Соединение элементов металлических пролетных строений

Мосты, построенные в различное время, отражают уровень инже­нерных знаний и опыта, накопленного к моменту их возведения. Мосты — сооружения долгосрочной эксплуатации, срок службы которых дос­тигает 100 лет и более. В связи с этим на дорогах страны эксплуа­тируется немало металлических мостов, построенных в XIX—XX вв, которые, как правило, имеют клепаные пролетные строения.

Соединение на заклепках. До определенного времени самым распро­страненным в металлических мостах являлось соединение элементов на заклепках (рис. 7.2, 7.3). С 1930 г. в отечественном мостостроении стала применяться сварка. Используются и болтовые соединения на высоко­прочных болтах. Сварка и появившиеся в 60-е годы особого вида высо­копрочные болты сузили применение заклепочных соединений. При всех способах задача состоит в том, чтобы не только соединить отдельные час­ти, но и обеспечить передачу усилий от одного элемента другим (усилия в элементах мостов достигают не­скольких сотен, даже тысяч килонью-тонов).

Соединения включают требуемое число заклепок, болтов или свароч­ных швов, расположенных в целесо­образном порядке. В заклепочном и болтовом соединениях усилия пере­дают стержни, вставленные в отвер­стия элементов и снабженные по кон­цам головками, которые препятству­ют размыканию элементов.

Части клепаных конструкций со­единяют заклепками с полукруглыми головками. Заклепки штампуют на заводах из круглой стали с головкой на одном конце стержня. В скле­пываемом пакете заводская головка называется закладной, а головка, об-

разующаяся в результате клепки конца стержня, — замыкающей. Диа­метр стержня заклепки в холодном состоянии должен быть на 1 мм меньше диаметра заклепочного отверстия. В мостах обычно применя­ются отверстия диаметром 20, 23, 26 мм. Длина заклепки назначается равной толщине склепываемого пакета и части стержня, необходимой для образования замыкающей головки; при этом наибольшая полезная длина заклепки не должна превышать 4,5 d. В конструкциях различают два вида заклепок: рабочие и связующие. Рабочие передают усилия от одной части элемента к другой, а связующие заклепки служат для со­единения элемента. Заклепки, поставленные на заводе при изготов­лении конструкции, называются заводскими, а поставленные при мон­таже конструкции — монтажными. В зависимости от характера работы заклепочного шва соединения могут быть внахлестку или встык с одной или двумя накладками. Заклепки, соединяющие два листа или уголка внахлестку, называются односрезными. Если два листа соединены меж­ду собой встык, а стык перекрыт с обеих сторон накладками, через ко­торые передаются усилия, то заклепки имеют две плоскости среза и на­зываются двухсрезными.

Кроме работы «на срез», заклепки работают «на смятие». Происхо­дит смятие стержня заклепки или стенки заклепочного отверстия в за­висимости от того, какой из материалов (заклепки или листа) менее тверд.

Заклепка в горячем состоянии вкладывается в заклепочное отверстие и ее свободный конец расклепывается в замыкающую головку. При ос­тывании заклепки стержень ее укорачивается, в результате обе головки плотно сжимают склепываемые элементы. В мостовых конструкциях заклепки размещаются в ряд или в шахматном порядке. Расстояние ме­жду двумя соседними заклепками называется шагом заклепок.

В уголках заклепки размещают так, чтобы головка заклепки полнос­тью размещалась на полке, а до начала выкружки уголка и при клепке пневматическим молотком поддержка (обжимка) сохраняла нормальное (без наклона) положение.

Соединение на высокопрочных болтах. В стыках и узлах ферм при монтаже пролетных строений вместо монтажных заклепок устанавли­вают высокопрочные болты (рис. 7.4). Эти соединения передают усилия только силами трения, возникающими по контактным плоскостям со­единяемых элементов, поэтому их называют фрикционными. Фрикци­онные соединения имеют простую конструкцию, сравнительно малую трудоемкость, меньшую (по сравнению с заклепочными) концентрацию

напряжений, лучшую работу на многократно повторяемую нагрузку, высокую надеж­ность и поэтому являются ос­новным видом монтажных соединений стальных мосто­вых конструкций. В этих со­единениях болты подверга­ются большему предвари­тельному напряжению, и по соприкасающимся поверхно­стям соединяемых элементов в результате возникают большие силы трения, способные полностью передавать усилия, дей­ствующее в соединяемых элементах. Сильное обжатие высокопрочны­ми болтами, исключает образование в соединениях щелей и неплотнос­тей, что повышает эксплуатационные качества сооружений.

Высокопрочные болты изготавливают из стали марок 40Х, 38ХС с последующим термоупрочнением.

