Работа мостов под нагрузкой и понятие об их расчете

Всякая нагрузка (собственный вес сооружения, проходящие поезда и др.), действуя на конструкцию, вызывает в ней внутренние силы сжатия, растяжения и т. п. Напрягаясь под действием этих сил, элементы конструкции, их сопряжения и детали, как и все сооружение в целом,изменяются в размерах (деформируются).

От сжимающих сил материал элементов (сталь, дерево, бетон, камень) укорачивается по направлению действия этих сил. Грунт под большим давлением, уплотняясь, вызывает осадку опор. От растягивающих сил материал удлиняется. Подобно этому возникает смятие в сопряжениях, скалывание или срез по сечению элемента и другие явления.

Величина деформации (укорочения, удлинения и т. д.) для данного материала тем больше, чем большая сила действует на него и чем меньше поперечное сечение элемента.

Иначе говоря, деформация зависит от напряжения. Под напряжением понимают величину внутренней силы, отнесенной к единице площади сечения, на которую действует сила. Силу чаще всего выражают в тонна-силах или килограмм-силах; площадь — в квадратных сантиметрах. За единицу напряжения обычно принимают — кге/см².

Для экономии материалов целесообразно уменьшать сечения элементов, повышая напряжения. Но возможность увеличения напряжений ограничена механическими свойствами материала.

Значительные напряжения могут привести к чрезмерным деформациям сооружения, просадке пути под поездами. Дальнейшее увеличение напряжений до значения, при котором данный материал разрушается, или, как говорят, до временного сопротивления, т. е. предела прочности, угрожает полным обрушением конструкций. Практически недопустимо не только разрушение конструкций, но и даже осложнение эксплуатации, например, из-за больших прогибов и колебаний пролетных строений при проходе поездов.

Для нормальной эксплуатации конструкция по частям и в целом должна быть вполне надежной, т. е. достаточно прочной, устойчивой и жесткой, а мосты, кроме того, и выносливыми.

Под прочностью понимаютспособность материала конструкции сопротивляться силовым воздействиям — растяжению, сжатию и т. д. Прочность необходима для того, чтобы элементы при строительстве и эксплуатации не могли разорваться, переломиться, срезаться, недопустимо смяться, раздробиться при сжатии. Но одной прочности недостаточно. Так, вполне прочная, но узкая и высокая колонна (опора), не закрепленная внизу или вверху, т. е. неустойчивая, будет опрокинута, например, ветром.

Следовательно, конструкция должна быть устойчива против опрокидывания, а также сдвига в сторону или скольжения.

Различают еще устойчивость против выпучивания вследствие большой гибкости.

Например, из двух стержней одинакового сечения, но разной длины, более длинный, а следовательно, и более гибкий стержень при сжатии с концов опасен внезапным катастрофическим выпучиванием вбок. Чтобы этого не произошло, элемент должен быть достаточно жестким.

Устойчивость,таким образом, необходима для того, чтобы положение конструкции в целом иее отдельных элементов относительно друг друга и в пространстве не изменилось до опасного в период монтажа и службы сооружения.

Жесткостью должны обладать не только сжатые, но и растянутые элементы, а также вся конструкция во избежание недопустимых прогибов, провесов и колебаний под поездами.

Поездная нагрузка характерна тем, что она действует периодически, многократно повторяясь в период службы сооружения до нескольких миллионов раз. В элементах конструкции при проходе поезда изменяется не только величина усилия от меньшего до большего значения, но для некоторых элементов растяжение сменяется сжатием и наоборот. Такие элементы, испытывающие, как говорят, знакопеременные усилия,находятся в особо неблагоприятных условиях работы.

Вполне очевидно, что, если например, приложенная к упругому элементу сила вызовет лишь изгиб его без разрушения, то, действуя той же силой, многократно сгибая и разгибая тот же элемент, можно вызвать в нем сначала надрыв (трещину), а затем и полное разрушение элемента.

И если сечение и прикрепление этих элементов не рассчитаны на такую работу, то в них со временем появляются трещины от усталости,расстраиваются наиболее напряженные заклепки.

Та же переменная нагрузка, в отличие от постоянной, вызывает прогрессивное развитие уже возникших трещин и иных дефектов, а в сооружениях, как известно, появляются и неусталостные трещины, например, в бетонных конструкциях из-за усадки (т. е. сокращения объёма) при твердении бетона, в дереве — от усушки древесины. Не всякие трещины влияют на прочность, но в большинстве случаев они снижают долговечность сооружения. Трещины, например, в железобетонных конструкциях открывают доступ для проникания влаги внутрь элемента к арматуре, вызывая ее ржавление.

Поэтому мосты должны быть не только прочны, устойчивы и жестки, но и достаточно выносливы в работе под поездами и долговечны.

