В отличие от пролетных строений ПСК унифицированные пролетные строения разбиты не на две, а на три серии, объединенные общностью размеров панелей, высот ферм и расстояний между осями ферм. Это позволило получить несколько более экономичные по затрате металла конструкции и в пределах каждой серии осуществить унификацию элементов. Во всех сериях принят одинаковый тип треугольной решетки со стойками и подвесками, что привело к сокращению числа узлов и количества элементов.
Величины пролетов приняты кратными модулю 11,0 м. Для случаев установки на опоры существующих .старых мостов предусмотрена возможность изменения размеров двух концевых панелей.
Применение треугольной решетки ферм для всех пролетов привело к значительным размерам панелей и большой длине элементов во II и III сериях. Для решения вопроса о наиболее выгодной форме сечения элементов ферм было произведено сравнение трудоемкости изготовления Н-образных и коробчатых сечений из двух ветвей швеллерного типа различной мощности. Трудоемкость изготовления определялась количеством связующих заклепок и телодыр, приходящихся на 1 пог. м длины элемента. Результаты сравнения приведены в табл. 5.
Согласно этим данным, Н-образные сечения выгодны при небольшой площади сечения (до 400—450 см2), когда в состав сечения входят только уголки и горизонтальный лист. С увеличением площади (при наличии вертикальных листов) количество связующих заклепок и телодыр получается большим, чем в коробчатом сечении. За Н-образным сечением сохраняется преимущество в возможности клепки всех заклепок на скобе.
Когда высота Н-образного сечения превышает 500 мм, клепка на скобе заклепок, связывающих уголки и горизонтальный лист, затрудняется ограниченным размером зева скобы.
При высоте вертикальных листов в Н-образном сечении до 420 мм радиус инерции сечения получается не более 10 см, что при существующих нормах гибкости позволяет использовать их для сжатых элементов со свободной длиной не более 10 м.
Отмеченные обстоятельства привели к рекомендации Н-образных сечений только для I серии. Обоим поясам и раскосам II серии, а также нижним поясам и раскосам III серии придается двухветвистое сечение с уголками, повернутыми выступающими полками внутрь; верхние пояса III серии приняты с уголками, повернутыми полками наружу. Стойки и подвески — Н-образного сечения.
Пролетные строения I серии не имеют принципиальных отличий от решений, принятых в 1944 г. ПСК.
Сохранение Н-образных сечений в I серии пролетных строений объясняется тем, что в процессе эксплуатации в первую очередь выходят из строя пролетные строения меньших пролетов, грузоподъемность которых в большей степени зависит от веса подвижной нагрузки (в суммарных напряжениях доля временной нагрузки у них большая). Рост временной нагрузки приводит к трму, что грузоподъемность металлических пролетных строений обычно исчерпывается раньше срока их естественного выхода из строя вследствие ржавления и механического износа. Поэтому при относительно небольших пролетах проектная организация сочла возможным применять пролетные строения с конструктивными и эксплуатационными недостатками, наличие которых не должно было отразиться на общем сроке службы этих пролетных строений.
Существенно отличаются от проектов ПСК конструкции пролетных строений II и III серий.
В пролетных строениях III серии фермы соединены верхними и нижними продольными связями крестовой системы, опорными поперечными связями в плоскости крайних раскосов и промежуточными поперечными связями в плоскости всех стоек. Стыки поясов главных ферм расположены через 11 м в центрах узлов. Ввиду большого размера панели главных ферм панель продольных связей назначена в 2 раза меньшей.
Расстояние в свету между узловыми фасонками (526 мм) установлено по ширине наиболее мощного элемента нижнего пояса и принято одинаковым для всех узлов обеих серий пролетных строений, в связи с этим в большинстве узлов между фасонками и вертикальными листами поясов располагаются прокладки. В опорном узле Н0 пролетного строения L = 110 м (рис. 155) эти прокладки показаны под № 1 и 2. Сечение опорного раскоса принято с уголками, повернутыми полками внутрь сечения, что упростило его прикрепление. Для выравнивания положения центра тяжести сечения, смещенного из-за наличия горизонтального листа нижние поясные уголки раскоса приняты большей площади, чем верхние.
