Самой простой системой металлического пролетного строения является балка на двух опорах. Ясность работы, нечувствительность к неравномерным осадкам опор, однозначность эпюры моментов и удобство типизации делают эту систему наиболее распространенной в железнодорожных мостах.
Простейшая конструкция металлического пролетного строения состоит из двух главных балок со сплошными стенками, связанных системой связей (рис. 2). Железнодорожный путь располагается на мостовых брусьях, уложенных непосредственно на верхние пояса балок; такие конструкции принято называть мостами с ездой на поперечинах.
В плоскостях верхних и нижних поясов устанавливают горизонтальные продольные связи, а в опорных сечениях — вертикальные поперечные связи. Обычно устанавливают еще поперечные связи в промежуточных сечениях. При наличии верхних и нижних горизонтальных связей промежуточные поперечные связи для обеспечения геометрической неизменяемости пространственной системы не обязательны. Установка этих связей улучшает условия работы конструкции — выравниваются усилия между главными балками при неравномерной нагрузке и повышается крутильная жесткость пролетного строения.
Связи в плоскостях верхних и нижних поясов образуются поясами главных ферм и установленными между ними треугольными решетками из уголков 125x125x10 мм и распорками из уголков 80x80x8. Элементы связей приклепываются к поясам главных балок при помощи фасонок.
Поперечные связи в пролете образуются из раскосов и распорок, в опорных сечениях поперечные связи приняты в виде мощных распорок двутаврового сечения (рис. 4), рассчитанных как домкратные балки, которые способны воспринять нагрузку от собственного веса пролетного строения при установке домкратов в местах, усиленных уголками жесткости. Это может потребоваться при установке пролетного строения и во время ремонта опорных частей или опор при эксплуатации.
Как известно, величина расчетных изгибающих моментов по длине балок изменяется от максимума в середине до нуля к опорам, поэтому целесообразно соответственно изменять площади сечений. Это производится обычно за счет количества и толщины поясных листов. Второй горизонтальный лист расположен лишь в средней части длины балки, где он необходим по расчету.
Из эпюр материалов и изгибающих моментов (рис. 5) видно, что первый горизонтальный лист тоже можно было оборвать на некотором расстоянии от опор, так как сечение пояса из пары уголков вполне достаточно для восприятия момента на участках у опор. Однако это не сделано, так как по техническим условиям требуется, чтобы при опирании мостовых брусьев непосредственно на пояса и наличии в балках горизонтальных листов один из них обязательно протягивался до конца балки. Если этот лист отсутствует, ухудшаются условия работы внутреннего поясного уголка, на который непосредственно будут опираться поперечины. При этом у обушка уголка возникают большие местные напряжения, что приводит впоследствии к развитию усталостных продольных трещин.
Уголки жесткости наводятся на поясные уголки, что требует соответствующего выгиба их концов в горячем состоянии (кузнечная работа), называемого высадкой уголка. Чтобы избежать высадки, можно установить прокладки, толщина которых равняется толщине полки поясного уголка. В этом случае необходимость в высадке уголков отпадает, но расходуется металл на прокладки. Для балки пролетом 18,2 м общий вес прокладок составил бы 460 кг. Приходится увеличивать вес пролетного строения или применять кузнечную работу. Нетрудно видеть, что объем кузнечных работ по высадке уголков не зависит от высоты балки, а расход металла на прокладки определяется высотой балки: чем выше балка, тем больше расход металла на прокладки. В связи с этим при низких балках может оказаться целесообразной установка прокладок, при высоких — высадка уголков.
Опорные уголки всегда устанавливаются на прокладках. Совместно с вертикальным листом главной балки и прокладками они образуют так называемую стойку (см. рис. 3 и 4), которую проверяют на величину опорной реакции на продольный изгиб и смятие торцов уголков и прокладок, приторцованных внизу к горизонтальным полкам поясных уголков.
