Тема 7.4. Конструкция пролетных строений со сквозными балочными фермами.

Для перекрытия пролетов, превышающих 50-60 м, сквозные фермы обычно требуют меньшей затраты металла, чем балки со сплошной стенкой, однако изготовление и сборка сквозных ферм сложнее и дороже, чем сплошных балок, поэтому пролетные строе­ния со сквозными фермами экономически целесообразны для про­летов более 60-80 м, преимущественно в мостах с ездой понизу.

Основные схемы главных ферм. В автодорожных мостах метал-. лические пролетные строения со сквозными фермами в большинст­ве случаев устраивают балочно-разрезной или балочно-неразрезной системы. Реже применяют консольные пролетные строения.

Главные фермы мостов с ездой поверху, как правило, де­лают с параллельными поясами и треугольной решеткой. Фермы с параллельными поясами просты по конструкции, имеют одинаковые длины элементы поясов и решетки, а также однотипные узловые соединения. Высоту Ь, разрезных ферм (рис. 18.12, а) автодорож­ных мостов с ездой поверху принимают в пределах 1 / 8 - 1 / 10 , а не­разрезных (рис. 18.12, б) до 1 / 12 от пролета l. Лишь при пролетах более 80-100 м в неразрезных пролетных строениях целесообразно увеличивать высоту ферм над промежуточными опорами на 20- 50% по отношению к их высоте в пролетах.

Главные фермы пролетных строений с ездой понизу при пролетах до 80-100 м имеют параллельные пояса (рис. 18.12, в, г). При больших пролетах для экономии металла выгоднее увеличи­вать высоту главных ферм к середине -пролета, придавая верхнему поясу полигональное очертание (рис. 18.12, д). Если при этом рас­положить узлы верхнего пояса по круговой кривой, то его элемен­ты можно сделать равными по длине 5 с одинаковыми углами пе­релома в.узлах, что упрощает изготовление конструкции.

Решетка главных ферм в современных автодорожных мостах обычно треугольная, которая, как правило, экономичнее ранее при­менявшейся раскосной. Треугольная решетка может иметь допол­нительные стойки (см. рис. 18.12, в). Стойки, примыкающие к верх­нему поясу, служат для уменьшения свободной длины его элемен­тов, работающих на сжатие, а примыкающие к нижнему поясу (подвески) уменьшают длину панели проезжей части. Нагрузку на сквозные фермы обычно передают в их узлах. В этом случае все элементы работают на продольные усилия. Тогда для поддержания конструкции проезжей части устраивают поперечные балки, опи­рающиеся в узлах главных ферм (см. рис. 18.12, в, е), и панель про­езжей части с1 0 оказывается равной панели главных ферм. Одна­ко наивыгоднейшая длина панели проезжей части обычно зна­чительно меньше панели главных ферм. Если расположить попереч­ные балки проезжей части с наивыгоднейшим для нее шагом d 0 (см. рис. 18.12, д), то опорные давления поперечных балок, попа­дая в пределы длины панелей главных ферм, вызовут поперечный изгиб пояса. В этом случае необходимо значительное увеличение момента инерции его сечения в вертикальной плоскости и пояс тог­да будет жестким (см. рис. 18.12, г - ж). Фермы с жестким по­ясом дают возможность применять как в главных фермах, так и в проезжей части наивыгоднейшие длины панелей. Наличие жестко­го нижнего пояса облегчает установку пролетного строения про­дольной надвижкой при строительстве моста.

Неразрезные пролетные строения с ездой понизу при пролетах до 100-120 м обычно имеют фермы с параллельными поясами. При больших пролетах высоту ферм над промежуточными опора­ми увеличивают примерно на 20-50%.

Сквозные металлические фермы в недалеком прошлом были це­ликом клепаными. В настоящее время их изготавливают, как пра­вило, из сварных элементов с монтажными стыковыми соединения­ми и прикреплениями на заклепках или высокопрочных болтах. Применение сварки для монтажных соединений в сквозных фермах сильно затруднено из-за сложности прикреплений элементов в узлах и сопряжений, делающей практически невозможной сварку автоматами и обеспечение высокого качества швов.

Конструкция элементов сквозных ферм. В металлических мостах с полностью клепаной конструкцией элементы состоят в основном из листов и уголков. Раньше в мостах применяли пояса коробчатого (рис. 18.13, а) двойного швеллерного (рис. 18.13, б) или Н-образного (рис. 18.13, д) сечения с использованием уголкового металла крупных профилей (рис. 18.13, в). Элементы решетки (раскосы и стойки) клепаных ферм имеют двутавровое (рис. 18.13, в), двух-швеллерное (рис. 18.13, г), Н-образное (рис. 18.13, з) или трубча­тое (рис. 18.13, ж) сечения. Расстояние между ветвями сечений эле­ментов решетки всегда соответствует ширине поясов между их вер­тикальными стенками. Это необходимо для сопряжения поясов и решетки в узлах.

В современных металлических мостах элементы сквозных ферм изготавливают преимущественно сварными. Наиболее распростра­нены элементы коробчатого (рис. 18.13, и, л) и Н-образного (рис. 18.13, к) сечения, сваренные из листовой стали. Элементы Н-образ­ного сечения, простые по конструкции и удобные для изготовления, .широко применяют в мостовых фермах как для поясов, так и для решетки. В последнее время большее распространение получают элементы коробчатого сечения, обладающие большой жесткостью и потому особо целесообразные для сжатых элементов ферм. Изготов­ление коробчатых элементов значительно упростилось с примене­нием двухдуговых автоматов, приспособленных для одновременной сварки двух швов внутри (рис. 18.13, м) или снаружи (рис. 18.13, н) коробчатого сечения. Для возможности осмотра, очистки и окраски внутренних поверхностей коробчатых элементов нижний их лист делают перфорированным, т. е. с овальными отверстиями (см. рис. 18.13, и, л).