Надежность конструкций проверяют расчетом.Рассчитывая сооружение, исходят из того, что напряжения от нормативных нагрузок с учетом возможных перегрузок, а также деформация отдельных частей и всей конструкции при самом неблагоприятном, но практически возможном их загружении не должны превосходить установленных норм. Наряду с нагрузками (стр. 18) нормированы сопротивления для различных материалов, применяемых в сооружениях, и грунтов, наибольшие величины деформаций, в частности, прогибов конструкций под нагрузкой, а также максимальные гибкости элементов. Установлены и другие требования для проектирования.

С 1963 г. расчет мостовых конструкций выполняют исходя из так называемых предельных состояний. Под предельными понимают такие состояния конструкции, по достижении которых дальнейшая эксплуатация сооружения становится невозможной (например, из-за разрушения по прочности) и даже затруднительной (в частности, из-за больших прогибов или колебаний пролетных строений). Гарантия от наступления таких состояний или необходимый запас обеспечивается расчетом. Для этого нормативные значения нагрузок и сопротивлений материала, принимаемые также предельно возможными, вводят в расчет с установленными запасами (в виде коэффициентов) на случай вероятного в известных размерах отклонения реальных нагрузок, сопротивлений и условий от нормативных.

Таковы, в частности, коэффициенты перегрузки. Они учитывают несовпадение величин реальных нагрузок с их нормативными значениями. Например, для подвижной нагрузки не исключено, что максимально допустимая масса груза на подвижном составе будет неодинаково распределена между колесными парами под грузом. Коэффициент перегрузки дифференцирован. Так, нормативную поездную нагрузку (с учетом динамического воздействия) в необходимых случаях умножают на коэффициент, равный 1,1—1,3. Большее значение коэффициента соответствует меньшей длине загружения, при которой перегрузка оказывается значительнее.

В качестве нормативного сопротивления мостовой стали принят предел текучести, равный 2400 кгс/см². При нем сталь начинает как бы течь до известной границы даже без увеличения нагрузки. В таком состоянии сталь еще далека от полного разрушения (разрыва), наступающего при временном сопротивлении, равном 3800—4700 кгс/см², и, следовательно, до разрушения еще может воспринимать нагрузку. Однако проявление текучести влечет за собой большие остаточные деформации.

Таким образом, для работы мостовой стали предельным состоянием является не полная утрата ею способности воспринимать нагрузку, а лишь наступление пластических деформаций, ухудшающих конструкцию.

Значения напряжений, фактически вызывающих текучесть стали, различны: от 2100 до 3500 кгс/см² при нормированном 2400 кгс/см². Возможность отклонения (в сторону снижения) предела текучести реальной стали от нормативного сопротивления учитывают умножением последнего на коэффициент однородности материала, равный для мостовой стали 0,9.

Рис. 26. Системы мостов:

а — балочная; б — арочная распорная и схема арки, не закрепленной в опорах; в — арочная безраспорная; г — висячая; д — рамная

Несущая способность конструкции определяется, во-первых, значением напряжений, которое ограничивается нормативным сопротивлением, а во-вторых, сечением элементов, участвующих в работе конструкции. Не исключено, что фактические сечения могут оказаться меньше расчетных и, следовательно¹, напряжения превысят нормативное сопротивление. Чтобы этого не произошло, вводят еще так называемый коэффициент условий работы (равный 0,9), который учитывает и некоторые другие отклонения.

Расчет по предельным состояниям благодаря дифференцированному учету и анализу условий эксплуатации, применению расчлененных коэффициентов запаса позволяет эффективнее использовать строительный материал и создавать более экономичные сооружения необходимой грузоподъемности, а это важно, так как сооружение должно быть вполне надежным на весь период его расчетной эксплуатации и вместе с тем без завышенных запасов.

В любом сооружении нагрузка, как отмечено, вызывает внутренние силы, но в то же время каждый нагруженный элемент действует на другие смежные с ним части конструкции или грунта, получая с их стороны противодействие.

Так, рельсовый путь воспринимает и передает действие нагрузки поездов на балки проезжей части и несущие их другие элементы пролетного строения; пролетное строение в тот же момент суммарными силами от поезда и собственного веса взаимодействует через опорные части с опорами; подобно этому и опоры, испытывая всю приходящуюся на них нагрузку дополнительно к их весу взаимодействуют ею с грунтом основания.

Напряженное состояние конструкции, взаимодействие элементов, как и частей сооружения, свойственно всем конструкциям мостов. Однако характер и направление действия сил зависит от системы сооружения. Наиболее распространена балочная система мостов (рис. 26, а). В них пролетные строения из балок или ферм (см. рис. 16) свободно оперты на опоры. Под вертикальной нагрузкой, условно показанной на рис. 26 стрелками, такие балочные пролетные строения действуют на опоры, а последние — на грунт только вертикальными силами. По закону механики действие этих сил встречает равное по величине противодействие опор и грунта, т. е. реактивные силы, направленные вверх, в противоположность активным силам нагрузки, действующим вниз.