Болты свободно вставляются в монтажные отверстия, так как диа­метр отверстий на 2—3 мм больше диаметра стержня болта. Для пре­дохранения основного металла от смятия под гайки и головки болтов ставятся штампованные круглые шайбы диаметром 55 мм и толщиной 6 мм, изготовленные из Ст3 и подвергнутые цементации для увеличения их твердости.

Соединения на обычных болтах. Для соединения элементов мосто­вого полотна, тротуаров, перил, смотровых приспособлений, а также для крепления опорных частей применяются обычные болты повышен­ной, нормальной и грубой точности. В болтах повышенной точности допуск в размере диаметра болта составляет 0,4+0,6 мм. В болтах нор­мальной и грубой точности допуск от 2 до 5 мм. В этих соединениях усилия передаются стержнями болтов, вызывая в них напряжения среза и смятия. Высокопрочные и обыкновенные болты располагают в соеди­нениях возможно более компактно.

Расстояния между центрами соседних болтов должны быть: мини­мальное в любом направлении для высокопрочных болтов — 2,5d, для обычных — 3d; максимальное в любом направление в крайних рядах — 7d, в средних рядах — 24t, где t — толщина наиболее тонкой детали, расположенной снаружи пакета.

Расстояния от центра болта до края элемента — 1,5d.

Сварные соединения. По своему назначению сварные швы разделя­ются на рабочие и связующие. Рабочие швы воспринимают расчетные усилия. Связующие швы служат для соединения элементов и при­крепления конструктивных деталей (ребер жесткости, диафрагм и т.п.). Размеры связующих швов принимаются минимальными.

По протяженности швы могут быть сплошными и прерывистыми. Наиболее распространенным видом сварных швов является соединение встык. Применяют также соединения внахлестку, с накладками, в тавр (впритык).

При соединениях встык эле­менты соединяются своими торцами. В зависимости от толщины листов и подготовки кромок различаются следую­щие виды швов: бесскосный, V-образный, Х-образный, U-образный.

После обработки кромок под сварку зазор между свари­ваемыми элементами принима­ется 2—4 мм (рис. 7.5).

При сварке встык шов мо­жет располагаться перпендику­лярно действующим силам — он называется прямым, или под углом, от­личающимся от 90°, — такой шов назы­вается косым. Соединение внахлестку осуществляется угловым или валиковым швом. Если шов располагается параллель­но действующим силам, такой шов назы­вается фланговым, а если перпендикуляр­но — лобовым (рис. 7.6, 7.7).

Соединения с накладками осуществля­ются валиковым швом. Они проще в ис­полнении, так как не требуют обработки кромок, но работают хуже, чем стыковые соединения.

Соединения впритык (в тавр)
осуществляется угловыми шва­
ми. Сварка элементов может
проводиться автоматической,
полуавтоматической или ручной
электросваркой. Листы толщи­
ной более 30 мм в вертикальном
или наклонном положение сва­
риваются электрошлаковым
способом. Ручная сварка произ­
водится электродами с толстым
покрытием (обмазкой) и только
в труднодоступных метах или
потолочных швах.
Применение электросварки снижает расход стали и трудоемкость из­
готовления конструкций мостов.

Изобретение электросварки российскими инженерами — учеными Николаем Николаевичем Бенардосом и Николаем Гавриловичем Славя-новым — относится к 1885—1891 гг. Их изобретение сначала широкого применения не нашло. Использование электросварки в отечественном мостостроении началось в 30-е г. XX в. Первая лаборатория электро­сварки в России была создана в 1925 г. во Владивостоке В.П. Володи­ным. Инициаторами внедрения электросварки в мостостроение были выдающиеся ученные в этой области академики Е.О. Патон и Г.П. Пе­редерни. Е.О. Патон возглавил организованный на Украине в 1934 г. Институт электросварки. Он разработал научные основы сварки и про­ектирование сварных конструкций.

В 1932 г. на Калининской железной дороге был построен первый железнодорожный мост со сварными фермами пролетом 12 метров. Ре­конструированный по проекту Г.П. Передерия и архитектора А.В. Нос-кова мост лейтенанта Шмидта через Неву в Ленинграде стал первым цельносварным мостом в России. Старые чугунные пролетные строения моста были заменены сварными неразрезными балками коробчатого се­чения шириной 1,2 м, высотой до 2,2 м и толщиной листов 16—53 мм. Схема разбивки балок на пролеты 35,2+41,3+44,8 м с каждой стороны разводного пролета, расположенного в середине реки. При реконструк­ции моста в 1939 г. в сопряжение элементов пролетного строения не было поставлено ни одной заклепки.