Сварка в мостостроении
Мостовые конструкции (особенно пролетные строения железнодорожных мостов) работают в наиболее тяжелых условиях. На них воздействуют значительные переменные и динамические нагрузки, а также низкие температуры окружающей среды. В то же время мосты являются весьма ответственными сооружениями, в которых не допускается образование каких-либо трещин в процессе их эксплуатации. Как сторонникам, так и противникам сварки было совершенно очевидно, что успешное применение сварки в мостостроении позволит широко применять ее и в других металлоконструкциях.
Еще в начале 30-х годов возникла проблема усталости металла шва. Противники сварки утверждали, что поскольку наплавленный металл не обладает достаточной вязкостью, он будет иметь низкий предел усталости [92]. Появление трещин в процессе сварки объясняли только влиянием «усадочных» (остаточных) напряжений, возникающих вследствие местного нагревай последующего неравномерного охлаждения шва и основного металла. Влияние этих напряжений на прочность соединений при воздействии статической, вибрационной и ударной нагрузок изучено не было. Чтобы уменьшить величину остаточных напряжений в наиболее напряженных сечениях или швах, сварку стыков, соединений и узлов вели в определенной последовательности. Конструктивно сварные соединения и прикрепления часто копировали принятые в клепаных конструкциях решения, что не позволяло максимально уменьшить расход металла, но в ряде случаев вызывало преждевременное разрушение сварных конструкций. Необходимо было найти более рациональные формы стыков, прикреплений и узлов, которые бы максимально со-ответствовали широким возможностям нового технологического процесса и обеспечивали их надежную работу.
В этот период несущую способность сварных ‘соединений и конструкций изучали в основном три организации: Центральный научно-исследовательски и институт транспортного строительства (ЦИС НКПС) [40], Центральный научно-исследовательский институт промсооружеиий (ЦНИПС) и Лаборатория электросварки при ВУАН (Всеукраинской Академии наук), преобразованная в 1934 г. в Институт электросварки АН УССР [153]. В этой лаборатории, организованной и возглавляемой Б. О. Па- тоном, уже в 1930—1931 гг. проводятся широкие исследования по сопоставлению прочности сварных и клепаных узлов в основном применительно к мостам [99—101, 104].
В результате первых исследований, выполненных Е. О. Патоном и его сот-рудниками, было установлено, что «стыки без накладок, неосуществимые в клепаных конструкциях, являются большим преимуществом электросварки».
В разработанных рациональных способах сопряжений балок, на их соединение требовалось только 6— 13% массы дополнительных деталей клепаных прикреплений [50, 100].Одновременно были установлены рациональные виды сварных стержней, составленных из двух уголков [107], исследованы различные способы соединений между ветвями сжатых стержней [110], созданы мостовые опорные части в сварном исполнении [103], изучены влияние длины фланговых швов на пх прочность [108],совместная работа фланговых и лобовых швов [109], исследована возможность усиления старых клепаных пролетных строений с помощью сварки [106, 114, 124].
Многие экспериментальные исследования выполнялись путем сопоставления результатов испытаний балок и целых конструкций при статическом, ударном, а в ряде случаев п вибрационном нагружении. По сравнению с испытанием моделей или отдельных сварных швов это позволяло получить более надежные и убедительные результаты, которые сразу же использовали на практике [50].
Для усталостных испытаний была создана специальная вибрационная машина [19]. С помощью этой машины в 1931 г. были проведены первые в нашей стране сравнительные усталостные испытания двух пролетных строений мостов длиной по 12 м — одного клепаного, а другого цельносварного [19,104]. Расчетной нагрузкой для обоих мостов служила фиктивная ось в 10 т. Клепаные п сварные соединения были запроектированы равнопрочными.
Сварное пролетное строение выдержало до образования первого усталостного разрушения 215 тыс. циклов перемен напряжений, а клепаное — 40 тыс. и только после его ремонта 180 тыс. Динамические характеристики сварного моста оставались постоянными в течение всего периода испытаний. Разрушение произошло не по металлу шва, а по основному металлу в зоне соединения. Клепаные прикрепления раскосов и стоек разрушались от усталости по заклепочным отверстиям. В 1933 г. были проведены исследования по сопоставлению вибропрочности сварных и клепаных соединений и узлов [112].
На основании проведенных исследований в 1933 г. были сформулированы «Принципы проектирования сварных мостов» [111] и составлен «Альбом электросварных конструкций мостов»
[ИЗ]. Авторы этих документов указывали: «эти принципы касаются следующих вопросов: 1) метода изготовления на заводе, сварки и монтажа сварных мостов; 2) типа сечений элементов; 3) типа сварных швов; 4) конструкции узловых и стыковых соединений; 5) расположения и конструкций монтажных стыков; 6) строительного подъема; 7) допускаемых напряжений». Следует отметить, что в этих «Принципах» обсуждался вопрос о целесообразности применения стыковых швов с учетом того, что при повторных нагрузках они работают лучше, чем фланговые. Допускаемые напряжения рекомендовалось принимать такими же, что и в строительных металлических конструкциях, поскольку динамическое воздействие нагрузок учитывается высоким динамическим коэффициентом, а действительная нагрузка всегда меньше расчетной.
Проведенные исследования и разработанные «Принципы» способствовали дальнейшему развитию работ по изучению несущей способности сварных конструкций и более обоснованному их проектированию.