Горизонтальный лист пояса общей длиной 18,8 м имеет один стык на расстоянии 7,32 м от конца балки. Стык перекрывается сверху широкой горизонтальной накладкой 420x10 мм (рис. 6, б), снизу — двумя узкими горизонтальными накладками 160x16 мм, расположенными на полках уголков. Второй горизонтальный лист длиной 10,66 м стыка не имеет. Стык поясных уголков расположен в середине пролета и перекрыт горизонтальными накладками и вертикальными накладками 200x16x1220 мм, причем между вертикальным листом и этими накладками установлены прокладки (рис. 6, в).
Серия пролетных строений подобного типа разработана для пролетов 18,2; 23,0; 27,0; 33,6 м.
При разработке проектов в целях максимальной экономии материала закономерна тенденция применения разнообразного сортамента проката: толщин листов, калибров уголков и т. п. Конструкторы постоянно ставят перед металлургами задачу расширения сортамента проката, выпускаемого заводами. Чем шире сортамент, тем легче подобрать для каждой конструкции самое экономное решение.
Однако необходимо учитывать условия заказа на металл и хранения соответствующих запасов на заводах металлоконструкций.
При большом количестве разнообразных профилей затрудняется заказ на металл и увеличивается необходимый запас металла на заводских складах для бесперебойного изготовления конструкций. Все это может неблагоприятно сказаться на сроках и условиях изготовления. Увеличение запасов приводит к омертвлению оборотных средств и снижению рентабельности предприятия.
Для создания благоприятных условий работы заводов при проектировании пролетных строений стремятся ограничить применяемый сортамент стали, чтобы избежать заказов на мелкие партии металла и дать возможность заводам иметь постоянные запасы определенных профилей, используемых для различных конструкций.
Разрабатываются рекомендации, с которыми необходимо считаться при проектировании. В действующих в настоящее время рекомендациях для пролетных строений, изготавливаемых на заводах Главмостостроя, предусматриваются толщины листов 10, 12, 16, 20, 25, 32, 36 и 40 мм и толщины уголков 8, 9, 10, 12 и 16 мм. Рекомендуется также определенная ширина листов. Наибольшая длина уголковой и универсальной стали 13 м.
Но ограничение применяемого сортамента может привести к утяжелению конструкции. Задача состоит в том, чтобы путем тщательного проектирования получить наименьший вес конструкции, не выходя за пределы рекомендуемого сортамента.
В современных условиях пролетные строения со сплошными стенками изготавливают обычно не на заклепках, а при помощи сварки, что позволяет снизить расход металла и трудовые затраты. Рассмотренные выше проекты клепаных пролетных строений разработаны специально для северных условий, где расчетная температура ниже —40° С и условия работы сварных конструкций недостаточно изучены. Для применения в обычных условиях разработана серия сварных пролетных строений, эксплуатируемых при расчетных температурах не ниже —40° С с пролетами 18,2; 23,0; 27,0 и 33,6 м.
Для повышения производительности труда при разработке серий типовых проектов стремятся к максимально возможной однотипности размеров элементов, чтобы сократить количество марок при изготовлении, число шаблонов и кондукторов и обеспечить наибольшую повторяемость одинаковых элементов.
Высота вертикального листа принята одинаковой для пролетов 23,0 и 27,0 м\ толщина одинаковая для всех пролетов — 12 м.
Ширина поясных листов принята для пролетов 18,2 и 23,0 м только 420 мм, для пролета 27,0 м — 600 и 320 мм и для пролета 33,6 дополнительно 520 мм. Уголки связей одинаковые для всех пролетов 90x90x9 мм. Сечения балок в середине пролета приведены на рис. 8.
Высота главных балок определяется условиями обеспечения требуемой вертикальной жесткости пролетного строения, экономичностью затраты материала, сортаментом металла и условиями перевозки.
По требованиям Технических условий вертикальный прогиб от нормативной временной нагрузки не должен превосходить 1/800 пролета.