Так как усилия в элементах поясов по длине ферм меняются, то в панелях с большими усилиями сечения увеличивают за счет до­бавления листов в вертикальных пакетах при клепаных сечениях и путем утолщения листов в сварных элементах.

Гибкость элементов сквозных ферм, т. е. отношение их свобод­ной длины к радиусу инерции сечения, не должна превышать опре­деленных пределов, установленных нормами. Это необходимо, что­бы элементы фермы не погнулись при перевозке и сборке, а также не вибрировали при проходе по мосту временной нагрузки.

Элементы, состоящие из двух ветвей, не связанных между собой (сплошным листом, должны иметь соединительные элементы для объединения ветвей в один жесткий стержень. Особое значение име­ют соединительные элементы в сжатом стержне, где их применяют в виде решеток (рис. 18.14, а) или планок (рис. 18.14, б). В совре­менных коробчатых сечениях соединительным элементом служит перфорированный лист (рис. 18.14, в), который обеспечивает наи­более жесткое соединение. Соединительные решетки тоже дают хо­рошую связь, и их можно применять в сжатых элементах. Относи­тельно слабое соединение дают планки, поэтому их применяют только в растянутых или слабо работающих сжатых элементах.

Кроме соединительных решеток, планок или перфорированных ли­стов, ветви стержней связывают поперечными диафрагмами (рис. 18.14, г, д), предохраняющими сечение от перекосов.

В стержнях Н-образного сечения не требуется постановка ни соединительных элементов, ни диафрагм.

Узловые соединения сквозных ферм. Элементы фермы, сходящи­еся в узле, соединяют между собой с помощью листов фасонной формы - фасовками. Наиболее характерны для мостовых ферм два вида конструкции узлов: с фасонными накладками и с фасонным и приставкам и. В узловом соединении с фа­сонными накладками (рис. 18.15, 0) элементы, сходящиеся в узле, прикрепляют к фасонному листу, наложенному на элементы пояса. Этот лист используется не только для прикрепления раскосов и стоек, но и для перекрытия стыка элементов пояса. В узловом со­единении с фасонными приставками (рис. 18.15, г) их прикрепляют к непрерывно проходящему поясу. Конструкция узлов мостовых ферм должна отвечать требованиям удобства сборки конструкции. Раскосы и стойки ферм прикрепляют к узлам на месте сборки монтажными соединениями, или же один из элементов соединяют с фасонками на заводе, и тогда этот пояс вместе с фасонками об­разует один монтажный элемент.

Конструкция узла на фасонных накладках нижнего пояса кле­паного пролетного строения приведена на рис. 18.15, а. Элементы фермы имеют клепаные Н-образные сечения. Пояса образованы из уголков крупного сортамента. Все элементы, сходящиеся в узле, прикреплены к фасонкам внахлестку и передают свои усилия через примыкающие к фасонкам полки уголков. Стык элементов по­яса перекрыт фасонными накладками, а также дополнительными вертикальными накладками Я, Яг и Я 3 установленными с наруж­ной и с внутренней стороны каждой ветви пояса.

В фермах с жестким нижним поясом конструкция этого пояса, аналогична балкам со сплошной стенкой. Его двутавровое сечение обычно сварное. Для уменьшения размеров фасонной приставки раскосы к жесткому поясу прикрепляют, как правило, эксцентрично (рис. 18.15, б). Эксцентриситет прикрепления раскосов учитывают при расчете ферм. Фасонные приставки прикрепляют к поясу свар­ными швами или заклепками (см. рис. 18.15, б). В месте примыка­ния раскосов пояс укрепляют ребрами жесткости.

Лекция №9.

Балочные пролетные строения с решетчатыми фермами.

Различают фермы по роду езды – поверху и понизу. Фермы в основном применяются при строительстве железнодорожных мостов, гораздо реже – при строительстве автодорожных.

Границы рационального применения ферм установить сложно, т.к. это зависит от многих факторов (строительная высота, архитектурные требования, способ монтажа и т.п.). Однако в малых пролетах (до 30…40 м) решетчатые фермы нецелесообразны, т.к. трудоемкость и стоимость их изготовления существенно выше, чем балок со сплошной стенкой.

Для балочных ж.д. мостов от 44 до 132 м существуют типовые проекты пролетных строений в виде ферм с ездой понизу.

Для балочных автодорожных мостов фермы целесообразны при пролетах более 150…200 м, т.к. до этих длин решетчатые пролетные строения почти полностью вытеснены сплошностенчатыми балками.

В решетчатых пролетных строениях вместо листа стенки устроена дискретная решетка, элементы которой вместе с поясами должны образовывать геометрически-неизменяемую конструкцию

Конструктивные элементы фермы представлены на рисунке.

В фермах при узловой передаче нагрузки все элементы работают преимущественно на осевые силы, что позволяет полнее использовать прочностные свойства материала. В этом их основное достоинство.

В мостах всех назначений балочные решетчатые пролетные строения могут быть разрезными, неразрезными и балочно-консольными.

Основными параметрами решетчатого пролетного строения являются:

Расчетный пролет lр (расстояние между точками опирания);

Высота фермы h1 (расстояние между геометрическими осями поясов);

Панель фермы d (расстояние между центрами смежных узлов ездового пояса);

Угол наклона раскосов к вертикали α (tg α=d/h1);

Расстояние между осями главных ферм В.

В нашей стране длину расчетного пролета фермы lр назначают, как правило, кратной длине панели d. При этом d=11 м в железнодорожных мостах и d=21 (10,5) м – в автодорожных мостах.