В этот же период в ЦИС НКПС под руководством Г. А. Николаева были проведены большие работы по испытанию сварных соединений и узлов [77, 78], изучению распределения напряжений в лобовых швах [80], усилению сваркой старых мостов [81—83], испытанию статической и вибрационной нагрузкой сварного двенадцатиметрового пролетного строения [79], изучению сварных соединений, подвергающихся воздействию динамических нагрузок [89], исследованию влияния сварки на основной металл [90], опытному про-ектированию сварных пролетных строений мостов [84, 88], составлению первых в отечественной практике технических условий на проектирование пролетных строений железнодорожных мостов [85].
Первый железнодорожный мост с цельносварными сквозными фермами пролетом 12 м с ездой поверху был построен в 1932 г. на Калининской железной дороге по проекту ЦИС НКПС. Конструкция пролетного строения полностью повторяла клепаную [38, 79]. Сварку выполняли электродами с меловой обмазкой. Это пролетное строение успешно эксплуатировалось 12 лет; оно было заменено в 1944 г. пролетным строением большей грузоподъемности, причем каких-либо дефектов в сварных соединениях выявлено не было.
В 1932 г. по проекту Укргипродора на заводе «Азовсталь» была построена с участием Киевского отделения Украинского автогенного треста сварная железнодорожная эстакада [52, 86].
Первые сварные железнодорожные мосты в нашей стране были построены примерно в тот же период, что и за рубежом. В Польше первое сварное пролетное строение было установлено 8имой 1928—1929 гг. на одном из железнодорожных мостов около г. Ло- вича. В Германии первый железнодорожный мост пролетом 10 м (со сплошностенчатыми фермами) был сдан’ в эксплуатацию в начале 1930 г. [24]. Несколько раньше сварные мосты были построен в США.
К 1934 г. в нашей стране, помимо упомянутых, было построено еще три сварных моста: два железнодорожных со сплошностенчатыми фермами, пролеты которых составляли 20 и 23 м, и пятипролетный автодорожный, также со сплошными фермами. 2X14 75+20+ +2X14, 75 м [38, 86].
Более широкое применение сварки в железнодорожных мостах со сквозными главными фермами относится к 1935— 1936 гг. На ЛИНИИ Уфа — Ишпмбаево в 1935 г. было установлено цельносварное пролетное строение со сквозными фермами пролетом 45 м [86, 87]. Проект выполнялся под руководством Г. А. Николаева в ЦИС НКПС. В то время это было самое крупное сварное пролетное строение. До его сооружения наибольшим по пролету (42 м) сварным железнодорожным мостом считался мост через водопад Чикопэ, сооруженный в США около Бостона.
Построенное сварное пролетное строение запроектировано идентично типовому клепаному под нагрузку Н7. Все элементы изготавливали из стали Ст. 3, сварку выполняли электродами с меловой обмазкой. Согласно специальным техническим условиям допускаемые напряжения на основной металл составляли 130 МПа, а на металл сварных соединений (допускались только валиковые швы)—80 МПа для заводской сварки и 72 МПа для швов, выполняемых на монтаже. Сварка встык не допускалась. Все стыки перекрывали накладками. Нахлесточпые прикрепления раскосов, стоек и подвесок, помимо валиковых швов, имели дополнительные прорезные швы. Основные сварочные работы выполняли на заводе в сравнительно теплое время, трещины в процессе сварки появлялись крайне редко. Монтажные работы пришлось выполнять зимой прп низких температурах (до —35° С). В процессе монтажа пролетного строения были обнаружены трещины в некоторых заводских швах, а также в основном металле поперечных балок и второстепенных элементов. Поперечные балки были заменены, а в других элементах трещины перекрыли накладками.
Созданию этого моста предшествовали большие исследовательские работы, выполненные под руководством Г. А. Николаева в ЦИС НКПС, вклю чая испытания моделей наиболее от-ветственных элементов и соединений [88—90]. Построенное пролетное строение подвергалось тщательным статическим и динамическим испытаниям. На основании заключения ЦИС НКПС мост был допущен к нормальной эксплуатации. Полагали, что это «явится сдвигом в консервативном отношении к применению сварки в мостостроении» [86].
Это пролетное строение нормально эксплуатировалось длительное время. Однако в изготовленных вслед за ним по проекту Гипротранса НКПС четырех пролетных строениях, имевших ту же схему, но несколько иную конструкцию, были обнаружены трещины в основном металле и в швах уже при приемке этих мостов в эксплуатацию. В отличие от предыдущего моста, все элементы которого были выполнены из листового проката, в главных фермах этих четырех пролетных строений применили прокатные швеллера. Они были изготовлены из импортной томасовской стали, которая, как оказалось впоследствии, не отвечала необходимым требованиям, отчего и образовались трещины [38]. В дальнейшем процесс образования трещин продолжался, поэтому все четыре пролетных строения к на-чалу 50-х годов были заменены клепаными.
Рис. 12.1. Поперечное сечение главной балки моста лейтенанта Шмидта в Ленинграде
Рис. 12.2. Монтажный стык главной балки моста лейтенанта Шмидта
Позднее установили, что из-за применения для сварных мостов сталей, не отвечающих определенным требованиям, в том числе и хладостойкости, во многих случаях образовывались трещины, а иногда имели место и аварии. В частности, широкое использование томасовской стали А-37 для изготовления автодорожных мостов в Бельгии (вплоть до 1939 г.) и недостаточно высокое качество сварочных работ вызвали образование большого числа трещин в 50 сварных пролетных строениях. После катастрофического разрушения одного из них (пролетом 74,5 м, установленного на мосту через канал Альберта у г. Хассельта) все эти пролетные строения были заменены новыми.