Высота сечения нижнего пояса принята 770 мм с тем, чтобы толщина склепываемых пакетов в узлах не превышала допустимой величины в 4,5 диаметра заклепок. Последнее требование не удалось удовлетворить только в средних узлах, где толщина пакетов достигает 116 мм (5 d3).
В узле В1 (рис. 156) также потребовались прокладки в прикреплении слабого элемента пояса В1—В2. Высота сечения элементов верхнего пояса определилась условиями местной устойчивости вертикальных листов.
Высота сечений раскосов различна и изменение ее принято кратным размеру дорожки заклепок — 80 мм с тем, чтобы сохранить одинаковым рисунок заклепок во всех узлах. С этой же целью принято одинаковым или кратным 80 мм расстояние от центров узлов до первого ряда заклепок прикрепления всех раскосов.
Обращает внимание конструкция трубчатой распорки портальных связей, которая для облегчения пригонки собирается из отдельных ветвей, объединяемых при помощи диафрагм и планок.
Поперечные и продольные балки приняты одинаковой высоты.
Продольные балки (рис. 157) имеют в верхнем поясе горизонтальный лист, а в нижнем поясе только уголки, но более крупного калибра для выравнивания положения центра тяжести сечения. Из-за разной ширины поясов продольной балки различных размеров получались верхняя и нижняя «рыбки».
К верхним поясам продольных балок приклепаны уголковые коротыши, в вертикальных полках которых имеются отверстия для болтов, скрепляющих мостовые брусья с коротышами и препятствующих угону брусьев под действием тормозных сил.
Балки соединены верхними продольными связями и тремя системами поперечных связей, расположенных в плоскости распорок продольных связей. Для упрощения пригонки прикреплений продольных связей фасонки их крайних диагоналей не приклепываются к поясам поперечных балок. Прикрепление продольных балок к поперечным выполнено без прокладок между уголками прикрепления и вертикальной стенкой поперечной балки, что соответствует решению, принятому ПСК.
В целом конструкции унифицированных пролетных строений по сравнению с пролетными строениями ПСК отличаются улучшенными эксплуатационными качествами и экономичным расходом металла, но трудоемкость их изготовления на заводе значительно выше.
Проекты этих пролетных строений утверждены МПС в качестве типовых.
Одновременно с выпуском проектов унифицированных клепаных пролетных строений Трансмостпроектом были разработаны проекты клепано-сварных пролетных строений, у которых заводские соединения были сварными, а монтажные — клепаными. При этом был учтен предшествующий опыт проектирования клепано-сварных конструкций ПСК.
Еще в 1946 г. ПСК предложила, проекты клепано-сварных пролетных строений, разработанные на основе обеих серий клепаных, с сохранением их генеральных размеров и Н-образной формы сечений. Н-образный тип сечения элементов представлялся наиболее подходящим для использования в сварных конструкциях, так как в нем отсутствуют диафрагмы и соединительная решетка, а соединительные швы очень удобны для сварки автоматами.
Трансмостпроект сохранил Н-образные сечения элементов для всех проектов I серии клепано-сварных пролетных строений, приняв основные размеры ферм, конструкции узлов и рисунок заклепок в узлах такими же, как и в I серии клепаных унифицированных. Сталь принята марки М16С.
В узле Н2 (рис. 158) пролетного строения l = 55 м стык элементов нижнего пояса устроен в центре узла и перекрыт узловыми фасонками, внутренними узкими вертикальными накладками, наружной широкой накладкой со стороны фасада фермы и вертикальными полками уголков, служащих для прикрепления горизонтальной фасонки продольных связей. Горизонтальные листы поясных элементов не имеют перекрытия, что, как отмечалось выше, является недостатком такого сопряжения.