Принципиально отличны от балочных арочныемосты (рис. 26, б). Их основой является криволинейный брус — арка. Под действием вертикальной нагрузки гибкая арка,, если не закрепить ее концы от сдвига, будет разгибаться с неизбежной раздвижкой концов в стороны. Чтобы этого не произошло, опоры должны противодействовать такому распору и вертикальному давлению арки не только вертикальными реактивными силами, но и горизонтальными, направленными внутрь пролета. Из-за необходимости противодействия распору быки и особенно устои в арочных мостах более громоздки, чем в балочных. Исключением являются однопролетные арочные мосты, упертые по концам в высокие скалистые берега (стр. 83).

Горизонтальную силу в арочных мостах, т. е. распор, можно погасить не только опорами, но и затяжкой, стягивающей оба конца арки вместе (рис. 26, в). В таком виде арка по воздействию на опоры и на их основание не отличается от балочного моста. 'Благодаря затяжке арка становится внешне, т. е. относительно опор и основания, без распорной.

В отношении распора арочные мосты аналогичны висячимавтодорожным мостам (рис. 26, г). Их основной несущий элемент — гибкие цепи или кабели — также криволинеен. К ним подвешена проезжая часть. Цепи по концам оперты на высокие опоры — пилоны — и закреплены оттяжками от смещения распором внутрь пролета под действием нагрузки. Оттяжки должны быть надежно заделаны (заанкерены) внизу так, чтобы нагруженные цепи не могли вырвать их из заделки.

По действию пролетного строения на опоры к арочным распорным мостам приближаются рамныемосты (рис. 26, д). Особенность рамных мостов составляет жесткое (неизменяемое) соединение балок (называемых в рамах ригелями) со стойками опор в одну конструкцию — раму. Ее стойки, опертые на фундаменты, под действием вертикальной нагрузки на ригеле, вызывают реакцию не только вертикальную, но и горизонтальную, равную распору рамы подобно распору арки.

Балочные, арочные, висячие и рамные мосты различаются, таким образом, характером работы под нагрузкой, или, как принято говорить, статическими свойствами. Эти свойства, как увидим далее, определяют конструктивные особенности мостов.

Помимо различия в действии пролетных строений на опоры, различна работа и самих пролетных строенийпод нагрузкой. Балки и балочные фермы под (вертикальной нагрузкой прогибаются, т. е.

испытывают действие изгиба. Арки и рамы дополнительно к изгибу подвер-

гаются сжатию поскольку их распору противодействуют опоры, причем сжатие в арочных мостах значительнее и характернее изгиба, что позволяет выполнять арки даже из камня.. Цепи висячих мостов, напротив, всецело растянуты, как и прикрепленные к ним подвески, несущие проезжую часть с проходящей нагрузкой. Так как эта нагрузка вызывает изгиб всякого пролетного строения, причем изменяющийся по мере продвижения нагрузки, а гибкие цепи не могут препятствовать такому изгибу, то проезжую часть висячих мостов для повышения жесткости обычно выполняют с главными балками (или балочными фермами), подобными балочным пролетным строениям.

Такие системы из балок жесткости в сочетании с цепью, а чаще с гибкой аркой, поставленной сверху или снизу балок, называют комбинированными. Однако под железную дорогу применяют системы, комбинированные с гибкой аркой (стр. 118); висячие мосты все же не обладают требуемой для поездов жесткостью и применяются лишь под автомобильную дорогу и как пешеходные.

Пролетное строение,как указывалось на примере балочного моста (стр. 15), представляетсобой пространственную конструкцию, в которой две главные фермы (или балки) объединены связями, а также поперечными балками (или плитой) при наличии проезжей части. Причем продольные связи, выполняемые в виде решетки из стержневых элементов и прикрепленные к поясам главных вертикальных ферм, образуют в свою очередь, но вместе с теми же поясами верхнюю и нижнюю горизонтальные фермы. Они противодействуют изгибу пролетного строения, в частности, боковыми силами, например, ветром, действующим поперек моста как на пролетное строение, так и на расположенный на нем подвижной состав.

Нередко поэтому горизонтальные связи ферм называют еще ветровыми.

В балках и балочных фермах при изгибе силами Р (рис. 27) верхние пояса укорачиваются и, следовательно, испытывают сжатие, нижние, наоборот, удлиняются, что указывает на их растяжение. В элементах решетки в зависимости от месторасположения их, а иногда и временной нагрузки возникает сжатие или растяжение. Пролетное строение, изгибаясь, несколько повертывается в опорных узлах. Соответственно этому опорные части,предназначенные для передачи давления с ферм на опоры и закрепления пролетного строения на опорах, благодаря их особому устройству (стр. 109) обеспечивают возможность деформаций пролетного строения под временной нагрузкой и с изменением температуры.