Дальнейшее развитие сварного мостостроения связано с переходом на сварку швов толстообмазанными электродами и под флюсом. Поскольку прочность таких швов практически равна прочности основного металла, стыки без накладок постепенно стали основным видом соединения ответственных элементов пролетных строений. Переход к стыковым соединениям не только менял конструктивное оформление отдельных узлов, но заметно повлиял и на выбор систем цельносварных мостов. Стало возможным использовать листовой прокат любой ширины и большой толщины. Поэтому наиболее целесообразными стали балочные мосты со сплошностенчатыми неразрез
ными фермами малой высоты (1/20— 1/16 пролета) или же комбинированные системы с жесткими балками. Однако переход к стыковым швам не был легким. В подтверждение этому рассмотрим в качестве примера сварку монтажных стыков автодорожиого моста им. лейтенанта Шмидта — выдающегося сварного сооружения довоенного времени.
В 1936—1938 гг. мост реконструировали по проекту Г. П. Передери я [123]. Взамен устаревших пролетных строений с чугунными арками установили два неразрезных трехпролетпых строения со сплошностенчатыми балками коробчатого сечения (рис. 12.1) общей длиной по 123 м (расчетные пролеты 35,2+41,3+44,8 м). Между ними в разводном пролете разместили два крыла, главные балки которых имели двутавровое сечение. При ширине моста 24 м в поперечном сечении имеются только две главные балки, между которыми располагается клетка из поперечных и продольных балок для поддержания монолитной железобетонной плиты. Сечения главных балок с постоянной высотой 2200 мм изменяются по длине моста только за счет увеличения толщины горизонтальных листов и добавления на отдельных участках узких полос (по две на каж-дый пояс). Толщина одиночных поясных листов доходит до 50 мм, а пакета из двух листов — до 88 мм. Поперечные и продольные балки двутаврового сечения имеют высоту соответственно
Продольные и поперечные балки были целиком выполнены в заводских цехах. В процессе их сварки серьезных трудностей не встречалось. Главные балки были изготовлены в виде монтажных блоков длиной по 9—10 м. Перед погрузкой на понтоны монтажные блоки укрупняли в плети длиной примерно по 40 м. Их собирали и сваривали на специальных подмостях, что позволило иэ 48 монтажных стыков 40 выполнить на заводе.
Его переварили заново, после чего приступили к доварке поясных швов, при этом пояса выпучились (см. рис. 12.2). Такие же явления происходили и на других первых стыках. Сварку прекратили и возобновили только после дополнительных исследований, выполненных с участием Н. О. Окербло- ма. Был установлен иной порядок сварки стыка с предварительным отгибом стыкуемых листов [123]. При новой технологии почти все стыки успешно заваривали с первого раза. По окон-чании сварки поверхность швов обработали пневматическим зубилом. Мост успешно эксплуатируется и в настоящее время.
В 30-х годах были построены и некоторые другие автодорожные и железнодорожные мосты [38], существенно отличающиеся от клепаных. Здесь следует отметить железнодорожный мост со сварным двухшарнирным арочным пролетным строением с ездой поверху пролетом 140 м (рис. 12.3). Это оригинальное пролетное строение, не имевшее себе равных в то время в мировой практике, было изготовлено в 1939—1940 гг. по проекту В. А. Росновского. Для поясов сквозных арок применяли металлические трубы диаметром 820 мм, заполненные бетоном. Трубы изготавливали из листового металла путем его вальцовки и сварки продольным стыковым швом.
Раскосы и стойки имеют двутавровое сечение. В процессе эксплуатации в ряде сварных узлов, которые имели конструктивные недостатки, поя вились трещины. После усиления таких узлов пролетное строение продолжает находиться в эксплуатации и работает нормально [132].
К началу Великой Отечественной войны в нашей стране было построено около 20 сварных мостов. Кроме того, в конце 30-х годов мостовым заводом НКПС было изготовлено для железнодорожных мостов 20 цельносварных пролетных строений с ездой поверху со сплошностенчатыми двутавровыми главными балками пролетом 23 м. Они бы-
ли использованы в годы Великой Отечественной войны для восстановления
мостов. Общая масса всех сварных летных строений составляла около 5000 т, из них примерно 2000 т относились к пролетным строениям железнодорожных мостов.
Не все сварные мосты оказались удачными. В ряде пролетных строений возникали трещины как в процессе их изготовления, так и во время эксплуатации. Все сварные мосты выполнялись из обычной низкоуглеродистой стали, которую применяли и для клепаных мостов. Конструктивные формы сварных мостов мало чем отличались от клепаных. Однако на изготовление сварных мостов требовалось металла на 15— 20% (а иногда и на 25%) меньше, чем на клепаные. Были исключены трудоемкие операции по пробивке и рассвер-ловке многочисленных отверстий; уменьшился объем внутрицеховых транспортных операций по доставке металла; существенно увеличился фронт производства работ. В результате значительно уменьшилась общая трудоемкость изготовления мостов, особенно пролетных строений со сплошными балками [24].