Особенностью конструкции проезжей части является применение клепаных поперечных балок при сварных продольных балках. Отказ от сварных поперечных балок вызван желанием повысить надежность конструкции в эксплуатации.
Наиболее ответственным участком сварной поперечной балки является ее прикрепление к главной ферме. В первых проектах клепано-сварных пролетных строений поперечные балки снабжались по концам торцовыми вертикальными листами, имеющими отверстия для монтажных заклепок прикрепления к фермам (рис. 159, а). При таком решении в тяжелых условиях оказываются соединительные швы, прикрепляющие торцовые листы к стенке балки — их выносливость будет ненадежной (швы работают на срез под воздействием опорной реакции поперечной балки и на отрыв при изгибе поперечной балки в вертикальной и горизонтальной плоскостях). В дальнейшем сопряжение сварных балок с фермами стали проектировать с использованием приклепанных к балкам парных уголков прикрепления (рис. 159, б). Необходимое увеличение высоты балки достигалось за счет вертикальных фасонных листов, привариваемых к верхнему поясу балки. Опыт эксплуатации таких конструкций показал, что у концов швов, прикрепляющих фасонный лист и стенку балки к верхнему поясному листу, с течением времени появляются трещины, обусловленные концентрацией напряжений у обрыва поясного листа. Потребовалось устройство скосов и выкружек в поясном и фасонном листах с обработкой этих швов абразивным кругом (рис. 159, в). Это привело к усложнению конструкции и повышению трудоемкости работ.
Рассматривались и были отвергнуты сварные поперечные балки, имевшие фасонный вертикальный лист, прикрепленный к верхнему поясу балр! с помощью горизонтальных уголковых коротышей (рис. 159, г) . Такое решение для сварных поперечных балок позже было признано вполне приемлемым.
В принятом решении (рис. 160) прикрепление поперечной балкй к ферме осуществлено по типу, обычному для клепаных конструкций.
Продольные и поперечные балки приняты одинаковой высоты; их размеры, состав сечений и расположение отверстий для монтажных заклейок назначены из условия использования имеющейся на заводе оснастки и кондукторов для изготовления унифицированных клепаных пролетных строений. Прикрепление продольных балок к поперечным также подобно принятому в клепаных конструкциях (рис. 161,6).
Продольные балки объединены верхними продольными связями треугольной системы (рис. 161, г, в) с поперечной распоркой в середине пролета, входящей в состав расположенных здесь поперечных связей (рис. 161, а).
Прикрепление фасонок продольных связей к поясам продольных балок и уголков связей к фасонкам предусмотрено на монтажных заклепках во избежание повреждения фасонок при перевозке балок. Уровень связей понижен относительно верхних поясов балок за счет прокладок толщиной 20 мм между поясами и фасонками, чем исключается надавливание на связи мостовых брусьев при их изгибе (рис. 161, а).
Вес клепано-сварных пролетных строений оказался на 6—10% меньше, чем клепаных, и трудоемкость их изготовления снизилась в среднем на 15%.
В дальнейшем проекты были дополнены разработкой конструкций клепано-сварных пролетных строений для пролетов l = 66 м и l = 88 м с основными размерами, соответствующими II и III сериям клепаных конструкций. Сечения элементов поясов и раскосов этих пролетных строений были приняты замкнутой коробчатой формы.
Применение сварных коробчатых сечений элементов явилось важным нововведением. Известно, что такой тип сечения экономичнее Н-образного, в особенности для сжатых элементов большей длины. Вместе с тем он отличается и лучшими эксплуатационными качествами, так как здесь отсутствует засоряющееся и быстро ржавеющее корыто. Однако при сварке коробчатых элементов встретились значительные трудности. Они заключались в том, что при последовательном наложении сварных соединительных швов автоматом в результате усадки швов происходили деформации листов, потеря элементами прямоугольной формы и образование так называемого «винта». Большая жесткость элементов коробчатой формы затрудняла их правку после проявления сварочных деформаций.