Назначая высоту балки, необходимо учитывать, что при определенном расчетном изгибающем моменте чем выше балка, тем легче пояса, но больше затрата металла на стенку и ребра жесткости.
Теоретически каждому изгибающему моменту соответствует своя наивыгоднейшая высота. Однако изменение высоты балки в ограниченных пределах не вызывает большой разницы в затрате металла и поэтому назначение одинаковой высоты балки для близких величин пролетов (23,0 и 27,0 м) практически не вызывает перерасхода металла.
Условия перевозки влияют на назначение высоты с точки зрения удовлетворения габариту. В некоторых случаях целесообразнее допустить небольшое увеличение веса, приняв пониженную высоту, допускающую перевозку пролетного строения в готовом виде или крупными блоками, чем, добиваясь снижения веса, применить конструкцию, перевезти которую в готовом виде невозможно по условиям габарита.
При пролете 33,6 м (рис. 9) главные балки двутаврового сечения состоят из вертикального листа 2480x12 мм; верхнего пояса из двух листов (одного 420x40 мм по всей длине балки, второго 520x50 мм на среднем участке длиной 14,6 м и 520x25 мм на остальном протяжении балки) и нижнего пояса из двух листов (одного 520x50 мм на среднем участке длиной 14,6 м и 420x50 мм на остальном протяжении балки и второго 420x40 мм на среднем участке длиной 11,6 м).
Вверху ребра жесткости привариваются к поясным листам; внизу чтобы избежать приварки поперечными швами к растянутому поясу, под ребра устанавливают прокладки. Вертикальные ребра жесткости цельные, горизонтальные в местах пересечения с вертикальными прерываются.
Места стыков вертикальных и горизонтальных листов в проекте не указаны. Их разрешается устраивать в любом месте для лучшего использования имеющегося на заводе материала. Отмечается лишь необходимость расположения стыков вертикальных и горизонтальных листов вразбежку.
Верхние и нижние продольные связи устроены в виде крестовой решетки из уголков 90x90x10 мм с полками в разные стороны. Чтобы избежать прикрепления фасонок связей к поясам, их располагают несколько ниже верхних и выше нижних поясов.
Связи прикрепляют к вертикальным стенкам главных балок и ребрам жесткости при помощи уголковых коротышей (см. рис. 9) и фасонок. Прикрепление диагоналей нижних связей предусмотрено на заклепках, верхних — на высокопрочных болтах, так как клепка их неудобна (молотки приходится держать снизу). В проекте предусмотрена возможность замены болтов заклепками с соответствующим увеличением их количества по типу нижних связей.
Решение прикреплять связи не на сварке, а на заклепках и высокопрочных болтах в цельноперевозимых пролетных строениях представляется малоубедительным. Прочность и выносливость прикрепления связей на сварке при хорошем качестве сварки подтверждается многочисленными примерами из практики. Обнаруженные в некоторых пролетных строениях трещины в местах прикрепления фасонок к вертикальным стенкам явились следствием недостатков, допущенных при сварке.
Прикрепление на заклепках связано с необходимостью устройства отверстий в листах вертикальных стенок, уголках и элементах связей. Сверление этих отверстий требует высокой точности и существенно усложняет изготовление конструкции.
Путь располагается на мостовых брусьях сечением 20x24 см длиной по 3,2 м. В местах опирания на пояса в брусьях устраивают врубки переменной глубины в зависимости от толщины пояса. Брусья укладывают таким образом, чтобы расстояние между вертикальными гранями смежных брусьев в свету было не менее 10 и не более 15 см. По условиям несущей способности рельсов это расстояние можно было бы увеличить и существенно сократить количество брусьев. Однако это не допускается, так как при большем расстоянии в случае схода с рельсов колеса не смогут катиться по брусьям и последствия аварии будут более тяжелыми. Разрабатываются различные конструкции по предупреждению провала колес при сходе поезда с рельсов, имеющие целью решить эту задачу более экономичными средствами, нежели столь частая укладка брусьев, однако распространения они пока не получили.