Длина панели d может быть выбрана произвольной, желательно иметь только регулярную решетку. Необходимо учитывать, что компоновочные параметры фермы (d и h1) взаимосвязаны и при заданной высоте фермы длина панели должна быть такой, чтобы обеспечить угол α в пределах 30⁰…50⁰.

Высота фермы при езде поверху определяется требованиями обеспечения вертикальной жесткости и экономичности. Наименьшая металлоемкость фермы в ж.д. мостах достигается при высоте ферм h1=(1/5…1/7)lр, однако при езде поверху фермы обычно делают более низкими – h1=(1/7…1/9)lр.

В автодорожных мостах принимают высоту ферм h1=(1/8…1/12)lp для разрезных пролетных строений. Для неразрезных ферм h1=(1/10…1/14)lp.

В городских условиях высота и конфигурация ферм подчиняются архитектурным требованиям. Назначение высоты ферм также должно учитывать унификацию, стандартизацию при заводском изготовлении, а также условия транспортировки и монтажа конструкций.

Расстояние В между осями главных ферм поперек моста, подобно сплошностенчатым конструкциям, определяется конструкцией мостового полотна, поперечной устойчивостью пролетного строения, его горизонтальной жесткостью и экономическими соображениями.

Поперечная устойчивость может быть увеличена снижением высоты фермы над опорами, или устройством опорных частей, воспринимающих отрицательные опорные реакции.

По требованиям горизонтальной жесткости рекомендуется назначать расстояние между фермами с ездой поверху не менее (1/16…1/20)lp. Как правило, для однопутных пролетных строений с ездой поверху назначается расстояние между фермами 2…2,2 м. При безбалластном мостовом полотне устраивают балочную клетку проезжей части. В этом случае нагрузка от подвижного состава передается через мостовое полотно на продольные балки, которые передают нагрузку через поперечные балки на узлы ездового пояса.

Пролетное строение с ездой поверху без балочной клетки проще и легче, чем с клеткой, но его верхние ездовые пояса работают на осевое сжатие с местным изгибом при внеузловом приложении нагрузки, что требует увеличить сечения верхних поясов и массу главных ферм, либо снизить длину панели.

При езде поверху существенно снижается объем кладки опор, но большая строительная высота при перекрытии судоходных пролетов является существенным недостатком. Поэтому в судоходных пролетах чаще всего используют пролетные строения с ездой понизу.

В пролетных строениях с ездой понизу обычно исключают концевые стойки и примыкающие к ним элементы верхних поясов, т.к. они не работают на вертикальную нагрузку. Очертание контура фермы с ездой понизу по фасаду имеет форму трапеции.

Расстояние между осями ферм с ездой понизу приходится увеличивать. Для однопутных мостов оно составляет 5,6…5,8 м, чтобы фермы располагались вне габарита приближения строений. При больших пролетах это расстояние также определяется поперечной устойчивостью и горизонтальной жесткостью, которые в большинстве случаев удовлетворяются при расстоянии между фермами (1/20…1/25)lр.

Экономически выгодная высота ферм данного типа (1/5…1/7)lр в железнодорожных мостах и (1/6…1/10)lр в автодорожных.

По условиям расположения поперечных связей и верхних продольных связей за пределами габарита приближения строений минимальная высота ферм составляет 8…8,5 м.

Высота может быть увеличена, исходя из условий обеспечения вертикальной жесткости, унификации размеров серии пролетных строений и эстетических соображений.

В случае, когда экономически выгодная высота главных ферм оказывается недостаточной для установки верхних продольных связей, применяют пролетные строения открытого типа, подобные сплошностенчатым пролетным строениям с ездой понизу (ТП 563). В них отсутствующие продольные связи заменяются жесткими полурамами, формируемыми из поперечных балок, стоек и подвесок главных ферм.

Верхние пояса открытых пролетных строений работают в неблагоприятных условиях – как сжатые стержни, закрепленные от поперечных смещений упруго-податливыми связями в местах установки полурам.

При недостаточной жесткости полурам случались обрушения пролетных строений в результате потери устойчивости сжатыми поясами ферм.

В пролетных строениях с ездой понизу увеличиваются длины элементов продольных связей, т.к. больше расстояние между фермами, и усложняется устройство поперечных связей, выполняемых в виде рам со сквозными или сплошностенчатыми ригелями. Горизонтальную нагрузку ферма верхних продольных связей передает через опорные поперечные связи (портальные рамы) на опорные части. Поэтому портальные рамы несут значительно большую нагрузку, чем промежуточные поперечные связи и выполняются достаточно жесткими. Портальные рамы размещаются в плоскости опорных раскосов.

Поперечная нагрузка с нижних продольных связей передается непосредственно на опорные части.

При езде понизу также устраивается проезжая часть в виде балочной клетки, в которой продольные балки объединяют в пространственную конструкцию собственной системой связей. Поперечные балки прикрепляют в узлах нижних поясов ферм.

Расположение балок проезжей части возможно выполнить как в одном уровне, так и в разном уровне, так называемое этажное расположение.

Для перекрытия пролетов, превышающих 50…80 м, применяют мосты со сквозными фермами.

Наиболее часто в мостах устраивают сквозные фермы простой разрезной или неразрезной системы. Реже встречаются кон­сольные пролетные строения. Как правило, эти мосты имеют пролетные строения с ездой повер­ху. Главные фермы городских мостов с разрезными пролетными строе­ниями почти всегда делают с параллельными поясами и треугольной решеткой. Неразрезные пролетные строения устраивают в основном двух- или трехпролетными. Большее число неразрезных пролетов приме­няют редко из-за больших температурных перемещений на их концах.При небольших пролетах неразрезные фермы делают постоянной высоты.

