Схемы ферм и поперечные сечения их элементов

Первоначально сквозные фермы устраивались многорешетчатыми по типу деревянных ферм Тауна. Первый мост с такими фермами был сооружен в 1845 г. через Королевский канал на железной дороге Дублин — Дрогеда в Ирландии с пролетом 42,7 м. Плоские раскосы ферм, изготовленные из листового железа, могли работать только на растяжение, и при воздействии незначительных сжимающих усилий выключались из работы. Многорешетчатые фермы с элементами плоского сечения были использованы и в ряде других европейских мостов, в числе которых был один из крупнейших для того времени железнодорожный мост через р. Вислу в Диршау (Германия) с пролетами по 130,9 м (1857 г.).

Существенные улучшения в конструкцию этих ферм были внесены выдающимся русским инженером С. В. Кербедзом при разработке проекта двухпутного железнодорожного моста через р. Лугу на б. Петербурго—Варшавской железной дороге (рис. 114). Мост был построен в 1857 г., имел два пролета по 55,3 м, перекрытых неразрезными пролетными строениями с ездой поверху. Под каждый путь в поперечном сечении было установлено отдельное пролетное строение, состоящее из двух главных ферм с расстоянием между ними 2,25 м.

Для повышения поперечной устойчивости оба пролетные строения над опорами соединялись общими поперечными связями. При назначении сечений элементов этого моста С. В. Кербедз впервые в практике мостостроения учел явление продольного изгиба. Пояса ферм, сжатые и сжато-растянутые раскосы приняты жесткого сечения, сформированного из листов и уголков и лишь растянутые раскосы сохранены плоскими (рис. 115). Верхний пояс имел П-образную форму, нижний — такую же, но повернутую на 180°.

Развитие сечений поясов по мере роста в них усилий производилось за счет увеличения толщины вертикальных листов и числа горизонтальных листов (до двух) с одновременным их утолщением.

Сжатые и сжато-растянутые раскосы состояли из двух ветвей; каждая ветвь включала вертикальный лист и прикрепленный к нему уголок. Обе ветви соединялись между собой решеткой из планок, наложенных на полки уголков. В результате создавалось жесткое сечение, способное воспринимать сжимающие усилия.

В 1884 г. Н. А. Белелюбским были разработаны первые типовые проекты пролетных строений для пролетов в свету от 53,5 м до 106,68 м с интервалом 10,67 м. Схема ферм в этих проектах была принята двухраскосной, величина панели не превышала 5,182 м (рис. 116).

Для пролетов в свету 85,34 м и более фермы были приняты с полигональным очертанием верхних поясов, при котором высота ферм к середине пролета увеличивалась в соответствии с изменением изгибающего момента.

Целесообразность криволинейного очертания поясов усматривалась из балки равного сопротивления, известной еще во времена Галилея (1564—1642 гг.). Впервые криволинейное очертание поясов применил Брюнель в фермах пролетом 57,25 м на мосту через р. Темзу у Виндзора в 1849 г.

В фермах Н. А. Беле-любского сечения поясов верхних (рис. 117, а) и нижних (рис. 117, б) были двухстенчатыми П-образными (рис. 117), их развитие происходило за счет увеличения числа горизонтальных листов.

Эти типы сечения поясов ферм и способ их развития применяются в металлических пролетных строениях почти 50 лет. Сечения растянутых раскосов (рис. 117, в) состояли из двух ветвей вертикальных листов, сжато-растянутых раскосов (рис. 117, г), сжатых раскосов (рис. 117, д) и стоек (рис. 117, е) из уголков и вертикальных листов или из уголков. Здесь Н. А. Белелюбский следовал принципам создания жестких сечений, принятым С. В. Кербедзом в Лужском мосту.

Развитие теории расчета сооружений, успехи металлургической промышленности, расширившей сортамент проката, и оснащение заводов оборудованием, позволившим изготавливать элементы пролетных строений с большими сечениями, создали условия для дальнейшего упрощения системы решетки ферм и увеличения размеров панелей.

Дальнейшим усовершенствованием явилось применение треугольных решеток (рис. 118, а). Эта решетка имеет наименьшее количество элементов и узлов. Усилия, которые передаются от середины пролета к опорам, идут по кратчайшему пути, с каждым раскосом приближаясь к опорам, в то время когда при наличии в решетке вертикальных элементов они передаются снизу вверх (или сверху вниз), не приближаясь к опорам. В отличие от раскосной решетки, где все раскосы могут быть нисходящими и работать только на растяжение, в треугольной решетке часть раскосов (восходящие) работает на сжатие, но в связи с отсутствием стоек решетка в целом оказывается легче раскосной.

Недостатком треугольной решетки по сравнению с раскосной является увеличение панели фермы в 2 раза, что существенно повышает вес проезжей части.