Вместе с тем неизбежные неудачи начального периода породили у ряда ведущих специалистов предубеждение и недоверие к сварным мостам. Уже тогда высказывались опасения в отношении возможности обеспечения требуемого сопротивления усталости сварных мостов, особенно железнодорожных, подвергающихся значительному воздействию переменных напряжений. Только в последние предвоенные годы это недоверие начало интенсивно рассеиваться [24]. В зарубежных странах, особенно в Германии, в этот период развивается сварное мостостроение. Несмотря на серьезные повреждения трещинами пролетных строений автодорожных мостов Рюдерсдорф—Кальк- берге (1936 г.) и Кайзерберг (1936 г.), а также железнодорожного путепровода Зообрюкке (1937 г.), в Германии с 1932 по 1941 г. было построено 800 сварных автодорожных мостов и 300 железнодорожных [24].
В нормах для железнодорожпых мостов большое внимание уделено учету влияния усталости. Допускаемые напряжения на основной металл предписывалось принимать в зависимости от вида сварного соединения п характеристики переменного нагружения.
Минимальные допускаемые напряжения были установлены для соединений с фланговыми и лобовыми швами. При механической обработке зоны перехода к сварным швам допускаемые напряжения на основной металл заметно повышались.
Довоенный опыт проектирования и изготовления сварных мостов, накопленный как в нашей стране, так и за рубежом, подробно обобщен в книге Б. Н. Горбунова [24]. Однако действовавшие в то время нормы, разработан-ные для железнодорожных мостов, не использовали новые результаты испытаний сварных соединений и ориентировались только на качество сварки, обусловленное применением электродов с меловой обмазкой. В этих нормах были приведены допускаемые напряжения только на срез швов. Все стыки листов рекомендовалось перекрывать наклад-ками, а швы рассчитывать по площади сечения прикрепляемых элементов [24].
Безусловно, качество сварки, зависящее от ее технологии, во многом предопределяло несущую способность мостовых конструкций. Важно было повысить производительность сварочных работ, особенно на заводе. В те годы были высказаны различные предложения по по-вышению производительности сварки — сварка наклонным и лежачим электродом, применение электродов повышенного диаметра, увеличение плотности тока и др. Однако радикально решить многие вопросы (как это понимали в ИЭС еще на заре развития сварного мостостроения) можно было только на основе механизации и автоматизации процесса сварки [105]. Большие исследования, выполненные институтом, позволили решить эту важнейшую техническую задачу в короткое время. Авто- технология сварки которой в то время матическую сварку под флюсом разра- не была отработана надлежащим обработали в 1939 г., что впоследствии по- зом. Во многих случаях электроды изго- зволило применять ее и в сварном товляли из телеграфной проволоки и мостостроении. других некондиционных материалов.
В 1940 г. рассматривался проект но- Качество сварки почти не контролиро- вого автодорожного моста через Днепр вали. Все это отрицательно отразилось в Киеве.
ИЭС предложил для разработки 25 тем, связанных с применением сварки в мостостроении, согласовал их с Министерством путей сообщения и в короткие сроки выполнил свои обязательства [116]. В течение 1946—1947 гг. Министерству путей сообщений были переданы законченные результаты исследований по 15 темам; исследования по остальным 10 темам были завершены в 1948 г.
Среди этих работ необходимо отметить создание стали для сварных мостов [2, 41, 116, 119]. Клепаные мосты изготавливали из стали Ст. 3 мостовая (ОСТ 12535—38). Исследования, проведенные в Институте электросварки в 1946— 1947 гг., показали, что эта сталь кипя-щей выплавки не пригодна для сварных мостов ввиду склонности ее к старению и строчечного расположения в ней сульфидных включений.
Было установлено, что содержание в стали углерода не должно превышать 0,20%, а кремния — 0,25%. Сталь не должна иметь скоплений серы в виде сульфидных строчек, способствующих образованию трещин в процессе сварки. Эти условия необходимы для исключения образования трещин в швах в процессе сварки. Сталь для сварных мостов должна быть малочувствительна к надрезам при низких температурах. Исключить сульфидные строчки и повысить хладостойкость можно при использовании спокойной, а не кипящей стали.
Институт электросварки разработал основные положения технических условий на такую сталь и добился выплавки ее для изготовления опытного сварного пролетного строения (L= 77 м). Вначале эту сталь именовали Ст. 3 для сварных мостов и выплавляли по МПТУ 2321—49, затем ее назвали сталью М16С
(ГОСТ 6713—53). Теперь она имеет марку 16Д (ГОСТ 6713-75).
В этот же период были изменены химсостав и технология изготовления флюса АН-3, организован промышленный выпуск улучшенного флюса АН-348,, установлен состав электродной проволоки Св-08ГА с повышенным содержанием марганца (ГОСТ 178—48, затем ГОСТ 2246—51), разработаны режимы автоматической сварки для всех швов, применяемых в мостостроении, создана аппаратура для автоматической сварки под флюсом [56, 62, 93, 94, 97, 98, 116 и др.].
Интересны работы по установлению зависимости между механическими свойствами металла шва и скоростью его остывания при сварке [95]. На основании этих исследований были даны практические рекомендации по сварке стали большой толщины. Одновременно разрабатывали технологию автоматической сварки отечественной низколегированной стали CXJI-2, применение которой в мостостроении позволяло дополнительно экономить металл [116].
Таким образом, в первые послевоенные годы для сварного мостостроения была создана надежная база, на основе которой оно могло быстро развиваться.
