Мосты относятся к числу наиболее требовательных применений конструкционной стали. Пролеты должны выдерживать большие и повторяющиеся нагрузки, противостоять ветру и сейсмическим воздействиям и сохранять работоспособность в течение десятилетий. Стальные ферменные конструкции отвечают этим требованиям благодаря открытому каркасу из треугольных элементов, который передает нагрузки в основном за счет осевых сил, обеспечивая высокое соотношение-к-весу и длинные пролеты без промежуточных опор.
Что такое стальная ферменная конструкция?
Стальная ферма представляет собой каркас из прямых стальных элементов, соединенных в местах соединений в твердые треугольники. Поскольку треугольник не может изменить форму, не изменив длины своих сторон, ферма по своей природе устойчива, а нагрузки на элементы преимущественно осевые: растяжение в одних элементах и сжатие в других. Такая геометрия позволяет очень эффективно использовать материал по сравнению с элементами, несущими нагрузки при изгибе.
Основные компоненты
Верхний аккорд:верхний лонжерон, нагруженный в первую очередь на сжатие и поддерживающий нагрузки на настил или крышу сверху.
Нижний аккорд:нижний лонжерон, преимущественно нагруженный на растяжение.
Участники сети:диагонали и вертикали, которые соединяют два пояса и делят ферму на треугольные панели.
Соединения:косынки с высокопрочными-болтами или сварными швами, которые передают усилия между элементами в местах соединений.
Распространенные типы стальных ферм для мостов
| Тип фермы | Макет веб-участника | Типичное использование |
|---|---|---|
| Ферма Пратта | Диагонали наклонены вниз к центру; вертикали при сжатии, диагонали при растяжении | Железнодорожные и автомобильные мосты, длиннопролетные кровельные конструкции- |
| Уоррен ферма | Серия равносторонних треугольников без вертикалей (или с добавленными вертикалями для длинных панелей) | Длиннопролетные-мосты, ангары для самолетов, беспролетные-пролетные конструкции |
| Хоу ферма | Диагонали наклонены вверх к центру; диагонали при сжатии | Тяжелые-мосты и конструкции крыш, в которых возникают большие нагрузки на стержни |
| Финк ферма | W-образное разделение веб-панелей | Крыши жилых и коммерческих зданий, конструкции с более короткими-пролетами |
Выбор геометрии фермы зависит от длины пролета, величины нагрузки, экономичности изготовления и метода возведения на площадке, и это должно быть подтверждено структурным анализом в соответствии с действующими нормами проектирования.
Почему стальные фермы подходят для мостостроения
Эффективная передача осевой нагрузки
Члены фермы работают на растяжение или сжатие, при этом используется вся прочность стального профиля. Это принципиально более эффективно-с точки зрения использования материала, чем изгибаемые-балки эквивалентного пролета, и снижает собственный вес надстройки.
Длинные чистые пролеты
Поскольку треугольная система перемычек распределяет силы на пояса, фермы могут охватывать большие расстояния с относительно небольшой глубиной элементов, что позволяет уменьшить количество промежуточных опор и размер фундамента.
Низкий собственный вес и сейсмостойкость
Более легкие надстройки создают меньшие силы инерции при сейсмическом возбуждении. Для мостов в активных зонах это позволяет существенно снизить расчетные воздействия, передаваемые на опоры и устои.
Сборка и быстрый монтаж
Элементы фермы и узлы-могут быть изготовлены в цеху с использованием просверленных или сварных соединений и установлены на месте с помощью высокопрочных-болтов, что сокращает время строительства и сокращает объем работ на высоте по сравнению с обширной сваркой в полевых условиях.
Применение стальных ферм в мостостроении
Железнодорожные и автомобильные мосты:фермы выдерживают большие циклические нагрузки и широко используются для переездов со средними- и длинными-пролетами.
Пешеходные мосты и городские переходы:открытые-стержневые фермы создают тонкие и легкие конструкции, имеющие архитектурный вид.
Временные и военные мосты:модульные ферменные системы с полным болтовым соединением, такие как мосты типа Бейли-, используются для объездов, аварийных переходов и военной логистики.
Арочные и подвесные конструкции:фермы используются в качестве балок жесткости в подвесных мостах и в качестве основных ребер связанных-арочных мостов.
Виадуки и эстакады:пролеты ферм выбираются там, где необходимы длинные свободные проемы над дорогами, реками или железными дорогами.