При больших пролетах фермам придают очертание с увеличением высоты ферм над средними опорами. Довольно часто применяют систему в виде жесткой балки, усиленной полигональным верхним поясом. Эту систему назы­вают гибкой аркой с жесткой затяжкой. По затрате металла эта система неэкономична по сравнению с простыми решетчатыми фер­мами. Но зато в таких пролетных строениях основная несущая конст­рукция располагается ниже уровня проезжей части, а выше ее высту­пают лишь арочные пояса и подвески. Для перекрытия больших пролетов целесообразно применять си­стему, образованную из неразрезной балки, усиленной снизу дополни­тельными поясами (рис.27, б). Эти пояса увеличивают высоту несу­щей конструкции над промежуточными опорами, где возникают боль­шие отрицательные изгибающие моменты, и уменьшают положитель­ные изгибающие моменты в пролетах. В этой системе можно еще уменьшить положительные моменты, применив во время сборки начальный выгиб бал­ки вверх с помощью домкра­тов, установленных на вре­менных промежуточных опо­рах разновидностью комбинированных систем является система,образованная из кон­сольной или неразрезной бал­ки и дополнительных подко­сов (рис.27, в ). При последующих нагрузках система благодаря постав­ленным раскосам работает как более жесткая рамная конструкция

Рис.27. Системы пролетных строений комбинированных систем

Так как система работает после первой стадии монтажа как балоч­ная, а после постановки подкосов - как рамная, ее называют балочно-рамной системой.Мосты балочно-рамной системы имеют Хорошие экономические характеристики по затрате металла. Кроме того, в них удается суще­ственно снизить высоту балок в середине пролета, доведя ее до 1/40 и даже 1/60 пролета.В городских мостах, построенных за последние годы, встречается также комбинированная система, состоящая из балки, усиленной снизу полигональной подпружной аркой (рис.27, г). Пролетные строения этого типа имеют хорошие экономические показатели благодаря исполь­зованию балок как в работе основной несущей конструкции, так и для непосредственного поддержания плиты проезжей части, а также про­стоте конструкции подпружных арок.

арочные мосты в зависимости от статической схемы арок могут быть бесшарнирными, двухшарнирными и трехшарнирны­ми. Наиболее часто применяют двухшар­нирные металлические арки (рис.28, а), имеющие достаточную жест­кость, мало реагирующие на коле­бания температуры и удобные в сборке.арочные мосты чаще всего устраивают с ездой поверху (рис.28, а и б ). Если по местным условиям не удается расположить арку под проезжей частью, то устраивают арочные мосты с пониженной ездой (рис.28, в ) или реже – с ездой понизу (рис.28, г ).

Рис.28.Основные системы металлических арочных мостов

Арочные мосты с ездой понизу часто устраивают с затяжкой (рис.28, г). В этом случае пролетное строение по реакциям, передаваемым опорам, ничем не от­личается от простых балочных си­стем.Арки металлических мостов по своей конструкции могут быть со сплошной стенкой или сквозные, в виде решетчатых арочных ферм.

Арки со сплошной стенкой (рис.28, а, б, г), простые по конст­рукции и удобные для сборки, очень часто применяют в городских мо­стах. Арки со сплошной стенкой в архитектурном отношении дают хороший силуэт моста. Последние годы вместо простых арочных систем стали находить применение комбинированные системы в виде балки, усиленной гибкой аркой (рис.27, г).Сквозные арочные фермы (рис.28, в) сложнее по конструкции, чем арки сплошного сечения, и применяются преимущественно при больших пролетах и тяжелой временной нагрузке (например, при про­пуске железнодорожных поездов).

В арочных мостах с ездой поверху чаще всего приме­няют подъем 1/7…1/8 пролета. Высота сплошных арок в замке обычно составляет 1/50…1/70 пролета.Очертание оси арок должно приближаться к кривой давления от расчетных нагрузок. Так как в городских мостах постоянная нагрузка составляет большую долю от полной расчетной нагрузки, то очертание оси их арок часто делают параболическими.

Сечение арок при пролетах до 40…50 м делают двутавровым; при пролетах более 60…70 м аркам придают двухстенчатое сечение коробчатого типа или сечение из спаренных двутавров.

В и с я ч им и (рис. 29) называют мосты, в которых главными не­сущими элементами служат цепи, кабели или ванты из стали высоко­го качества, работающие на растяжение. В современных висячих мос­тах применяют проволочные кабели и канаты из стали с пределом прочности до 15000-18000 кг1см 2 .

Рис. 29. Основные системы висячих мостов.

Благодаря высокому расчетному сопротивлению канатов вес висячих мостов получается минимальным, и этой системой удается легко перекрывать очень большие пролеты.Цепь, кабель или система вантов проходят над вершинами пило­нов и удерживаются оттяжками, закрепленными в грунте, в кладке устоев или на концах балок жесткости пролетного строения.К цепи, кабелю или узлам вант с помощью подвесок подвешивают проезжую часть моста.Применение висячих систем для мостов целесообразно для перекрытия пролетов более 200…300 м. Однако благодаря кра­сивому внешнему виду их иногда применяют и при сравнительно не­больших пролетах.Висячие мосты в зависимости от системы несущей конструкции мо­гут быть разделены на две основные разновидности: 1) висячие мос­ты с кабелем или цепью; 2) вантовые мосты.

В висячих мостах первого вида главными несущими элементами являются криволинейные кабели или цепи (рис.29, а ).В вантовых мостах основная несущая конструкция образуется из системы прямолинейных элементов-вант, выполненных из стальных крученых канатов (рис.29, б и в).

В городских мостах наиболее часто применяют висячие системы с проволочными кабелями. Сами по себе кабель или цепь имеют малую жесткость вследствие того, что при движении временной нагрузки они меняют свою геометрическую форму, вызывая большие прогибы пролетного строения.

