Строительство и архитектура \ Металлические мосты

Балочные пролетные строения с решетчатыми фермами, страница 2

Одноуровневое расположение балок обеспечивает минимальную строительную высоту пролетного строения. Двухуровневое расположение упрощает конструкцию узла соединения балок, но имеет и ряд существенных эксплуатационных недостатков:

- быстрое расстройство заклепок или болтов в сопряжении балок;

- изгиб и появление усталостных повреждений верхних поясов поперечных балок.

В современных пролетных строениях ж.д. мостов таких конструкций стараются избегать, однако в автодорожных мостах это решение возможно.

При наличии нескольких путей поперечные балки испытывают значительно большие нагрузки, чем продольные. Поэтому их высота бывает больше, чем у продольных балок. В этом случае применяют балочную клетку, показанную на рис 7.6 б.

Схемы решеток главных ферм и связей.

Балочное пролетное строение работает по законам строительной механики независимо от того сплошностенчатое оно, или решетчатое.

Усилия от действующего момента воспринимают в основном пояса, а от поперечной силы – элементы решетки (раскосы).

Исходя из этого, при эскизных расчетах усилия в поясах определяют по формуле:

Sп=Мб/h

Усилия в раскосах – по формуле Sр=Qб/cos α

Мб – балочный изгибающий момент в интересующем сечении;

Qб – соответствующая поперечная сила в том же сечении;

h – расчетная высота фермы (расстояние между осями верхнего и нижнего пояса);

α – угол наклона раскоса к вертикали.

Достоверно судить о характере работы каждого элемента фермы можно только по линиям влияния усилий в элементе. Предположение о работе элементов ферм только на осевых усилиях основано на гипотезе шарнирности узлов и строго узловом приложении нагрузки. Это предположение было сформулировано в середине XIX века. Оно основывалось на невозможности без вычислительной техники выполнять расчеты ферм как рамных конструкций, имеющих три неизвестных в каждом сечении (Момент, продольную и поперечную силу). Вместе с тем предположение шарнирных узлов у ферм дает достаточно точные результаты даже сегодня. Это связано с большой длиной элементов ферм h/l≥15, поэтому реальные изгибающие моменты и поперечные силы в элементах ферм пренебрежимо малы по сравнению с продольными усилиями (разница на 2 порядка). Кроме того, при заклепочных соединениях, которые широко применялись в то время, соединения элементов ферм с фасонками имели некоторую податливость, обусловленную наличием разности диаметров отверстия и заклепки. Таким образом создатели теории расчета ферм как шарнирных статически-определимых систем были в основном правы.

Сегодня мы имеем возможность выполнять расчеты ферм как рамных конструкций, с учетом всех компонент напряженного состояния, однако практически этот учет никак не влияет на подбор сечений. Потому, что при узловой передаче нагрузки влияние жесткости прикрепления элементов к узлам дает не более 10…15% добавки напряжений в элементах и почти не влияет на прикрепление к узлу.

Очертание поясов существенно влияет на распределение и значение усилий в элементах ферм, определяет их конструктивные, технологические и эксплуатационные качества.

Фермы с полигональными поясами наиболее рациональны, т.к. близки к балкам равного сопротивления и имеют минимальную длину элементов решетки. Однако при этом много типоразмеров элементов и узлов, высокая трудоемкость и стоимость изготовления и монтажа.

Фермы с параллельными поясами имеют большую массу стали, чем полигональные, но при этом меньше трудоемкость и стоимость изготовления и монтажа при однотипных элементах и узлах.

Кроме раскосов в решетку фермы можно вводить дополнительные элементы – стойки, подвески, распорки, шпренгели и т.п. детали, служащие для уменьшения свободной длины элементов. Это необходимо для уменьшения сечения тех элементов, у которых свободная длина достаточно большая и гибкость элемента, соответственно, также велика. Чем больше гибкость, тем меньше коэффициент продольного изгиба φ, от которого зависит устойчивость элемента.

Увеличение числа основных элементов простой треугольной решетки ведет к образованию различных других типов решеток – раскосной, ромбической, многорешетчатой и др.

На схеме показаны следующие виды решеток:

а) треугольная;

б) треугольная со стойками и подвесками;

в) треугольная со стойками;

г) треугольная шпренгельная;

д) раскосная (с растянутыми раскосами и сжатыми стойками);

е) раскосная (со сжатыми раскосами и растянутыми стойками);

ж) полураскосная (целесообразна при большой высоте фермы);

з) многораскосная (при большой высоте);

и) ромбическая;

к) двойная треугольная (двурешетчатая);

л) крестовая;

м) многорешетчатая (устаревшее решение);

н) двойная треугольная с полуподвесками и полустойками;

о) ромбическая с полуподвесками;

п) ромбическая с полуподвесками и полустойками;

р) безраскосная ферма (ферма Веренделя).

Работа пролетного строения как пространственной системы.

Наличие продольных балок, длина которых под нагрузкой остается практически неизменной, препятствует свободным перемещениям поперечных балок и вызывает их изгиб в горизонтальной плоскости. Наибольшие изгибающие моменты возникают в крайних поперечных (домкратных) балках.

В результате совместной работы балочной клетки, нижних продольных связей и поясов ферм в продольных балках появляются дополнительные растягивающие усилия, а с элементов ездовых поясов часть осевых усилий снимается.

Раньше инженеры стремились исключить добавочные усилия в продольных балках от их совместной работы с пролетным строением. Для этого, например, устраивали в них разрывы с продольно-подвижным сопряжением балок. Изгиб поперечных балок в этом случае меньше, но усложняется конструкция балочной клетки.

В месте стыка возникают ударные усилия при проходе поездов, ухудшаются условия работы рельсового пути.

Для уменьшения горизонтального изгиба поперечных балок конструктивно соединяли продольные балки и нижние продольные связи при помощи специальных тормозных рам (рис. 7.12а). Тормозные рамы размещали в середине каждого из участков, ограниченных разрывами продольных балок.

Имеется и принципиально иное решение для уменьшения изгиба поперечных балок – включение продольных балок в совместную работу с поясами на всем протяжении и учет этого в расчетах. Для этого устанавливают по концам пролетного строения горизонтальные диафрагмы, жестко связывающие пояса главных ферм с поперечными балками (рис. 7.12б).

Другое решение см. (рис. 7.12в). У концов пролетного строения прикрепляют к продольным балкам диафрагмы из усиленных диагоналей продольных связей и распорок между ними, которые одновременно работают как тормозные рамы.

Степень включения продольных и поперечных балок, продольных и поперечных связей в работу пролетного строения как пространственной системы может быть оценена только при помощи пространственного расчета