Стальная ферма против коробчатой балки: как выбрать
| Фактор выбора | Стальной ферменный мост | Стальной коробчатый балочный мост |
|---|---|---|
| Механизм передачи нагрузки | Осевые силы через треугольные элементы перемычки | Изгиб и сдвиг через закрытую полую секцию |
| Соотношение прочности-к-весу | Высокий; эффективен на очень длинных промежутках | Хороший; тяжелее на единицу изгибающей способности |
| Торсионная жесткость | Умеренный; требует распорки на скручивание | Отлично, благодаря закрытому сечению- |
| Пригодность диапазона | От длинных до очень длинных промежутков | Средние и длинные пролеты, включая изогнутые трассы |
| Логистика | Открытые элементы могут поставляться в виде разборных-компонентов и закрепляться болтами на месте. | Закрытые ячейки часто имеют слишком большие размеры и могут потребовать специального транспорта или перевозки навалом. |
| Работа на объекте | Ускоренная-болтовая сборка | Больше сварочных работ и манипуляций с затворами и соединениями на месте. |
| Эстетика | Индустриальный, геометрический внешний вид | Изящный минималистичный внешний вид |
На практике решение принимает проектировщик: фермы подбираются для больших пролетов, легких фундаментов и модульного возведения; Коробчатые балки предпочтительны для криволинейных профилей, высоких требований к скручиванию и тонких визуальных профилей.
Изготовление и контроль качества мостовых ферм
На стальные конструкции мостов распространяются более строгие правила, чем на стальные конструкции зданий, из-за усталости. Сварка должна выполняться и проверяться в соответствии со стандартом AWS D1.5 (мостовая сварка) или применимыми национальными спецификациями, а вся конструкция должна соответствовать таким нормам, как AASHTO LRFD, EN 1993 (Еврокод 3) или GB 50017. Рекомендуемые методы включают:
Полная отслеживаемость материалов благодаря сертификатам заводских испытаний, выданным в соответствии с EN 10204.
100 % заводская предварительная-сборка с допусками группы отверстий- и геометрическими допусками, проверенными перед отправкой.
Не-неразрушающий контроль (UT, MT) ответственных сварных швов с протоколами аттестации процедуры сварки.
Защита от коррозии-для тяжелых условий эксплуатации соответствует стандарту ISO 12944 для данной категории воздействия, включая струйную очистку до степени Sa 2,5 и совместимые системы покрытия.
Контролируемый пред-развал: кривые резки элементов и геометрия сборки устанавливаются таким образом, чтобы прогиб от постоянной-нагрузки компенсировался в возведенной конструкции.
Часто задаваемые вопросы
Какой тип фермы лучше всего подходит для железнодорожного моста?Фермы Пратта и Хоу обычно используются для железнодорожных мостов, поскольку их схема полотна соответствует концентрированным циклическим нагрузкам железнодорожного транспорта. Окончательный выбор зависит от пролета, ограничений по глубине и экономичности изготовления и должен быть проверен путем анализа руководящих норм.
Какие марки стали характерны для мостовых ферм?К распространенным маркам относятся серия S355 по стандарту EN 10025-2, ASTM A572, класс 50 и Q355B по стандарту GB/T 1591. Для элементов, критичных по усталости, прочность надреза, толщина и категория деталей должны быть проверены на соответствие проектным спецификациям.
Можно ли перевозить элементы фермы в контейнерах?Да. Члены открытой-сети хорошо подходят для перевозки-разборных партий (CKD) в 20-футовых или 40-футовых контейнерах с болтовым креплением косынок на месте. Более длинные элементы могут поставляться на плоской стойке или навалом в зависимости от геометрии.
Как контролируется качество сварных швов на фермах мостов?Сварка выполняется в соответствии с аттестованными процедурами, обычно в соответствии с AWS D1.5 или применимыми нормами, с ультразвуковым и магнитопорошковым контролем критических сварных швов и полной документацией квалификации сварщика и протоколами проверок.
Как регулируется пред-прогиб длиннопролетной фермы?Структура анализируется в программном обеспечении для 3D-моделирования, а кривые резки и геометрия сборки корректируются таким образом, чтобы производственный прогиб компенсировал прогнозируемое отклонение от постоянной-нагрузки. Предварительная-сборка в цеху проверяет достигнутый развал перед отправкой.
Подходят ли стальные ферменные мосты для сейсмических регионов?Да. Их малый собственный вес снижает сейсмические инерционные силы, а пластичные болтовые соединения могут быть детализированы для контролируемого рассеяния энергии при условии, что конструкция спроектирована в соответствии с применимыми сейсмическими нормами.