Конструкции пролётных строений со сквозными фермами.

В металлических мостах средних и больших пролетов, как правило, применяют пролетные строения со сквозными фермами и массивные опоры.

Сквозная ферма с полигональным верхним поясом: криволинейный по параболе

 

 

 

 

Конструктивно сквозная ферма имеет главные фермы, продольные и поперечные связи.

Рис. 3.16 а – общий вид фермы; б – ферма; в – поперечные связи; г – продольные связи; д – продольные и поперечные балки проезжей части; е – мостовое полотно

 

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: раскосов, 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. 3.17).

Рис. 3.17. 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; n — количество панелей; l — длина пролетного строения; h — высота фермы.

 

Основные расчетные размеры главных ферм:

 Расчетный пролет фермы – расстояние между центрами опорных узлов по горизонтали. Принимается от 33 до 110м, кратным 11м.Для пролетных строений железнодорожных мостов он принимается от 33 до 110 м, кратным 11 м, а также 127,4; 144,8; 158,4 см.

Высота главных ферм – 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 – расстояние между центрами соседних узлов пояса. 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°.

 

Рис. 3.18. Основные части пролетного строения:

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

 

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.

Сквозная ферма с параллельными поясами

 

Применяются также фермы с полигональным верхним поясом и треугольной решеткой.

 

Для уменьшения длины панели в фермах больших пролетов используются шпренгели (понизу).

 

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.

Главные фермы имеют раскосную, ромбическую, треугольную, шпренгельную и другие решетки (рис.  3.19). 

Рис. 3.19. 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

 

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.

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.

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 иугол наклона раскосов при большой высоте ферм. Для уменьшения свободной длины сжатых панелей верхнего пояса подвески шпренгеляпродолжаются до верхнего пояса, а для уменьшения свободной длины стоек и подвесок ставятся горизонтальные стяжки.

 

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. Элемент состоит из набора уголков и листов необходимых размеров и в определенном количестве, объединенных в неизменный стержень. В современных пролетных строениях наиболее применимыми являются сечения коробчатой и Н-образной формы.

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 большую жесткость при изгибе и кручении, они экономичны по расходу стали, менее подвержены коррозии, но сложны в изготовлении. 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.

 

Элемент фермы коробчатого сечения

 

Н-образные сечения состоят из двух вертикальных и одного горизонтального листа, соединенных сваркой. Преимуществом их является простая открытая конструкция, удобная для изготовления. Недостатки этих сечений состоят в: возможности загрязнения и необходимости частой очистки и окраски горизонтальных элементов; опасности быстрой коррозии стали; меньшей жесткости относительно горизонтальной оси. Поэтому Н-образные сечения применяются для наклонных и вертикальных элементов, воспринимающих небольшие нагрузки.

Элемент фермы Н-образного сечения

 

Рис. 3.20. Сечение поясов сквозных ферм:

а — швеллерное; б — коробчатое; в — П-образное и швеллерное; г — двутавровое Н-образное; д — одностенчатое; е — коробчатое

Рис. 3.21 Сечения решеток ферм:

а, б – швеллерные; в – двутавровые; г,д – плоские; е,ж,з - уголковые

 

Узлы главных ферм представляют собой соединения концов элементов, оси которых сходятся в одной точке — центре узла (рис. 3.22). К узлам ферм прикрепляются поперечные балки и элементы связей. Концы элементов ферм соединяются при помощи фасонных листов: фасонок-накладок, фасонок-вставок, фасонок-приставок. Фасонки должны быть простой формы, минимальных размеров и толщиной не менее 12 мм.

Рис. 3.22. Конструкция узла ферм:

1- нижний пояс фермы; 2- стойка; 3- раскос; 4- фасонка

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.

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

 

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.

 

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.

Портал пролётного строения.