В 1960—1961 гг. было изготовлено восемь клепано-сварных пролетных строений пролетами по 66 м, и у некоторых из них в монтажных узловых соединениях были обнаружены недопустимые неплотности, образовавшиеся в результате утраты элементами прямоугольной формы.
Требовалась разработка специальной технологии и оборудования для сварки коробчатых элементов.
Это было выполнено в процессе проектирования и изготовления опытного болтосварного пролетного строения из низколегированной стали 10Г2СД и стали М16С под однопутную железную дорогу пролетом 110 м. Проект пролетного строения был составлен Ленгипротрансмостом по техническому заданию НИИ мостов при ЛИИЖТе и в 1965 г. оно было установлено на одном из железнодорожных мостов.
Генеральные размеры пролетного строения были назначены такими же, как и для унифицированного клепаного пролетного строения III серии того же пролета (рис. 162, а).
Пояса ферм, а также сжатые и сжато-растянутые раскосы были приняты коробчатого сечения, растянутые раскосы, подвески и стойки — Н-образного сечения (рис. 162,6).
Для удобного прикрепления фасонок продольных связей полки одного из горизонтальных листов поясных элементов выступали наружу. Второй горизонтальный лист располагался между вертикальными листами вровень с их кромками. Нижние горизонтальные листы снабжались овальными отверстиями 250(500—600) мм, необходимыми дли установки болтов и окраски внутренних полостей элементов.
Стыки поясных элементов располагались в центрах узлов (рис. 163) и имели прямое перекрытие как вертикальных, так и горизонтальных листов.
Для сварки коробчатых элементов были сконструированы двухдуговые автоматы (рис. 164), которые одновременно сваривали два симметричных шва элемента, что значительно сократило его винтовые деформации. На заводе был изготовлен специальный сборочный кондуктор для ведения в нем сварки элементов и накладные кондукторы для точного сверления монтажных отверстий.
Последовательность операций по изготовлению коробчатых элементов предусматривалась следующая: сначала в сборочном кондукторе собирается коробка из горизонтального и двух вертикальных листов (рис. 165, а). Точное положение листов, их прижатие и закрепление обеспечиваются специальными прижимами и поставленными в верхней части коробки габаритными распорками. Затем производится сварка внутренних угловых швов 1—1 двухдуговым автоматом D (рис. 165, б). После чего удаляются габаритные распорки и заводится второй горизонтальный лист, закрепляемый на электроприхватках (рис. 165, б).; Далее элемент извлекается из кондуктора, кантуется на 180°, опять устанавливается в кондуктор, зажимается в нем прижимами и производится сварка двух других внутренних швов 2—2 автоматом (рис. 165, г). Затем элемент опять кантуется на 180° и накладываются автоматом швы 3—3 (рис. 165,6) и другим автоматом швы 4—4 (рис. 165, е).
При такой технологии изготовления коробчатых элементов оказалась весьма затрудненной установка в нем диафрагм, которые предусматривались проектом.
Если даже эти диафрагмы и удалось бы поставить, используя дли этого отверстия в нижних перфорированных листах, то приварка диафрагмы вызвала бы дополнительное коробление вертикальных листов, а поперечные швы, прикрепляющие диафрагмы, явились бы концентраторами напряжений, снижающими вибрационную прочность растянутых и сжато-растянутых элементов. Поэтому решили диафрагмы не ставить.
Дальнейшие испытания бездиафрагменных элементов подтвердили их хорошее сопротивление ударным воздействиям при транспортировании, а выполненные в НИИ мостов испытания моделей стержней, доведенные до их разрушения, показали, что причиной разрушения является общая потеря ими устойчивости. Наличие или отсутствие диафрагм не оказывало влияния на общую устойчивость стержня.
Весовые характеристики этого пролетного строения в сопоставлении с типовым клепаным, выполненным также с применением низколегированной стали, приведены в табл. 6.
