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 (Δ l) 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 σ_вр— временное сопротивление (предел прочности);

Р — нагрузка, соответствующая временному сопротивлению;

F ₀ — 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 — L ₀ ) A L

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 T _min до -40 °С применяются конст­рукции обычного исполнения. При расчетной температуре воздуха T _min от -40 °С до -50 °С применяют конструкции северного исполнения типа «А», а для районов с T _min -50 °С — северного исполнения типа «Б».

Сортамент прокатной стали

Мостовые конструкции изготавливают из горячекатаной стали, вы­пускаемой металлургическими заводами и удовлетворяющей требова­ниям ГОСТов и СНиП. Прокатка осуществляется в специальных про­катных станах, придающих металлу необходимый поперечный про­филь. Перечень размеров прокатываемых профилей, установленный ГОСТом, называется сортаментом.

Прокатная сталь делится на листовую и фасонную (профильную) (рис. 7.1).

Мостовая сталь толщиной от 4 до 60 мм прокатывается между вал­ками прокатного стана, поэтому она имеет неровные кромки. Ширина листов 1250—2600 мм, длина — до 4200 мм.

Широкополосная универсальная сталь прокатывается между четырь­мя валками стана, имеет толщину 6—60 мм, ширину 200—1050 мм и длину от 5 до 12 м. Универсальная сталь не требует продольной резки и строжки, что снижает стоимость изготовления конструкций.

Уголки равнобокие и неравнобокие являются распространенными видами профильной прокатной стали. Равнобокие уголки прокатывают­ся калибром от 40+40×3 до 250+2500×30 мм. В неравнобоких уголках одна полка в 1,5 раза шире другой; эти уголки прокатываются калибром от 50+32×3 до 250+160×20 мм. Длина уголков — до 19 м.

Двутавры бывают двух видов — обыкновенные и широкополочные. Обыкновенные двутавры изготавливают высотой от 100 до 700 мм, ши­рокополочные — высотой до 1000 мм.

В сортаменте номер двутавра указывает его высоту в сантиметрах. Ширина полок обыкновенного двутавра составляет около 0,3 его высо­ты, а широкополочных — 0,4—0,6 высоты. Двутавры изготавливаются длиной: обыкновенные от 5 до 19 м, широкополосные до 24 м.

В сортаменте номер швеллера обозначает его высоту в см. Швелле­ры прокатываются выстотой от 5 до 40 см и длиной до 19 м. Кроме ука­занных видов проката, в конструкциях применяется полосовая, круглая и другая фасонная сталь.

Рис. 7.1. Профили прокатной стали:

а — листовая сталь; б — равнобокий уголок; в — неравнобокий уголок;

г — обыкновенный двутавр; д — широкополочный двутавр; е — швеллер;

1 — обушок; 2 — выкружка; 3 — кромка; 4 — полка; 5 — стенка; а — ширина

полки; b — ширина полки швеллера; δ — толщина листа; h — высота двутавра,

швеллера