильками. Верхние и боковые поверхности плит покрыты гидроизоляцией, поперечные швы заполняют тиоколовым герметиком. Taкое решение в сравнении с полотном на деревянных поперечинах обладает повышенным собственным весом, но существенно более долговечно и требует меньших эксплуатационных затрат.

Продольные (рис. 7.39) и поперечные (рис. 7.40) балки проезжей части пролетных строений с ездой понизу представляют собой сваренные на заводе двутавры. Высота балок составляет 1/5...1/7 их пролета. Стенки продольных балок укрепляют сварными поперечными ребрами жесткости, которые служат также для прикрепления поперечных связей балок. Поперечные связи размещают на расстоянии не более двух высот балок и прикрепляют ВПБ. Продольные связи располагают только в уровне верхних поясов балок (имея в виду, что к нижним поясам балок жестко крепятся нижние продольные связи главных ферм). Продольные балки соединяют с поперечными, которые прикрепляют к узлам главных ферм на парных фланце вых уголках болтами Ø22 мм. Фланцевые уголки прикрепляют на заводе к стенкам балок заклепками Ø23 мм или высоко прочными болтами Ø22 мм. В стыках продольных и поперечных балок ставят «рыбки», причем «рыбки» верхнего пояса уширены. В них проделаны отверстия для шпилек креплении плит мостового полотна (см. рис. 7.39). Продольные балки проезжей части включают в совместную работу с нижними поясами главных ферм за счет нижних продольных связей.

Пролетные строения типового проекта 1989 г. были установлены в 90-х гг. прошлого века на ряде железнодорожных мостов. Однако опыт применения их оказался негативным: из-за несоблюдения технологических условий герметизация элементов нарушалась, вследствие чего в 1998 г. действие данного типового проекта было приостановлено МПС. Вновь вернулись к устройству коробчатых элементов поясов и раскосов с перфорацией. Ho данную меру следует расценивать как временную.
Чтобы использовать на заводах имеющуюся технологическую оснастку, в откорректированном типовом проекте сохранили типы поперечных сечений главных ферм и их базовые размеры по ширине элементов в I, II и III сериях (см. табл. 7.3) Однако ослабление сечений устройством перфораций связано с необходимостью увеличения площадей поперечных сечений основных элементов.
Отметим еще одно изменение, появившееся в 1998 г. и откорректированном типовом проекте: расстояние между продольными балками проезжей части уменьшено до 1,7 м с целью снижения поперечного изгиба верхних поясов и стенок сварных балок.