Успешный опыт проектирования, изготовления и монтажа этого пролетного строения был использован при разработке в 1965 г. Г ипротрансмостом проекта типовых болтосварных пролетных строений для пролетов 44; 55; 66; 88 и 110 м.
Генеральные размеры пролетных строений и расположение отверстий в узлах и соединениях главных ферм соответствуют унифицированным клепаным пролетным строениям.
В пролетных строениях пролетами 44 и 55 м сечения всех элементов главных ферм Н-образные, у остальных пролетных строений поясные элементы и сжатые раскосы — коробчатые, но в отличие от опытного пролетного строения l = 110 м коробчатые сечения элементов приняты без выпусков горизонтальных листов — гладкими, что исключало опасность повреждения выступающих листов при транспортировании элементов.
Для пролетных строений пролетами до 66 м предусмотрена сталь марки М16С, для больших пролетов — 10Г2СД или 15ХСНД с нормативным сопротивлением 35 кГ/мм2.
Интересно отметить, что проекты пролетных строений пролетами 44 и 55 м не получили одобрения МПС и были отклонены из-за принятых для поясов Н-образных сечений и связанных с ними эксплуатационных недостатков.
В проект пролетного строения l = 66 м был внесен ряд улучшающих изменений по замечаниям ЦП МПС и в 1967 г. он был утвержден в качестве типового.
Пролетное строение рассчитано под нагрузку С14. Главные фермы соединены продольными связями крестовой системы в плоскости нижних и верхних поясов, а также промежуточными поперечными связями полу раскосной системы, поставленными в плоскостях стоек и портальными рамами в плоскости опорных раскосов (рис. 166). Сечения поясов и сжатых раскосов главных ферм — коробчатые, а растянутых раскосов, стоек и подвесок — Н-образные. Высота поясов и раскосов, кроме опорных, назначена 450 мм. Опорные раскосы для повышения жесткости имеют высоту вертикалов 620 мм. Ширина сечений всех элементов главных ферм принята одинаковой с шириной элементов II серии пролетных строений и равна 526 мм. Эта ширина обеспечивает равную жесткость раскосов из плоскости и в плоскости ферм с учетом ослабления перфорацией горизонтальных листов (табл. 7).
Стыки поясов расположены в центрах узлов. В верхнем поясе предусмотрено перекрытие двусторонними накладками вертикалов и односторонними накладками № 5 верхних горизонтальных листов поясных элементов (рис. 167).
Нижние перфорированные листы непосредственно не перекрываются, так как установка здесь фрикционных болтов практически невозможна из-за стесненных условий, созданных наличием узловых фасонок № 1 и.прикрепляемых к ним элементов решетки ферм. К узлу примыкает сварная распорка продольных связей двутаврового сечения и диагонали продольных связей швеллерного типа, составленного из двух уголков, связанных планками на заклепочных соединениях.
Диагонали продольных связей центрированы на ось пояса, что исключает появление дополнительных моментов в узлах, но приводит к большим размерам фасонок связей.
Во избежание изгиба горизонтальных фасонок № 7 и 8 под действием веса продольных связей нижняя фасонка № 8 поддерживается вертикальной фасоночкой № 12, расположенной в плоскости подвески и имеющей приклепанные уголковые коротыши. Также на заклепках присоединен к нижней горизонтальной фасонке связей № 8 ее уголок прикрепления № 9.
Наличие в пролетном строении сварных, клепаных и болтовых соединений не может расцениваться положительным образом. Это вынужденное решение, обусловленное неотработанностью деталей сварных конструкций.
В узле В1 (рис. 168) обращает внимание прикрепление элемента пояса В1—В3. Все расчетное количество фрикционных болтов (42 шт.) с избытком размещено справа от центра узла в вертикальных пакетах.
Наружные накладки: широкая № 2 и узкая № 3 нужны только в процессе навесной сборки пролетного строения, когда к узлу прикрепляется горизонтальный соединительный элемент, связывающий узел В1 с соседним пролетным строением.
