10.5. Металлические мосты и область их применения

В металлических мостах пролетные строения изготавливают из металла, а опоры – из бетона или железобетона. Металл – наиболее совершенный материал для большепролетных мостовых конструкций. Благодаря высокой прочности строительных сталей стальными пролетными строениями можно перекрывать пролеты свыше 1 км (рис. 63). Строительство подобных мостов требует большого расхода металла. Например, на постройку моста через морской залив в г. Нью-Йорке (1965 г.) потребовалось 148 тыс. т металла.

Рис. 63. Висячий мост через морской пролив (США)

Стальные пролетные строения по статической схеме могут быть балочными, арочными, рамными, висячими, комбинированными.

По расположению уровня проезда мосты могут быть с ездой понизу, с ездой посередине и с ездой поверху.

В конструктивном отношении мосты могут быть со сплошными главными несущими конструкциями (балками, рамами, фермами) и со сквозными (решетчатыми). Имеются комбинированные конструкции – когда стальные главные несущие конструкции объединены с железобетонной плитой проезжей части (сталежелезобетонные).

Металлические конструкции в мостостроении обладают рядом преимуществ по сравнению с пролетными строениями из других материалов: высокая индустриальность изготовления конструкций на заводах; удобство монтажа конструкций, который можно выполнять независимо от времени года с применением навесной и полунавесной сборки; возможность перекрытия больших пролетов при сравнительно небольшом собственном весе конструкций; наиболее благоприятные возможности восстановления конструкций в случаях их повреждения, а также относительная простота усиления конструкций в случае необходимости.

Основными недостатками металлических мостовых пролетных строений является высокий расход прокатного металла; большие эксплуатационные расходы, связанные с необходимостью периодической окраски конструкций и относительно меньшая долговечность по сравнению с железобетонными конструкциями.

Материалом элементов металлических мостов служит углеродистая низколегированная сталь. Углеродистая сталь имеет сравнительно небольшое содержание углерода (до 0,25%). Увеличение содержания углерода вызывает повышение прочности и предела текучести стали, но увеличивает ее хрупкость, трудоемкость обработки и ухудшает возможности сварки конструкции. В мостостроении применяют стали повышенного качества, получаемые путем введения в них легированных добавок, увеличивающих прочность. Из углеродистых сталей для мостов применяют Ст3 мостовую спокойную, предназначенную для клепаных конструкций, и М-16С, предназначенную для изготовления сварных конструкций. Из низколегированных сталей наиболее употребительны 15ХСНД, 10ХСНД, 10Г2СД.

Заклепки делают из более мягкой стали марки Ст2 закл., а высокопрочные болты из легированной термоупрочненной стали 40Х.

Для изготовления элементов стальных мостов в основном служит прокатная сталь.

Основными несущими конструкциями мостов служат главные балки, имеющие сплошную вертикальную стенку, или главные фермы, состоящие из отдельных элементов, работающих, как правило, на осевые усилия (рис. 64).

Рис. 64. Стальные мостовые пролетные строения:

1 – поперечные связи; 2 – главная балка; 3 – продольные связи; 4 – мостовое полотно; 5 – ребра жесткости; 6 – опорные части; 7 – железобетонная плита проезжей части; 8 – портальное заполнение; 9 – главная ферма

При езде поверху в однопутных железнодорожных пролетных строениях (рис. 64, а) ставят две главные балки, а в автодорожных мостах (рис. 64, б) их количество определяется с учетом габарита проезда, величины перекрываемых пролетов и технико-экономическими расчетами. При езде понизу пролетное строение, как правило, имеет две главные фермы (рис 64, в, г).

Главные балки и главные фермы соединяют между собой продольными и поперечными связями, обеспечивающими пространственную неизменяемость и жесткость пролетного строения и воспринимающими горизонтальные поперечные нагрузки. Минимально необходима одна система продольных связей и поперечные связи над опорами (рис. 64, а, 1 и 3). Для повышения жесткости пролетного строения, обеспечения лучшего сопротивления кручению и уменьшения длины сжатых элементов обычно ставят вторую систему продольных связей, а также поперечные связи не только над опорами, но и в пролете (рис. 64, а). В автодорожных пролетных строениях одну систему связей обычно заменяет железобетонная плита (рис. 64, 6, 7) или сплошной стальной лист, служащие элементами конструкции проезжей части. В пролетных строениях с ездой понизу (рис. 64, в, г) опорные поперечные связи устраивают в виде портального заполнения, очертание которого принимают с учетом габарита подвижного транспорта.