Для увеличения жесткости висячих мостов в уровне проезжей части устраивают специальные продольные балки или фермы (рис.29, а). Такие балки или фермы жесткости, участвуя в работе висячей конструкции на временную нагрузку, выравнивают и уменьшают деформации кабеля.

34 . В Китае около 3000 лет тому назад начали строить висячие мосты, настил на которых укладывался непосредственно на туго натянутых цепях или канатах, закрепляемых в скалах на берегах. Первый висячий мост, описанный в литературе, конструктивная схема которого близка к современным схемам висячих мостов, был построен в 1741 г. в Англии через реку Тисс. Характерной особенностью этого моста являлось наличие самостоятельной проезжей части, соединенной с цепью подвесками. Этот мост имел пролет 21 м и служил для прохода горнорабочих. За истекшие 266 лет с момента открытия указанного выше моста во всех странах мира было построено большое количество висячих мостов, конструкция которых постоянно совершенствовалась, а пролеты увеличивались. Уже в начале XIX века выявились их экономические преимущества перед каменными. К концу XIX века мосты имели уже значительные пролеты. Пролетные строения стали опирать не на цепные, а на кабельные подвесы из высокопрочных материалов Переход от примитивных конструкций висячих мостов к современным системам относится к XVII-XVIII вв,где указывалась конструкция с отделением полотна моста от поддерживающих цепей.

В металлических мостах средних и больших пролетов, как правило, применяют пролетные строения со сквозными фермами и массивные опоры. Конструктивно сквозная ферма имеет главные фермы, продоль­ные и поперечные связи. Проезжая часть может располагаться понизу или поверху пролетного строения. Главные фермы из линейных элемен­тов имеют различные очертания. Они изготавливаются из высокопроч­ных низколегированных сталей с болтосварными соединениями.

Главные фермы стальных пролетных строений представляют собой плоские геометрически неизменяемые стержневые конструкции, состо­ящие из элементов нижнего и верхнего поясов и элементов решетки: рас-166

косов, стоек, подвесок. Пояса и раскосы являются основными конструк­тивными элементами фермы; стойки, подвески, шпренгели, работаю­щие только на местную нагрузку, называются дополнительными. Пере­сечения раскосов, стоек, и подвесок с поясами ферм называются узлами ферм, а горизонтальное расстояние между центрами смежных узлов на­зывается панелью (рис. 7.21).

По очертанию поясов фермы могут быть с параллельными поясами или с полигональным верхним поясом. В мостах наибольшее распрост­ранение получили фермы с параллельными поясами и простой тре­угольной решеткой. Применяются также фермы с полигональным верх­ним поясом и треугольной решеткой. Для уменьшения длины панели в фермах больших пролетов используются шпренгели (понизу). Для больших пролетов используются двухрешетчатые (ромбические) фер­мы.

Фермы с параллельными поясами имеют большую на 2-5 % массу стали, чем фермы с полигональными поясами, но меньшую трудоем­кость и стоимость изготовления и монтажа. Решетка ферм состоит из наклонных элементов - раскосов, работающих на растяжение и сжа­тие, вертикальных элементов - стоек, работающих на сжатие, и подве­сок, работающих на растяжение; для уменьшения длины элементов при­меняются стяжки и распорки.

Рис. 7.21. Основные конструктивные элементы фермы: 1 - нижний пояс; 2 - верхний пояс; 3 - сжатый (восходящий) раскос; 4 - растянутый (нисходящий) раскос; 5 - стойка; 6 - подвеска; 7 - панель ниж­него пояса; 8 - панель верхнего пояса; А - узел верхнего пояса фермы; Б - узел нижнего пояса фермы; а - длина панели; п - количество панелей; l - длина пролетного строения; h - высота фермы

Главные фермы имеют раскосную, ромбическую, треугольную, шпренгельную и другие решетки (рис. 7.22, 7.23). Раскосные решетки состоят из нисходящих, растянутых раскосов и сжатых стоек или вос­ходящих преимущественно сжатых раскосов и растянутых подвесок, для больших пролетов применяется полураскосная и многораскосная решетки. Ромбическая решетка состоит из перекрещивающихся раско­сов и одного горизонтального или вертикального элемента, обеспечи­вающего геометрическую неизменяемость фермы. Треугольная решетка представляет собой восходящие и нисходящие раскосы со стойками или со стойками и подвесками. Шпренгельная решетка состоит из основной раскосной или треугольной решетки и шпренгелей, расположенных у верхнего или нижнего пояса. Могут применяться фермы безраскосные, имеющие между поясами только вертикальные элементы - стойки. Выбор вида решетки фермы производиться путем сравнения расхода стали, количества элементов и узлов, трудоемкости, стоимости и других технико-экономических показателей.

В старых мостах применялись многорешетчатые и многораскосные фермы, фермы с крестовой решеткой, полураскосные с параболическим верхним поясом, раскосные фермы со шпренгелями поверху.

Под воздействием вертикальной нагрузки в балочных разрезных сквозных фермах верхние пояса работают на сжатие, а нижние на растя­жение. Величина этих усилий возрастает с увеличением расчетного про­лета и уменьшается с увеличением высоты фермы. Раскосы, восходя­щие от опор к середине пролета, испытывают сжатие, а нисходящие - растяжение. Величина усилий в раскосе зависит от угла наклона раскоса к вертикали (чем меньше угол, тем меньше усилия в раскосе) и от очер-

Рис. 7.22. Решетка ферм в старых мостах: а - четырехрешетчатая; б - двухраскосная; в - крестовая; г - полураско­сная; д - с полигональным верхним поясом и верхними шпренгелями

Рис. 7.23. Схемы решеток ферм: а , б - фермы с раскосными решетками; в - полураскосная решетка; г - мно­гораскосная решетка; д , е , ж - фермы с ромбической решеткой; з - ферма с полигональным верхним поясом и шпренгельной решеткой; и - треугольная решетка; к - треугольная решетка со стойками; л - треугольная решетка со стойками и подвеской; м - многорешетчатая ферма; н - двухрешетчатая фер­ма; о - крестовая решетка; п - двойная треугольная с полуподвесками и полу­стойками; р - ферма с параллельными поясами и шпренгельной решеткой

тания поясов. В фермах с полигональным очертанием усилия в раскосах меньше, чем в ферме с параллельными поясам.

