Область применения. Характеристика стальных мостов
Стальными называются мосты, главные пролетные строения которых выполнены из стали. Опоры их могут быть из бетона, железобетона и других материалов. Строительные стали обладают высокой прочностью, пластичностью и ударной вязкостью, поэтому стальные мосты имеют наибольшие пролеты и надежно работают под тяжелыми динамическими нагрузками. Уже к последней четверти XX в. длина пролетов металлических мостов достигала 1400 м, а длина пролетов железобетонных мостов превышала 300 м. Стальные пролетные строения имеют различные статические схемы и разнообразные конструктивные формы. Они легко расчленяются на крупные блоки или элементы, удобные для изготовления, перевозки и монтажа. Масса стальных пролетных строений значительно меньше соответственных железобетонных, что уменьшает нагрузку на опоры мостов, снимает транспортные расходы. К преимуществам стальных пролетных строений мостов относятся возможность максимальной индустриализации их изготовления на заводах, применение автоматической электросварки, высокая степень готовности конструкций, комплексная механизация и малая трудоемкость монтажа различными способами в любое время года и в очень короткие сроки. Стальные пролетные строения имеют длительные сроки службы. Они могут быть сравнительно просто усилены при возрастании временной подвижной нагрузки. Основным недостатком таких пролетных строений является коррозия металла. Применение антикоррозийных сталей и специальных покрытий, а также тщательный надзор за состоянием металла в процессе эксплуатации, устраняют этот недостаток. Стальные мосты сооружают в районах с любыми климатическими условиями. На железных дорогах нашей страны они составляют более 50 % протяженности всех мостов.
Металлические мосты различаются по конструкции пролетных строений, роду езды, статической схеме, по способу соединения конструктивных элементов.
По конструкции пролетные строения бывают двух видов: со сплошной стенкой и со сквозными фермами; большие пролеты выгоднее перекрывать сквозными фермами, а малые — балками со сплошной стенкой. При современных технологиях сплошностенчатые балки оказываются более экономичными в пролетах до 80—100 м.
По роду езды различаются пролетные строения с ездой поверху и ездой понизу. По статической схеме пролетные строения разделяются на балочные (разрезные, неразрезные, консольные), арочные, рамные, ванто-вые и висячие. Наиболее распространенными являются балочные пролетные строения с разрезными сквозными фермами, перекрывающие пролеты до 160 м. Пролетные строения с неразрезными и консольными фермами применяют главным образом на крупных реках и в путепроводах. Арочные металлические мосты применяются на железных дорогах так же широко, как и балочные. Висячие мосты в нашей стране применяются в основном на автомобильных дорогах. В конце XX в. получили широкое распространение вантовые, балочно-рамные и рамные мосты.
По способу соединения элементов пролетные металлические строения могут быть клепаными, клепано-сварными, цельносварными, на высокопрочных болтах и на обычных болтах.
Применение стальных мостов должно быть обосновано технико-экономическими расчетами. Стальные мосты целесообразны при больших пролетах, так как большие пролеты сокращают количество опор, что при высоких опорах и глубоких фундаментах существенно снижает объемы работ, сокращает продолжительность и стоимость строительства.
Главными задачами в области проектирования и строительства стальных мостов являются: широкое внедрение высокопрочных сталей, снижение расхода металла, укрупнение элементов пролетных строений при изготовлении их на заводах, упрощение монтажных стыков, дальнейшее совершенствование электросварки и технологии заводского изготовления и монтажа стальных конструкций пролетных строений.
Сталь для мостов
Для конструкции мостов, работающих на многократно повторяющиеся тяжелые динамические нагрузки, применяют высококачественные углеродистые или низколегированные мартеновские и конверторные горячекатаные стали, удовлетворяющие требованиям СНиП и ГОСТов.