Конструкция проезжей части автодорожных мостов с ездой поверху при близко расположенных главных балках может опираться непосредственно на балки (рис. 65, б), а при большом расстоянии между главными балками или фермами (например, при езде понизу) – на балки проезжей части (рис. 65, г). Балки проезжей части необходимы при расположении главных балок на расстояниях больше 4-5 м друг от друга.

Пролетное строение может иметь только поперечные балки, поддерживающие деревянный настил (рис. 65 а), железобетонную плиту или металлический настил, или же и продольные балки, опирающиеся на поперечные (рис. 65, в, г, д). В пролетных строениях с ездой понизу для уменьшения конструктивной высоты проезжей части продольные балки обычно располагают в одном уровне с поперечными (рис 65, д). Такое сопряжение в одном уровне позволяет опереть железобетонную плиту сразу на продольные и поперечные балки.

В местах примыкания металлических пролетных строений к устоям и между смежными пролетными строениями устраивают деформационные швы.

Рис. 65. Конструкции проезжей части металлических автодорожных мостов:

1– главная балка; 2 – деревянная поперечина; 3 – двойной дощатый настил; 4 – ограждающий элемент; 5 – поперечные связи между главными балками; 6 – монолитная железобетонная плита; 7 – сборная железобетонная плита; 8 – продольная балка проезжей части; 9 – поперечная балка; 10 – пояс главной фермы; 11 – тротуарная консоль; 12 – дорожное покрытие; 13 – стальной лист настила; 14 – продольное ребро металлического настила; 15 – металлическое ограждение с фасонной планкой

Для соединения элементов металлических конструкций в современных мостах применяют сварку, заклепки и высокопрочные болты.

Рис. 66. Виды соединений элементов металлических мостов:

1 – фланговый шов; 2 – закладная головка; 3 – замыкающая головка

Сварные соединения элементов могут быть встык (рис. 66, а) внахлестку (рис. 66, б), с накладками. При соединении в нахлестку швы могут быть лобовыми (рис.66, б) или фланговыми (рис. 66, в). Толщина шва показана на рис. 66, г).

Заклепочные соединения могут быть с выступающей (рис. 66, д) и с потайной головкой (рис. 66, е) головкой.

Высокопрочные болты из термоупрочненной стали (рис. 66, ж) ставят в отверстие несколько большего диаметра, чем стержень болта и, натягивая гайки, сильно сжимают соединяемые элементы. Ключи должны иметь устройства для контролирования величины прилагаемого крутящего момента.

Изготовление и сборка металлических сквозных ферм сложнее и дороже, чем сплошных, поэтому пролетные строения со сквозными фермами экономически целесообразны для пролетов больше 60-80 м преимущественно в мостах с ездой понизу. Пролетные строения со сквозными фермами применяют в большинстве случаев балочно-разрезной или балочно-неразрез-ной системы, реже консольные.

Сочетание элементов сквозных ферм должны обеспечивать геометрически неизменяемые системы. Эти сочетания весьма разнообразны и отличаются взаимным положением поясов и типом решетки. Главные фермы мостов с ездой поверху и с разрезными пролетными строениями почти всегда принимают с параллельными поясами и треугольной решеткой (рис. 67, а).

В балочно-разрезных пролетных строениях с ездой понизу главные фермы железнодорожных мостов для пролетов 33-160 м и автодорожных для пролетов 60-100 м принимают с параллельными поясами и треугольной решеткой. Треугольная решетка может иметь дополнительные стойки и подвески (рис. 67, б), из которых примыкающие к верхнему поясу стойки служат для уменьшения свободной длины сжатого пояса, а примыкающие к нижнему поясу подвески – для уменьшения длины панели проезжей части. Фермы с треугольной решеткой могут быть без стоек и подвесок (рис. 67, в), что упрощает конструкцию узлов, но увеличивает вдвое длину панели (при тех же высоте ферм и угле наклона раскосов). При больших пролетах для уменьшения длины панели без изменения угла наклона раскосов применяют решетки со шпренгелями (рис. 67, г).

В разрезных пролетных строениях длиной больше 80-100 м для автодорожных мостов часто увеличивают высоту главных ферм к середине пролета, применяя полигональное очертание верхнего пояса (рис.67, д).

В балочно-неразрезных мостах пролетные строения устраивают преимущественно двух- и трехпролетными. Большее количество пролетов применяют редко из-за больших температурных перемещений концов ферм.

Рис. 67. Схемы металлических балочных ферм