Подвески и стойки служат для уменьшения свободной длины пане­ли. Стойками называются элементы, работающие на сжатие, подвеска­ми - элементы, работающие на растяжение.

Для главных ферм малых пролетов наилучшей является простая тре­угольная решетка.

Для средних пролетов, до 110 м включительно, - треугольная ре­шетка с подвесками и стойками. Для больших пролетов, более 120 м, применяется треугольная решетка с подвесками и шпренгелями у ниж­него пояса, позволяющими сохранить оптимальную длину панели и угол наклона раскосов при большой высоте ферм. Для уменьшения сво­бодной длины сжатых панелей верхнего пояса подвески шпренгеля продолжаются до верхнего пояса, а для уменьшения свободной длины стоек и подвесок ставятся горизонтальные стяжки.

Основными расчетными размерами главных ферм являются: расчет­ный пролет, высота ферм, длина панели.

Расчетным пролетом ферм называется расстояние между центрами опорных узлов по горизонтали. Для пролетных строений железнодо­рожных мостов он принимается от 33 до 110 м, кратным 11 м, а также 127,4; 144,8; 158,4 см. Для возможности установки пролетных строений на существующие опоры необходимый расчетный пролет получается путем изменения длины крайних панелей ферм.

Высота главных ферм - это расстояние между осями горизонталь­ных узлов в сечении нижнего и верхнего пояса по вертикали. Высота главной фермы назначается из условия минимального расхода стали, требуемой жесткости фермы и габарита приближения строений. Высота фермы обычно составляет 1/5-1/7 расчетного пролета. В железнодо­рожных мостах с ездой понизу высота главных ферм принимается не менее 8,5 м для беспрепятственного прохождения подвижного состава.

Длина панели фермы - это расстояние между центрами соседних узлов поясов. Длина панели влияет на расход стали для главных ферм, балок проезжей части и связей между главными фермами. Увеличение длины панели уменьшает количество элементов и узлов фермы, но уве­личивает пролеты продольных балок, массу стали проезжей части. Дли­на панелей принимается 5,5-11 м.

Угол наклона раскосов влияет на конструкцию узлов фермы. Наивы­годнейшим углом наклона раскосов к горизонтали является 40-50°. При

значительном отклонении угла наклона от 45° увеличиваются размеры узловых фасонных листов и расход стали.

Высота ферм, длина панели, угол наклона раскосов взаимно связа­ны. Расстояние между осями ферм диктуется требованиями горизон­тальной жесткости и устойчивости против опрокидывания пролетного строения, а при езде понизу и габаритом приближения строений. По ус­ловию горизонтальной жесткости расстояние между осями ферм долж­но быть не менее 1/20-1/25 пролета при езде понизу и не менее 1/16- 1/20 при езде поверху, при этом горизонтальные колебания пролетных строений под проходящими поездами не опасны. По условию габарита, для однопутных железнодорожных пролетных строений с ездой понизу расстояние между осями ферм должно быть не менее 5,5 м, а для двух­путных - не менее 9,6 м. Для повышения уровня унификации, улуч­шения технологии изготовления и монтажа, снижения трудоемкости и стоимости главные фермы близких пролетов принимаются одинаковых систем, высоты ферм и длины панели.

Так, например, типовые главные фермы пролетами 88 и 110 м имеют параллельные пояса, треугольную решетку с подвесками и стойками, одинаковую высоту 15 м, длину панели 11 м и расстояние между фер­мами 5,8 м.

Элементы ферм представляют собой прямолинейные стержни, вос­принимающие большие продольные усилия и поэтому имеющие значи­тельные площади поперечных сечений. В современных пролетных стро­ениях наиболее применимыми являются сечения коробчатой и Н-образ-ной формы (рис. 7.24, 7.25).

Коробчатые сечения состоят из двух вертикальных и двух горизон­тальных листов, жестко соединенных сварными швами, вертикальные листы являются основными и более толстыми, чем горизонтальные. Ко­робчатые сечения имеют рациональное распределение металла, боль­шую жесткость при изгибе и кручении. Они экономичны по расходу стали, менее подвержены коррозии, но сложны в изготовлении. Короб­чатые сечения применяются как для поясов ферм, так и для сжатых рас­косов.

Коробчатые элементы из сплошных листов герметизируются уста­новкой по их концам сплошных поперечных диафрагм, препятствую­щих проникновению внутрь коробок влаги, снега и грязи. Применение герметичных элементов сокращает площадь окраски и замедляет корро­зию, что снижает эксплуатационные расходы и увеличивает срок служ­бы фермы.

Рис. 7.24. Сечение поясов сквозных ферм: а - швеллерное; б - коробчатое; в - П-образное и швеллерное; г - дву­тавровое Н-образное; д - одностенчатое; е - коробчатое

Н-образные сечения состоят из двух вертикальных и одного го­ризонтального листа, соединенных сваркой. Преимуществом их являет­ся простая открытая конструкция, удобная для изготовления: трудоем­кость их изготовления примерно в 1,5 раза меньше, чем коробчатых.

Недостатки Н-образных сечений состоят в: возможности загрязне­ния и необходимости частой очистки и окраски горизонтальных эле­ментов; опасности быстрой коррозии стали из-за скапливающихся в них

Размеры сечения элемен­тов назначаются в соответ­ствии с действующими усили­ями, маркой стали, требовани-

ями технологии изготовления, монтажа и эксплуатации. Высота сечения элементов принимается не более 1/15 их длин. Все элементы должны иметь одинаковую ширину для простоты соединения их в узлах.