В то время в ИЭС разрабатывались многие темы по прочности и конструированию сварных мостов [116]. При этом исследовали влияние остаточных напряжений на несущую способность сварных элементов; решали, нужно ли подвергать сварные элементы мостов термической обработке; устанавливали предельно допустимую толщину листов для сварных мостов. Под руководством и при непосредственном участии Б. О. Патона вели работы по изысканию оптимальных форм цельносварных пролетных строений. В результате были созданы новые типы пролетных строений из крупных плоскостных или пространственных блоков, которые целиком собирают и сваривают па заводе и в готовом виде на железнодорожных
платформах доставляют к месту строп- Многие важные вопросы были выясне- тельства [116]. Были разработаны не- ны. Но это конечно не значит, как несколько эскизных проектов сварных однократно подчеркивал тогда Е. О. Па- пролетных строений. Позднее на основе тон, что надо ждать, пока будут решены одного из них было запроектировано все вопросы, связанные с применением опытное цельносварное пролетное сварки в мостостроении, и только после строение L = 66 м. этого приступать к постройке сварных
Впервые в практике мостостроения при монтаже этих пролетных строений применили автоматическую сварку. Каждый монтажный стык сваривали в следующем порядке: сперва сварочным трактором ТС-17М выполнялся стыковой шов нижнего пояса; затем, после подгонки вставки, аппаратом А-384 с принудительным формированием заваривали вертикальные стыки; в последнюю очередь сварочным трактором сваривали стыковые швы горизонтальной вставки верхнего пояса. Угловые швы между поясами и стенкой выполняли вручную. Качество всех швов было высокое. Из 1399 м монтажных швов в пролетном строении, выполняемом по проекту, 704 м сварены автоматами. Три мон-тажных стыка в балке жесткости и стыки «рыбок» верхних поясов продольных балок проезжей части пролетного строения, выполненного по проекту НИИ мостов, также выполнены автоматической сваркой.
Пролетные строения испытывали па статическую, выбрацпонную и динамическую нагрузки летом и зимой [154]. Оба пролетные строения успешно выдержали все испытания и нормально эксплуатируются под обращающимися поездными нагрузками по настоящее время.
В сентябре 1952 г. были успешно завершены работы по сооружению опытного цельносварного автодорожного моста через северную протоку Немана [143]. Проект разработан Киевским филиалом Союздорпроекта ГУшосдор при участии ИЭС. Монтажные элементы моста изготовлены Днепропетровским заводом им. Бабушкина. Сварку на монтаже осуществляла бригада ИЭС. Мост длиной 377 м имеет десять пролетов, пять из них перекрывает неразрезное балочное пролетное строение со сварны-ми монтажными соединениями, а остальные — перекрыты таким же сварным строением, но с клепаными монтажными стыками. Сплошностенчатые главные балки двутаврового сечения во всех пролетах имеют высоту стенки 1,8 м. Ширина нижних поясов 500 и 330 мм при толщине 30 и 20 мм. Верхние (благодаря включению в работу железобетонной плиты) имеют сечение 330X12 мм. По условиям транспортировки главные балки разделены на монтажные элементы небольшой длины (8,5 и 10,3 м), что увеличило число монтажных стыков в каждом пролетном строении до 72.
Сопоставление трудоемкости монтажных работ пролетных строений со сварными и клепаными монтажными соединениями показало, что на клепку узлов было затрачено 203, а на сварку — 225 чел.-дней. Таким образом, трудоемкость монтажной сварки не намного превышает трудоемкость клепки. Однако общая трудоемкость основных мон-тажных работ по цельносварному и сварному пролетному строению с клепаными стыками составили соответственно 840 и 630 чел.-дней. Сборка цельносварного пролетного строения — более трудоемкая операция, чем клепано-сварного, проходившего контрольную сборку на заводе. Были и другие причины, повысившие трудоемкость монтажа цельносварного строения [143].
Рис. 12.6. Цельносварное комбинированное пролетное строение системы НИИ мостов а — верхние продольные связи; б — портал; в — главные фермы; г — поперечные связи в пролете; д — нижние продольные связи; е — проезжая часть и тормозные связи
Рис. 12.7. Цельносварное комбинированное пролетное строение системы ИЭС АН УССР а — верхние продольные связи; б — главные фермы; в — поперечники; г — проезжая часть; д — нижние продольные связи
Рис. 12.9. Общий вид цельносварного моста имени Б. О. Патона
Значительные работы в этот же период были выполнены по созданию железнодорожных сварных мостов. В 1947 г. (институтом «Проектсталькон- струкция» для железнодорожных мостов были разработаны две серии стандартных клепано-сварных пролетных строений с ездой понизу пролетами от 33 до 110 м.
В 1949 —1950 гг. начали выпускать продукцию Кременчугский и Воронежский мостовые заводы. С 1950 г. Кременчугский мостовой завод при научно-технической помощи Института электросварки и НИИ мостов начал изготавливать серию цельноперевози- мых сварных пролетных строений железнодорожных мостов со сплошностенчатыми главными балками пролетом 23 и 33,6 м. При их изготовлении применяли плоскостной метод образования отдельных частей конструкции. Листовые заготовки собирали и сваривали встык автоматом на флюсовой подушке, образуя полотнища стенок и поясных листов на полную длину балок. Из этих полотнищ собирали балки двутаврового сечения и сваривали в полу- поворотном кондукторе с наложением угловых швов «в лодочку», напроход, также автоматом. Затем устанавливали и приваривали полуавтоматом ребра жесткости к стенке балки поочередно с двух сторон и фасонки связей к поясам; ручной сваркой приваривали уплотня-ющие прокладки между поясами и торцами вертикальных ребер жесткости.