В автодорожных мостах, где временная нагрузка значительно меньше, а расстояние между осями ферм больше, чем в железнодорожных мостах, треугольная решетка в ряде случаев оказывается целесообразной.

В железнодорожных мостах, как правило, приходится принимать меры к уменьшению панели проезжей части. Это достигается установкой дополнительных вертикальных элементов-стоек и подвесок (рис. 118, 6). При этом длина панели проезжей части сокращается вдвое.

Работа стоек и подвесок в треугольной решетке принципиально отличается от работы вертикальных элементов в решетках раскосной системы. В фермах с треугольными решетками стойки при езде понизу (рис. 118, в) , и подвески при езде поверху (рис. 118, г) оказываются нулевыми и их можно исключить. Однако стойки при езде понизу, как правило, сохраняются, так как они сокращают свободную длину элементов верхних сжатых поясов ферм.

Вертикальные элементы в решетках раскосной (рис. 119, а) системы являются основными элементами фермы и работают при загружении любого участка ферм (см. линии влияния на рис. 119).

Стойки и подвески в треугольных решетках являются дополнительными элементами, они работают только на местную нагрузку в пределах одной-двух панелей (рис. 119, б).

Установка стоек и подвесок вызывает дополнительный расход металла, но в целом оказывается целесообразной. Даже с дополнительными стойками и подвесками вес пролетных строений с треугольными решетками обычно несколько меньше, чем с раскосными.

Выяснение этого положения способствовало распространению ферм с треугольной решеткой и дополнительными стойками и подвесками.

Уменьшение длины панели в фермах с треугольной решеткой можно осуществить без дополнительных вертикальных элементов, а сгущением решетки путем совмещения двух треугольных решеток (рис. 120, а) получим так называемую двухрешетчатую систему.

При этом размер панели проезжей части получается таким же, как и при треугольных фермах с дополнительными стойками и подвесками, но усилия в раскосах и их свободная длина оказываются в 2 раза меньшими. Теоретически можно было предполагать, что такие решетки будут легче, чем треугольные со стойками и подвесками. Однако практически снижения веса не достигается. Из-за отсутствия вертикальных элементов усложняется прикрепление поперечных балок и поперечных связей. Недостатком является также большое количество узлов, затрудняющее изготовление и сборку.

Введение в состав двухрешетчатой фермы вертикальных стержней (рис. 120,6) облегчает задачу прикрепления поперечных балок и связей. В таком виде решетка стала называться крестовой и также была использована в пролетных строениях, не получив широкого распространения.

Если вертикальные элементы поставить со сдвижкой их на половину панели (рис. 120, в), появляется возможность сокращения панели проезжей части в 2 раза при прикреплении поперечных балок во всех узлах. В таком виде эти фермы нашли широкое применение для перекрытия больших пролетов после Великой Отечественной войны.

Двухрешетчатую ферму можно видоизменить таким образом, что рисунок ее станет ромбическим, при этом она становится не только статически определимой, но даже геометрически изменяемой (рис. 120, г); в этом случае в ней не хватает одного стержня. Для создания неизменяемости в середине фермы обычно добавляется один вертикальный или горизонтальный стержень (рис. 120, 6), хотя особой необходимости в этом нет, так как неизменяемость фермы достигается за счет жесткости узлов. Эта система не имеет каких-либо технических или производственных достоинств по сравнению с двухрешетчатой, но рисунок ее считается более спокойным и законченным.

Фермы с ромбической решеткой были применены для ряда городских мостов в Западной Европе (рис. 121).

Улучшение условий прикрепления поперечных балок в фермах с ромбической решеткой может быть достигнуто установкой подвесок в средних узлах (см. рис. 120, е).

В таком виде решетка была предложена проф. Г. П. Передернем.

В очень высоких фермах с целью сокращения панелей при сохранении выгодного угла наклона раскосов в отдельных случаях применялась полураскосная система решетки (рис. 120, ж). Недостатком ее является, увеличение количества стержней и узлов. Полураскосная решетка в настоящее время находит применение только в связях.

В большепролетных фермах с треугольной решеткой с целью сокращения размера панели проезжей части применяются не только дополнительные стойки и подвески, но и шпренгели. В современных пролетных строениях чаще ставят нижние шпренгели (рис. 120, з), так как учитывают, что наличие шпренгелей приводит к увеличению усилий в тех поясах ферм, в уровне которых они поставлены. Развивать же сечения нижних растянутых поясов проще, чем верхних сжатых. Кроме того, пролетное строение с нижними шпренгелями оказывается более устойчивым под воздействием поперечного давления ветра, так как плотность решетки ферм увеличена в нижней части, а не в верхней.