Чтобы в случае схода с рельсов подвижной состав не мог далеко отклониться от оси пути, предусмотрена установка контруголков внутри колеи и охранных уголков с наружной стороны.
В связи с этим дополнительно устанавливаются противоугонные уголковые коротыши, прикрепленные к верхнему поясу балки на расстоянии 4—5 м друг от друга.
Для прохода служебного персонала предусмотрены тротуары, располагаемые на консолях, конструкция которых унифицирована для всех пролетов. Консоли из уголков, приваренных к фасонкам (рис. 11), прикрепляются к вертикальным ребрам жесткости высокопрочными болтами. На консоли укладывают стандартные железобетонные плитки. В случае необходимости под плитками устраивают настил для укладки кабелей, пропускаемых по мосту.
Всякий типовой проект требует тщательной разработки, так как при наличии в нем недочетов они будут многократно повторяться во всех пролетных строениях, изготавливаемых по этому проекту.
При проектировании задача состоит в том, чтобы конструкция удовлетворяла установленным требованиям прочности, устойчивости, жесткости и выносливости, была наиболее проста в изготовлении, удобна -для перевозки и монтажа и была бы наиболее экономичной по затрате металла.
Понятно, что удовлетворить всем этим требованиям очень трудно, поскольку некоторые условия являются обязательными (прочность и т. п.), приходится остальные удовлетворять по мере возможности.
С этой точки зрения нельзя не обратить внимание на ряд вопросов, решения по которым в рассмотренном типовом проекте пролетного строения неудачны.
Чем же вызвано такое неэкономичное решение? Сечение принято по условиям прогиба, который определился в 1/815 L, т. е. на пределе, допускаемом ТУ. С точки зрения наиболее экономичной затраты металла, очевидна целесообразность увеличения высоты балки, в результате чего при значительно меньшей площади сечения поясов можно было получить необходимый момент инерции и прогиб, допускаемый ТУ. Этого не сделано, чтобы избежать необходимости устройства горизонтального стыка вертикального листа. Высота листа принята 2480 мм, с учетом строжки для него требуется лист шириной 2500 мм, что является предельной шириной, допускаемой рекомендуемым сортаментом.
Но вряд ли можно признать рациональным отказ от стыка вертикального листа, осуществляемого на заводе без особых трудностей, и поэтому идти на значительный перерасход металла. Далее из эпюры видно, что и на крайних участках балки сечения также значительно больше, чем требуется по эпюре моментов. Лист 500x25 мм верхнего пояса можно было принять тоньше, а на участках, близких к опорам, вообще убрать. На этом протяжении толщина пояса определилась из требования, чтобы глубина врубки в поперечине была не менее 0,5 и не более 3 см. Исходя из этого условия толщина верхнего пояса на всем протяжении балки не может изменяться более чем на 2,5 см. Однако в данном случае это требование удовлетворяется слишком дорогой ценой.
При принятых решениях представляется совершенно неоправданным применение стали 15 ХСНД. Так как напряжения в сечениях недоиспользуются, можно применять сталь М16С, стоимость которой ниже чем 15 ХСНД.
Уместно отметить, что снижение расхода металла в конструкции является одной из основных экономических задач. Затрачиваются огромные средства на теоретические, экспериментальные и исследовательские работы для того, чтобы найти пути снижения веса металла в конструкциях. Работы, в результате которых удается снизить вес металла на 5—10%, считаются весьма ценными. В этих условиях типовой проект пролетного строения, в котором металл плохо используется и не реализована возможность значительного снижения веса, не может вызвать чувства удовлетворения.
Металлические пролетные строения с пролетами 18,2—33,6 м широко применялись на железных дорогах до Великой Отечественной войны. В послевоенный период были проведены обширные исследовательские, экспериментальные и практические работы в области создания и внедрения сборных железобетонных пролетных строений. В настоящее время для пролетов до 33,6 м, как правило, применяются железобетонные предварительно напряженные сборные пролетные строения. Металлические пролетные строения находят применение лишь в случаях, когда по местным условиям применение железобетонных пролетных строений нецелесообразно: например, для районов, расположенных далеко от заводов железобетонных конструкций, при затруднительности транспортирования железобетонных блоков или в северных районах, где к применению конструкций из предварительно напряженного железобетона относятся пока с осторожностью.