Внутренние размеры коробчатых сечений должны быть не менее 440×460 мм для возможности прохода двухдугового сварочного аппа­рата. Толщина вертикальных листов из углеродистой стали должна быть не более 50 мм, а из низколегированной - не более 40 мм. Гори­зонтальные листы должны иметь толщину не менее 10 мм.

Узлы главных ферм представляют собой соединения концов эле­ментов, оси которых сходятся в одной точке - центре узла (рис. 7.26). К узлам ферм прикрепляются поперечные балки и элементы связей. Концы элементов ферм соединяются при помощи фасонных листов: фа-сонок-накладок, фасонок-вставок, фасонок-приставок. Фасонки должны быть простой формы, минимальных размеров и толщиной не менее 12 мм. Для снижения трудоемкости и повышения качества работ форма

Рис. 7.26. Конструкция узла ферм на высокопрочных болтах: 1 - нижний пояс фермы П-образного сечения; 2 - стойка двутаврового сече­ния; 3 - раскос коробчатого сечения; 4 - раскос двутаврового сечения;

5 - фасонка

и размеры узловых фасонных листов и стыковых накладок, а также рас­положение отверстий для монтажных болтов унифицируются, что дает возможность обеспечивать высокую точность сборки и взаимозаменяе­мость деталей.

Конструкция узлов ферм должна быть простой и удобной для монта­жа, предотвращать возможность скапливания воды и грязи.

Связи между фермами. Главные фермы стальных пролетных строе­ний соединяются в плоскостях верхних и нижних поясов продольными связями, а в плоскостях раскосов, подвесок или стоек - поперечными связями. Продольные связи представляют собой фермы, поясами кото­рых являются пояса главных ферм. Решетка связей может быть тре­угольной, ромбической, крестовой, полураскосной и других систем. Элементы связей устраиваются из прокатных или сварных уголков, тав­ров, двутавров, или швеллеров. Форма и размеры сечений элементов связей принимаются в зависимости от усилий и свободной длины эле­ментов. При небольших усилиях и длине сечения принимают уголковые или тавровые, при больших усилиях и длине сечения двутавровые.

Тормозные рамы, устраиваемые в железнодорожных пролетных строениях, передают продольные тормозные усилия от балок проезжей части на пояса ферм и далее на неподвижные опорные части. Тормоз­ные рамы располагаются посередине пролета. Рамы образуются из диа­гональных связей и распорок между продольными балками или из диа­гональных продольных связей и дополнительных раскосов.

Поперечные связи между главными фермами располагаются в верти­кальных плоскостях стоек и подвесок ферм или в наклонных плоско­стях промежуточных раскосов через 11-12 м.

Портальные рамы передают ветровую и другие поперечные нагрузки с верхних продольных связей на опоры. Они располагаются по концам пролетных строений в плоскостях опорных раскосов или стоек или пер­вых подвесок главных ферм.

Балочные пролетные строения со сквозными фермами находят применение в больших и внеклассных мостах. В фермах при узловой передаче нагрузки все элементы работают преимущественно на осевые силы, что позволяет полнее использовать прочностные свойства материала. Балочные пролетные строения со сквозными фермами подразделяют на разрезные, неразрезные и консольные, с ездой понизу и поверху.

Балочно-разрезное пролетное строение с ездой понизу однопутного железнодорожного моста состоит из двух главных ферм, объединенных в пространственную конструкцию системой продольных и поперечных связей (рис. 6.18, 6.19) .

Главные фермы металлических пролетных строений состоят из элементов верхнего и нижнего поясов и решетки: раскосов, стоек и подвесок (рис. 6.18).

Сквозные фермы имеют различные очертания поясов и системы решеток (рис. 6.19) . Фермы с полигональными поясами при езде понизу имеют верхний полигональный пояс (рис. 6.19, а ), а при езде поверху – нижний (рис. 6.19, б ). Фермы с параллельными поясами (рис. 6.19, в, г ) более рациональны, имеют меньшую трудоемкость и стоимость изготовления и монтажа, но на 2–5 % большую массу стали, чем предыдущие фермы.

Рис. 6.18. Пролетное строение с ездой понизу: 1 – портальная рама; 2 – верхние продольные связи; 3 – поперечные связи; 4 – верхний пояс фермы; 5 – распорка верхних продольных связей; 6 – подвеска; 7 – нижний пояс фермы; 8 – раскос;
9 – стойка; 10 – продольная балка проезжей части; 11 – поперечная балка; 12 – продольные связи проезжей части; 13 – нижние продольные связи фермы

Рис. 6.19. Схемы главных ферм: а, б – с полигональными поясами; в, г – с параллельными поясами

Решетка ферм состоит из раскосов, стоек и подвесок (рис. 6.18). Главные фермы имеют раскосную, ромбическую, треугольную, шпренгельную решетки (рис. 6.20) .

Рис. 6.20. Схемы решеток ферм: а, б – раскосная с нисходящими и восходящими раскосами; в – полураскосная; г – многораскосная; д – ромбическая; е, ж – ромбическая с полуподвескамии полустойками; и, т – шпренгельная;
к – треугольная с восходящими раскосами; л, м – треугольная со стойками и подвесками; н – многорешетчатая; п – двухрешетчатая; р – крестовая; с – двойная треугольная с полуподвесками и полустойками

Основные параметры фермы указаны на рис. 6.21 .