По стандарту марка углеродистой стали обыкновенного качества обозначается буквами Ст и цифрами от 0 до 7. Качественные углеродистые стали маркируются двухзначными цифрами, показывающими содержание углерода в сотых долях процента (0,8; 25 и т.д.) В обозначение марок кипящей стали добавляются «кп», полуспокойный — «пс», спокойной — «сп». Например: Ст3сп, Ст5пс, Ст2кп. В отличие от маркировки углеродистых сталей, буквы в марке низколегированных сталей показывают наличие в стали легирующих примесей, а цифры — их среднее содержание в процентах; предшествующие буквам цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента. Для маркировки стали каждому легирующему элементу присвоена определенная буква: кремний — С, марганец — Г, хром — X, никель — Н, молибден — М, вольфрам — В, алюминий — Ю, медь — Д, кобальт — К. Первые цифры обозначают содержание углерода в сотых долях процента, затем буквой указан легирующий элемент и последующими цифрами — его среднее содержание.
Углеродистая сталь — сплав железа с углеродом и незначительным количеством примесей, находящихся в руде.
Увеличение количества углерода повышает прочность, но снижает пластичность и свариваемость стали. В мостовых конструкциях применяют малоуглеродистые стали, содержащие не более 0,25 % углерода. Стали содержат вредные примеси: серу, фосфор. Сера уменьшает прочность стали, делает ее при температуре 800—1000 °С хрупкой (красноломкой), что влечет за собой появлений трещин при сварке. Фосфор резко уменьшает пластичность и ударную вязкость стали, делает ее хрупкой при отрицательных температурах (хладноломкой). В сталях для мостовых конструкций обычного исполнения содержание серы должно быть не более 0,035 % и фосфора — не более 0,035%.
В зависимости от способа выплавки и раскисления, стали делятся на спокойные (сп), полуспокойные (пс) и кипящие (кп). Спокойные стали обладают большей плотностью и однородностью строения. По условиям поставки углеродистые стали делятся на три группы: А, Б и В, а по нормируемым показателям качества — на шесть категорий. Например, марка ВСт3пс5 обозначает углеродистую сталь 3, группы В, полуспокойной выплавки и пятой категории.
Низколегированная сталь — сплав железа с углеродом и легирующими добавками (до 2,5 %), повышающими прочность, но несколько снижающими пластичность и вязкость стали. Низколегированные стали в зависимости от вида термообработки подразделяются на три категории:
1 — без термической обработки (сырая); 2 — нормализованная; 3 — термически улучшенная после закалки и высокого отпуска. Категория стали указывается цифрой после обозначения марки, например, 10ХСНД-2. Категория 1 не обозначается, а вместо цифры 3 иногда указывается минимальный предел текучести, например, 15ХСНД — 40. Применение низколегированных сталей обеспечивает снижение расхода стали на 15—18 % и сметной стоимости пролетных строений на 12— 15 % по сравнению с углеродистой сталью.
Марки стали. Мостовые конструкции изготавливают из сталей различных марок, отличающихся друг от друга химическими свойствами. Для основных несущих элементов пролетных строений применяют специальные стали марок 16Д, 15ХСНД, 10ХСНД всех категорий. Для второстепенных элементов мостовых конструкций применяются стали марок ВСт3, ВСт2, 09Г2С, 10Г2С, 14Г2 и др.
Свойства сталей. К сталям относятся железоуглеродистые сплавы содержащие до 1,7 % углерода. Стали характеризуются следующими основными свойствами: физическими, механическими, технологическими и химическими.
Важными свойствами являются: температура плавления, теплоемкость, теплопроводность, коэффициент температурного расширения.
Температура плавления — температура, при которой сталь из твердого состояния переходит в жидкое. Температура плавления железа — 1535 °С, но на температуру плавления влияют примеси. Например, чугун с содержанием 4,3 % углерода плавится при 1130 °С. Теплоемкостью называется отношение количества тепла, сообщенного телу, к изменению температуры тела. Теплопроводностью называется количество теплоты, проходящее через площадь поперечного сечения в единицу времени.
Коэффициент температурного расширения — показатель относительного удлинения стального образца при повышении температуры на 1 °С.
Механические свойства сталей характеризуются пределом прочности, пределом текучести, относительным удлинением, твердостью и ударной вязкостью. Предел прочности, предел текучести, относительное удлинение определяются испытанием образца (круглого или прямоугольного сечения) на разрывной машине.