Значительный интерес представляют пролетные строения для пролетов 44,0 м и более.
Как показывают исследования, при пролетах свыше 40 м, на пролетные строения со сплошными стенками требуется больше металла, чем при сквозных фермах.
Однако пролетные строения со сплошными стенками имеют ряд производственных, монтажных и эксплуатационных преимуществ, которые в современных условиях приобретают очень важное значение.
Изготовление балок со сплошными стенками значительно проще, чем многоэлементных сквозных ферм. Монтаж их современными грузоподъемными средствами может осуществляться из небольшого количества крупных блоков; содержание в эксплуатации, осмотр и окраска легче, чем сквозных ферм с большим количеством узлов.
В связи с этим в 1955—1965 гг. неоднократно разрабатывались проекты пролетных строений со сплошными стенками для пролетов 44,0; 55,0 и даже 66,0 м.
При этом возникает ряд вопросов, связанных с необходимостью членения пролетных строений на блоки. Естественно стремление иметь наименьшее количество блоков. Однако при этом необходимо считаться с весом и габаритными размерами. Наиболее простым явилось бы членение пролетного строения на два блока. При этом конструкция перевозилась бы двумя пространственными блоками и на монтаже пришлось бы осуществлять лишь один стык в середине пролета балки. Однако для получения наиболее экономичного веса балок высота их определяется в 1/10—1/12 пролета. При этом балки оказываются негабаритными, возникает необходимость в устройстве горизонтального шва, расположенного в середине высоты балки. Чтобы иметь возможность установить поперечные связи на заводе, их устраивают из двух самостоятельных крестов, расположенных в верхнем и нижнем блоках. Для обеспечения пространственной жесткости конструкции в период перевозки и монтажа возникает необходимость в установке дополнительных горизонтальных связей в нижней плоскости верхнего блока и верхней плоскости нижнего блока.
Монтаж такого пролетного строения может производиться на насыпи с последующей продольной надвижкой в пролет.
В тех случаях, когда монтаж на насыпи нерационален, можно произвести на насыпи лишь укрупнительную сборку нижнего и верхнего блоков* в отдельности, а затем установить на место последовательно нижний блок и затем верхний. При этом следует учесть поэтапное вступление в работу и соответствующие напряжения в сечениях балки.
Возможен также монтаж с устройством промежуточной опоры и установкой последовательно нижнего блока, затем верхнего; соединения горизонтального стыка; потом таким же образом монтируется вторая половина пролетного строения.
Устройство горизонтального стыка встречает определенные трудности на монтаже. При клепаной конструкции стык осуществляется при помощи уголков, которыми окаймляется нижняя кромка верхних блоков и верхняя кромка нижних. Однако при установке в пролет сначала нижнего блока, а затем верхнего, вследствие прогибов происходит несовпадение отверстий для заклепок — отверстия в одном из блоков необходимо сверлить на месте.
При сварной конструкции вместо уголков кромки стыкуемых вертикальных листов окаймляются горизонтальными листами.
Однако из-за коробления листов совпадение их неточное и сварка стыка встречает серьезные трудности. Предпочтительно в этом случае устроить стык на высокопрочных болтах.
При последовательной установке в пролет сначала нижнего блока, затем верхнего каждый блок в отдельности под влиянием нагрузки от собственного веса получает значительный прогиб, что должно быть учтено при изготовлении путем придания соответствующего строительного подъема. Когда монтаж пролетного строения производится на насыпи с продольной надвижкой в пролет, прогиб и соответственно строительный подъем будут иметь другие величины. Поэтому при проектировании и изготовлении необходимо знать порядок монтажа.