После этого балки устанавливали вертикально и объединяли попарно в блоки с постановкой продольных и поперечных связей, привариваемых внахлестку к фасонкам связей ручной электродуговой сваркой. В последующем (1952—1953 гг.) конструкцию пролетных строений со сплошностенчатыми балками несколько изменили. Фасонки продольных связей стали присоединять не к поясам, а к стенкам балок в зонах с пониженным уровнем напряжений. Фасонки в растянутой зоне стенок прикрепляли вначале при помощи сварки, затем заклепками, а наминая с 70-х годов — высокопрочными болтами. Пролетные строения длппои до 45 м стали выполнять одноярусными.
В 1951—1952 гг. большую работу по проектированию цельносварных и клепано-сварных пролетных строении проделал проектный институт «Лентранс- мостпроект». В тесном сотрудничестве с Институтом электросварки, НИИ мостов и мостостроительными заводами этот институт разработал ряд индивидуальных и типовых проектов, по которым уже к 1953 г. было изготовлено свыше 12 ООО т сварных и клепано-сварных железнодорожных пролетных строений.
Значительную помощь в организации изготовления и монтажа сварных пролетных строений оказал мостостроительным заводам и строительным организациям Главмостострой МПС, большая роль в этом принадлежала Н. А. Холину.
На вновь построенных Кременчугском и Воронежском заводах Главмостостроя МПС и на заводах Минтяжстроя только за период с 1949 по 1953 г. было изготовлено 169 железнодорожных сварных пролетных строений общей массой 7700 т и свыше 15 тыс. т сварных металлоконструкций пролетных строений автодорожных мостов.
Проектировали изготовленные в этот период конструкции институты «Про- ектстальконструкция», « Гипротранс-
мост», «Ленгипротранс^ост», Украинский филиал Союздорпроекта при участии Института электросварки, НИИ мостов, ЦНИИС.
Так, за 7—8 лет, прошедших после выхода в 1946 г. постановления правительства о внедрении автоматической сварки в мостостроение, была проделана огромная работа. В результате была доказана возможность изготовления качественных железнодорожных и автодорожных сварных мостов.
При этом была достигнута значительная экономия металла и снижена трудоемкость изготовления пролетных строений. Только по одному Днепропетровскому.
В 1955—1956 гг. по проекту Гипро- трансмоста при участии Института электросварки Кременчугский мостовой завод изготовил из стали М16С металлоконструкции неразрезного цельносварного пролетного строения пролетом (72,6+108+72,6 м) с двутавровыми главными балками переменной высоты. Ново-Арбатский, ныне Калининский мост в Москве (рис. 12.11) сооружал в 1957—1958 гг. Мостотрест. Автоматическую сварку на монтаже выполняла бригада ИЭС им. Патона. В пролетном строении этого моста железобетонная плита проезжей части включена в совместную работу с балками. При этом следует отметить, что осуществить такое решение в сварных мостах значительно проще, чем в клепаных. Поэтому уже первые послевоенные автодорожные мосты (через северную протоку Немана, Днестр и др.) являются стале- железобетоннымп. Развитию сталежелезобетонных. мостов способствовали исследования, проведенные ЦНИИС [140].
К числу сталежелезобетонных мостов относятся: мост с балками коробчатого сечения из низколегированной стали марки 10ХСНД через канал им. Москвы в г. Химки (проект разработал Гип- ротрансмост) и мост через Сейм в Пу- тивле (проект ГПИ «Укрпроектсталь- конструкция»). В сплошностенчатых главных балках последнего моста высотой 2000 мм (1/30 пролета) благодаря применению предварительного папря-
Рис. 12.11. Общий вид Калининского моста через р. Москва в процессе строительства
жения удалось добиться рекордно малого расхода стали—всего 150 кг/м2 вместо 220 кг/м2 в типовых пролетных строениях.
Применение сварки оказалось весьма эффективным в пролетных строениях комбинированной системы со сталеже-лезобетонными балками жесткости, уси-ленными гибкими подпружными арками (например, мост через Старый Днепр в Запорожье пролетом 196 м), а также в комбинированных строениях висячей системы (русловая часть Паркового моста через Днепр в Киеве, построенного в 1957 г.).
Вместе с тем хотя в сталежелезобетонных пролетных строениях значительно снижается расход металла, масса плиты все же заметно увеличивает постоянную нагрузку. Использование сварки в автодорожных мостах позволило в дальнейшем разработать более
рациональные решения: сначала железо-бетонную плиту заменили металлической ребристой (такое решение было принято в начале 60-х годов при строительстве четырех городских мостов), а затем стали применять ортотропные плиты. (Например, мосты через реки Катунь и Арпу.) Однако более совершенные конструкции пролетных строений с ортотропными плитами появились в нашей стране позднее.