В современных конструкциях пролетных строений железнодорожных мостов расчетная длина пролета составляет от 33 до 110 м, кратная 11 м, а также 127,4; 144,8 и 158,4 м. Высота главной фермы составляет
= (1/5¸1/7) l р , но не менее 8,5 м, которую устанавливают из условий минимального расхода стали, требуемой жесткости фермы и габарита приближения строений. Длину панели принимают = 5,5¸11 м. Расстояние между осями главных ферм принимают с = (1/20¸1/25) l р из условий обеспечения горизонтальной жесткости и устойчивости против опрокидывания пролетного строения. По условиям габаритности для однопутных железнодорожных пролетных строений с 5,7 м.

Рис. 6.21. Основные параметры фермы: а – вид вдоль оси моста; б – план;
в – вид поперек оси моста; – расчетный пролет; – длина панели; – высота фермы; – расстояние между осями главных ферм; – расстояние между осями продольных балок проезжей части

Элементы ферм. В современных конструкциях пролетных строений находят применение два типа сечений: коробчатое и Н-образной формы (рис. 6.22) .

Рис. 6.22. Сечения элементов главной фермы: а–ж – коробчатой формы;
и – Н-образной формы

Размеры сечений элементов назначают в соответствии с действующими усилиями, маркой стали, требованиями технологии изготовления, монтажа и эксплуатации. Высоту сечений элементов принимают не более 1/15 их длины, а ширину – из условия примерно равной гибкости в плоскости и из плоскости фермы.

Проезжая часть состоит из продольных и поперечных балок, связей между продольными балками и мостового полотна. Расположение балок проезжей части бывает в одном и разных уровнях. Продольные балки применяют в современных фермах сварные двутаврового сечения высотой (1/5¸1/7) их пролета (рис. 6.23) .

Рис. 6.23. Конструкция продольной балки проезжей части фермы: а – вид вдоль оси пролета; б – план балки; в – план горизонтальных связей; 1 – поперечное сечение балки; 2 – уголок крепления связей; 3 – фасонка поперечных связей; 4 – ребро жесткости; 5 – уголок прикрепления продольной балки к поперечной; 6 , 10 – «рыбка»; 7 – отверстия для болтов; 8 – распорка; 9 – отверстия; 11 – диагональ

Поперечные балки прикрепляют к элементам главных ферм высокопрочными болтами при помощи вертикальных уголков и треугольных фасонок (рис. 6.24) .

Мостовое полотно железнодорожных пролетных строений с фермами применяют на деревянных или металлических поперечинах, железобетонных безбалластных плитах (рис. 6.25) . Нагрузки от мостового полотна передаются на продольные балки, а затем на поперечные балки и главные фермы. Балки работают на изгиб. Деформация поясов главных ферм вызывает в продольных балках растяжение при езде понизу и сжатие при езде поверху, а в поперечных балках – изгиб в горизонтальной плоскости.

Рис. 6.24. Конструкция прикрепления поперечной балки к элементам главной фермы: 1 – отверстия для крепления продольной балки; 2 – вертикальный уголок прикрепления; 3 – фасонка («топорик») прикрепления уголка к поперечной балке; ГЛ – горизонтальный лист; ВЛ – вертикальный лист; Ф – фасонка; ВН – вертикальная накладка; – толщина элемента

Рис. 6.25. Мостовое полотно с безбалластной железобетонной плитой:
1 – перила; 2 – убежище; 3 – тротуар; 4 – рельс; 5 – контруголок; 6 – железобетонная плита; 7 – консоль

Узлы главных ферм с болтовыми стыками устраивают различным способом (рис. 6.26) . В железнодорожных мостах применяют, как правило, узлы на фасонных накладках. Парные фасонки охватывают снаружи все элементы фермы и центрируют оси сходящихся в узле элементов (рис. 6.26).

Рис. 6.26. Виды узлов главной фермы: а – нижние (Н), верхние (В) и средние (С);
б – с фасонками-накладками; в – с фасонками-вставками; 1 – узловой фасонный лист; 2 – стыковая накладка

Типовые пролетные строения с ездой понизу имеют расчетные пролеты 33,0; 44,0; 55,0; 66,0; 77,0 88,0; 110,0 м и разбиты на три серии (ГТМ, 1989 г.). Типовые пролетные строения с ездой поверху имеют расчетные пролеты 44,0; 55,0 и 66,0 м.

6.6. Балочно-неразрезные пролетные
строения с фермами

Неразрезные балочные пролетные строения отличаются от разрезных меньшими положительными изгибающими моментами и прогибами. В неразрезных пролетных строениях применяют те же типы решеток, что и в простых разрезных фермах. Используют обычно двухпролетные и трехпролетные конструкции.

К достоинствам балочно-неразрезных пролетных строений по сравнению с разрезными относят: экономию металла при больших пролетах; большую вертикальную и горизонтальную жесткость; возможность обеспечения высоких скоростей движения; уменьшение объема кладки опор; применение навесной сборки. К основным их недостаткам можно отнести значительные перемещения конца пролетного строения при изменении температурного режима и увеличение тормозной силы.

Типовые пролетные строения с неразрезными фермами под один железнодорожный путь с ездой понизу имеют пролеты: 2´110; 2´132; 2´159 (рис. 6.27) , 110+132+110 и 132+154+132 м, а с ездой поверху – 2´55 и 2´65 м. Они запроектированы из термически упрочненной стали марки 10ХСНД и могут применяться в обычных и северных условиях.

Рис. 6.27. Схемы неразрезных пролетных строений со сквозными главными фермами и ездой понизу: а – двухпролетные; б – трехпролетные; в – со шпренгельной решеткой

Преимущество типовых неразрезных пролетных строений состоит в том, что элементы главных ферм и связей, а также балки проезжей части изготовляют на заводе с максимальным использованием имеющегося оборудования и кондукторов типовых разрезных пролетных строений. При этом заводские соединения выполняют электросваркой, а монтажные – высокопрочными болтами .