Максимальное напряжение, при котором удлинение испытуемого образца (Δl) пропорционально приложенной к нему нагрузке (P), называется пределом пропорциональности. Деформации образца, в котором напряжения не превышают предела пропорциональности, являются уп-
ругими, т.е. при снятии нагрузки образец восстанавливает свою форму и размеры. При незначительном повышении нагрузки выше предела пропорциональности образец начинает вытягиваться (сталь «течет»), хотя нагрузка остается постоянной. Напряжение, при котором появляется текучесть стали, называется пределом текучести. Деформации, приобретенные образцом на этом этапе испытания, при снятии нагрузки не восстанавливаются, остаются, поэтому они называются остаточными или пластическими. При дальнейшем увеличении нагрузки наступает разрыв образца. Максимально достигнутое при этом напряжение в образце называется пределом прочности стали (временное сопротивление):
а =P/F0,
где σвр— временное сопротивление (предел прочности);
Р — нагрузка, соответствующая временному сопротивлению;
F0 — первоначальная площадь поперечного сечения образца, мм .
Относительное удлинение образца при испытании на разрыв (растяжение) характеризует пластичность стали, т.е. способность приобретать значительные остаточные деформации без разрывов и трещин:
(L — L0) AL
о = ^—l = —100,
L L
где δ — относительное удлинение образца;
L0 — первоначальное длина образца;
L1 — длина образца после разрыва;
L — абсолютное удлинение (L1 - L0 = L).
Испытания на растяжение являются основными при оценке механических свойств сталей, применяемых в строительстве.
Твердость — способность стали сопротивляться вдавливанию в нее других, более твердых тел.
Ударная вязкость — свойство сталей противостоять динамическим (ударным) нагрузкам.
Среди химических свойств стали наиболее важным является коррозийная стойкость, которая характеризует способность сталей сопротивляться разрушающему действию окружающей среды. Технологические свойства показывают способность сталей к обработке их давлением, резанием, литьем, сваркой и др.
Термическая обработка улучшает физико-механические свойства стали. Различаются следующие виды термической обработки стали: закалка, отпуск, отжиг, нормализация.
Закалка заключается в нагреве стали до 800—900 °С и быстром ее охлаждении в воде или масле. Закалка увеличивает прочность и твердость стали, но уменьшает ударную вязкость.
Отпуск закаленной стали — медленный ее нагрев до 200—350 °С, выдержка при этой температуре и медленное охлаждение на воздухе. При отпуске снижается твердость стали, но увеличивается ударная вязкость.
Отжиг — нагрев стали до определенной температуры, выдержка и медленное охлаждение в печи. Отжиг применяется для снижения твердости и повышения вязкости стали.
Нормализация стали — разновидность отжига. Нормализация повышает твердость, прочность и ударную вязкость стали.
В зависимости от механической прочности все стали подразделяются на семь классов, которые обозначаются буквой С (сталь) и числами, показывающими в числителе временное сопротивление, а в знаменателе — предел текучести стали (в кН/см2). Кроме того, стали делятся на три группы:
• обычной прочности — включающие малоуглеродистые класса С
38/23;
• повышенной прочности — низколегированные стали классов С 44/29, С 46/33, С 52/40;
• стали высокой прочности — термоупрочненные, класса С 60/45, С 70/60, С 85/75.
Для конструкции мостов применяют различные марки сталей в зависимости от назначения моста (железнодорожный, автодорожный, пешеходный и др.), типа исполнения (обычный или северный), вида элемента (несущий или второстепенный), способа монтажных соединений (сварка, высокопрочные болты), вида и толщины проката и других особенностей. При расчетной температуре воздуха Tmin до -40 °С применяются конструкции обычного исполнения. При расчетной температуре воздуха Tmin от -40 °С до -50 °С применяют конструкции северного исполнения типа «А», а для районов с Tmin -50 °С — северного исполнения типа «Б».
Дата добавления: 2021-09-07; просмотров: 446;