В конце 50-х годов ряд специалистов- мостовиков продолжал сомневаться в надежности цельносварных пролетных строений железнодорожных мостов. По рекомендации мостовой комиссии НТС МПС в 1958—1959 гг. НИИ мостов было проведено испытание многократно-повторной нагрузкой двух опытных моделей, имитирующих пролетные строения стержневой системы пролетом 66 м, изготовленных в половину натуральной величины, одной — клепаной, а ДРУ» гой — цельносварной. Они были изготов-лены соответственно из стали марки Ст. 3 мостовая и марки М16С (ГОСТ 6713—53). Обе модели выдержали примерно одинаковое число циклов нагружения (около 500 000) при изменении напряжений от 18,5 до 118,5 МПа [125]. Клепаная модель разрушилась по нижнему поясу фермы в районе узлового прикрепления по первому ряду заклепок, а сварная —по стыковому соединению растянутого раскоса с верхней узловой фасонкой крайней панели фермы. Характерно, что при испытании сварной модели первыми начали отделяться от фасонок приваренные к ним внахлестку нижние горизонтальные связи, выдержав только 100 000 циклов нагружения. В остальном цельносварная модель. не уступала по долговечности клепаной модели.
В те же годы по проекту Ленгииро- трансмоста под техническим руководством НИИ мостов было построено из стали М16С еще одно цельносварное железнодорожное пролетное строение пролетом 66 м стержневой системы, установленное на мосту через Десну. Верхний пояс главных ферм в нем имеет коробчатое сечение, а все остальные элементы, включая и нижний пояс,— Н-образное. Узлы ферм выполнены при помощи фасонок-вставок. Металлоконструкции были изготовлены Воронежским мостовым заводом и смонтированы трестом Мостострой № 1.
Особенностью изготовления данного пролетного строения явилось то, что все стыковые соединения узловых фасонок с вертикальными листами элементов ферм сваривали автоматом в вертикальном положении однопроходным швом с принудительным его формированием как на заводе, так и на монтаже. Кроме элементов Н-образного сечения, были изготовлены элементы коробчатого сечения с двухсторонними угловыми швами — внутренними и наружными. Существующие типы сварочных автоматов не были приспособлены для выполнения подобных работ. Осуществив модернизацию автомата ТС-17М и уменьшив его наружные габариты, удалось обеспечить наложение этим авто
матом внутренних и наружных угловых швов коробчатого элемента при положении «в лодочку». В остальном технология изготовления и монтажа пролетного строения была аналогична технологии, примененной при создании пролетных строений моста через р. Болва.
Однако технологию изготовления ко-робчатых элементов необходимо было усовершенствовать, так как требовалось восемь раз кантовать элементы для их сварки «в лодочку», а раздельное наложение всех угловых швов автоматом ТС-17М приводило к Винтообразному искривлению коробчатого элемента.
В целом же опыт постройки и испытаний указанных трех цельносварных пролетных строений железнодорожных мостов пролетами по 66 м каждое показал, что мосты подобной конструкции могут выполняться должного качества. При этом по сравнению с клепаными пролетными строениями аналогичных пролетов расход металла снижался на 30%. Недостатком конструкции указанных цельносварных пролетных строений со сквозными фермами является отсутствие в монтажных соединениях устройств, обеспечивающих быстрое и четкое фиксирование элементов и узлов в проектном положении, изменяемость заданного положения элементов в процессе сварки монтажных соединений и значительный объем ручных сборочно-сварочных работ.
В те годы были проведены дискуссии о преимуществах и недостатках открытых Н-образных сечений элементов главных ферм пролетных строений мостов и закрытых, коробчатых. В итоге было признано рациональным применение закрытых сечений. По проекту Гипротрансмоста в 1959—1960 гг. Воронежским мостовым заводом были изго-товлены из стали М16С четыре клепано-сварных пролетных строения пролетом 66 м каждое, установленное на мосту через Северный Донец; большинство сварных элементов главных ферм здесь коробчатого сечения. Учитывая,
что технология сварки коробчатых сече- стали интенсивно внедрять сборные же- ний элементов предыдущего дельно- лезобетонные конструкции. К концу сварного моста была не вполне совер- 50-х годов строительство металлических шенной, НИИ мостов изготовил на базе мостов резко сократилось, изготовление сварочного трактора ТС-17М опытные сварных пролетных строений со сквоз- образцы двухдуговых автоматов двух ными фермами практически прекрати- типов с разнесенными в сторону на пш- лось вовсе. Однако работы научно-ис- рину коробчатых элементов электрода- следовательских и проектных институ- ми: один — для одновременного наложе- тов в этот период продолжались. Так, в ния двух угловых швов внутри элемен- 1956 г. были введены новые нормы та, а другой — для наружных швов. Од- проектирования и изготовления сварновременно отрабатывалась технология ных пролетных железнодорожных мо- изготовления этих элементов [167]. стов [141], а в 1962 г. «Технические ус- Была принята следующая последова- ловия проектирования железнодорож- тельность выполнения операций: внача- ных, автомобильных и городских мостов ле собирали и сваривали внутренними и труб» [142], составленные ЦНИИС и угловыми швами элемент открытого Союздорнии. Согласно этим нормам, L;-образного сечения, включающий все сварные соединения и прикрепле- нижний перфорированный горизонталь- ния растянутых элементов должны под- ный и два вертикальных листа, а затем вергаться механической обработке для устанавливали верхний сплошной гори- обеспечения плавности перехода швов зонтальный лист, замыкающий коробча- на основной металл, тое сечение, и попарно накладывали Большую и плодотворную работу по