Для повышения устойчивости сжатых участков узловых фасонок между ними поставлена вертикальная диафрагма «М» и горизонтальная «К». Горизонтальная диафрагма, кроме того, препятствует попаданию внутрь узла атмосферных осадков. Ее стык с верхним горизонтальным листом пояса мог быть перекрыт наружной накладкой меньшей длины и с меньшим числом болтов, так как накладка служит только для закрытия щели между листами.
В поперечном направлении к узлу примыкают две составные распорки швеллерного типа — верхних продольных связей и портальной рамы. Обе они расположены в разных плоскостях и объединяются в одну трубчатую распорку с помощью вертикальных диафрагм и гнутых планок.
Верхняя фасонка прикрепления элементов портальной рамы (№ 11), расположенная у конца раскоса Н0—В1 в уровне его верхнего горизонтального листа, доведена до встречи с верхней горизонтальной фасонкой продольных связей (№ 4), где согнута и приболчена к фасонке (№ 4) через отверстия «а». Подобным же образом соединены и нижние фасонки связей (№ 12 и 5). Отверстия «а» сверлятся на заводе диаметром 18 мм и рассверливаются на монтаже до диаметра 23 мм.
В нижних узлах (рис. 169) также предусмотрено непосредственное перекрытие всех стыкуемых элементов пояса, за исключением верхних горизонтальных листов, где по аналогичным причинам нельзя поставить и завинтить болты.
Применение в раскосах Н0—В1 и Н2—ВЗ замкнутых коробчатых сечений со значительной рабочей площадью горизонтальных листов (достигающей 40% от общей площади сечения элемента), не имеющих непосредственного прикрепления к фасонкам при передаче усилий с горизонтальных листов на узловые фасонки, может вызвать местное перенапряжение в сварных соединительных швах стержней вблизи узла.
Диагонали нижних продольных связей запроектированы таврового сечения в двух вариантах: из двух склепанных уголков или двух сварных листов. Для сокращения их свободной длины диагонали продольных связей подвешиваются к поперечным связям продольных балок.
Балочная клетка проезжей части запроектирована в двух вариантах: из стали М16С с нормальной высотой (h = 1500 мм) и из стали 14ХСНД с пониженной высотой (h = 940 мм). В обоих случаях продольные и поперечные балки приняты сварными двутаврового сечения и в каждом варианте одинаковой высоты (рис. 170).
Продольные и поперечные балки рассчитаны на усилия, возникающие в них при совместной работе с нижними поясами главных ферм.
Прикрепление поперечной балки к главной ферме не имеет существенных отличий от конструкции, рассмотренной в клепаносварных пролетных строениях (см. рис. 159, г). При расчете этого прикрепления следует учитывать возникновение в болтах дополнительных растягивающих усилий, вызываемых упругим защемлением балки в месте ее прикрепления.
К особенностям конструкции балочной клетки относится устройство продольных связей. В обоих вариантах продольные связи расположены на 210 м ниже верхнего пояса и прикреплены с помощью узловых фасонок № 1 и горизонтальных уголков № 2 к стенкам балок. Этим достигаются более удобные условия для ухода за связями (очистка, окраска), пояса балок не ослабляются болтовыми отверстиями и улучшаются условия опирания большей части мостовых брусьев, так как головки болтов сохраняются только у рыбок.
Вместе с тем такое расположение связей менее надежно обеспечивает устойчивость сжатых поясов продольных балок. С учетом этого обстоятельства принята крестовая система связей, отличающаяся тем, что при деформациях поясов она не вызывает их изгиба в горизонтальной плоскости, как это происходит при треугольной системе связей. Количество элементов связей и общий расход металла при крестовой системе связей увеличиваются.
Мостовое полотно предусмотрено на деревянных мостовых брусьях длиной 3,20 м (рис. 171). Тротуары расположены на металлических консолях, прикрепляемых фрикционными болтами к ребрам жесткости балок. На консолях уложены железобетонные ребристые плиты длиной по 3,96 м. Расстояние между консолями не превышает 3,5 м.