остальные шесть угловых швов элемен- возрождению применения сварки в же- та указанными двухдуговыми автомата- лезнодорожных мостах провели НИИ ми. При наложении внутри замкнутого мостов, ЦНИИС, Гипротрансмост и Лен- сечения коробки угловых швов, прива- гипротрансмост при эффективной под- ривающих вертикальные листы к сило- держке Института электросварки. В ратному горизонтальному, управляли и ботах этих институтов предлагалось наблюдали за процессом сварки автома- применять в пролетных строениях мо-том через перфорации другого горизон- стов низколегированные стали повы- тального листа, расположенного при вы- шенной и высокой прочности взамен уг- полнении этих работ сверху. Монтаж- леродистых [10, 34, 57]. Предлагалось ные отверстия под заклепки получали также перейти на новые принципы в объемных кондукторах в полностью проектирования конструкций по пре- сваренных элементах после фрезеровки дельным состояниям вместо допускае- их торцов. мых напряжений [142], создавать более
При освидетельствовании данных про- прогрессивные типы сварных конструк- летных строений в эксплуатации Мосто- ций пролетных строений мостов [51]» испытательной станцией Главного уп- совершенствовать технологию их изго- равления пути МПС были выявлены за- товления и монтажа, разработать про- зоры величиной до 1 мм между поверх- грессивные методы контроля качества ностями узловой фасонки и коробчатого сварных соединений, создать специали- элемента. Причина образования подоб- зированую аппаратуру для автоматиче- ных дефектов не была установлена, но ской сварки и ультразвуковой дефекто- это несколько отразилось на примене- скопии сварных соединении и т. п. нии пролетных строений железнодорож- В основу метода расчета сварных сое- ных мостов с фермами указанного динений на усталость положены резуль- типа. таты исследований ЦНИИС [7—41»
В этот период во всех областях строп- 30-32, 71]. Применительно к мостам тельства, в том числе и в мостостроении, изыскиваются стали повышенной и вы-
сокой прочности, разрабатывается технология их сварки [34, 42, 57]. Проведенные НИИ мостов исследования позволили рекомендовать для сварных мостов низколегированные стали повышенной прочности класса С50/35 марок 15ХСНД и 10Г2СД с использованием ранее применявшихся сварочных материалов — проволоки Св-08ГА, флюса АН-348А, но при режимах сварки не выше 50 ООО Дж/см. Монтажные соединения рекомендовано выполнять при помощи высокопрочных болтов из стали 40Х, обеспечивающих при натяжении их на заданное усилие работу соединений на трение [4]. Рекомендовалось также перейти от открытых Н-образных и двутавровых типов сечений сильно нагруженных элементов главных ферм к замкнутым коробчатым с более высокой крутильной жесткостью и рацио-нальным размещением металла по сечению.
Была обоснована допустимость применения в элементах ферм соединительных угловых швов малого поперечного сечения с катетами 5—7 мм при толщине свариваемых деталей до 50 мм включительно [164]. В других частях конструкции также рекомендовалось исполь-зовать швы малого сечения при условии выполнения требований расчета [63]. Доказана возможность применения без- диафрагменных коробчатых элементов в конструкциях главных ферм пролетных строений [27], а также допустимость машинной кислородной резки без последующей механической обработки (строжки) «свободных» кромок [161] с применением нового способа резки — «смыв-процесса» [155]. Продолжалось изучение влияния конструктивно-технологических факторов на несущую способность сварных соединений и конструкций [12, 13, 33, 47, 48, 69, 70, 72, 74, 131, 144, 145, 147, 168], нестационарно- сти нагружения и учета ее при расчетах на усталость сварных мостов [ 14, 15, 35, 135, 146, 149], долговечности монтажных соединений [25, 26, 61]. Разрабатывались методы контроля и требова
ния к качеству сварных швов и соединений [22, 28,126].
Выполненные работы послужили им-пульсом для нового этапа развития сварного мостостроения, характеризуемого широким использованием низколегированных сталей и прогрессивных конструктивно-технологических решений.
В конце 60-х годов начали в плановом порядке изготовлять типовые цельносварные железнодорожные пролетные строения с ездой поверху из низколегированной стали 15ХСНД со сплошностенчатыми двутавровыми главными балками пролетом 23—33,6 м.
Постепенно расширялось производство мостовых конструкций со сплошностенчатыми главными балками из низколегированной стали 15ХСНД (как по числу изделий, так и по их размерам и форме). Из выполненных конструкций можно назвать семь пролетных строений со сплошностенчатыми главными балками пролетом по 45 м моста через Минусинскую протоку.
Проводились исследования по изучению прочности и долговечности фрикционных соединений на высокопрочных болтах [18, 134].
По проекту Ленгипротрансмоста, раз-работанному по техническому заданию НИИ мостов, в 1962—1964 гг. было построено первое в стране опытное железнодорожное болто-сварное пролетное строение из низколегированных сталей 15ХСНД и 10Г2СД со сквозными фермами пролетом 110 м с ездой понизу [122]. Оно установлено на мосту через канал Фархадской ГЭС (рис. 12.12). Верхний и нижний пояса главных ферм, все сжатые и наиболее нагруженные растянутые раскосы имеют коробчатое сечение с перфорированным нижним горизонтальным листом. Слабонагружеп- ные раскосы, стойки и подвески главных ферм Н-образного сечения; балки проезжей части — двутавровые, а элементы горизонтальных связей — таврового сечения. Изготовляли сварные конструкции пролетного строения на Воронежском мостовом заводе, монти
Рис. 12.12. Опытное болтосварное пролетное строение моста через канал Фархадской ГЭС а — верхние продольные связи