Совершенствование конструкций решетчатых мостов на основе использования трубчатых профилей

кинетических кривых удаления кислорода показал, что оксиды удаляются практически полностью, и процесс заканчивается через 2 - 3 мин при введении 0,1% лигатуры.

Содержание кислорода в исходном чугуне составляло 0,015%. Для определения оптимальной дозы вводимого модификатора его количество изменяли от 20 до 100 г на 100 кг металла.

[Се, %]-103

1

6

5

0 2 4 6 8 х-102, %

Рис. 1. Зависимость остаточной концентрации РЗМ от количества вводимой лигатуры

В большинстве работ, посвященных модифицированию редкоземельными элементами, последние рассматриваются как расчетные технологические добавки, без учета их остаточного содержания в металле. Это не позволяет сделать надежные выводы о влиянии определенного количества РЗМ на свойства металла. Остаточные содержания РЗМ в металле определяли химико-спектральным методом, предусматривающим значительное повышение абсолютной чувствительности линий РЗМ в спектре. Заштрихованная область на рис.1 соответствует остаточным концентрациям РЗМ в чугуне в зависимости от количества вводимого модификатора после трехминутной выдержки металла в печи. Существенно маленькие остаточные концентрации РЗМ в жидком чугуне и специальные меры предосторожности, принятые для того, чтобы избежать окисление лигатуры за счет атмосферы печи (погружение лигатуры в патронах на дно печи), свидетельствует о том, что РЗМ энергично провзаимодей-ствовали с примесями чугуна.

Специальную серию плавок проводили с целью изучения кинетики процессов раскисления чугуна малыми добавками лигатуры. Пробы металла отбирали кварцевыми трубками при температуре чугуна 1380 - 1400°С. На рис. 2 представлены характерные кинетические кривые раскисления чугуна РЗМ-лигатурой, из которых следует, что ее увеличение способствует более интенсивному протеканию процесса. И наконец, обнаружено значительное влияние температуры на эффективность мо[О, %]103 дифицирования. При нагреве чугуна до 1400 - 1410°С наблюдается наибольший модифицирующий эффект. Последнее также может найти объяснение, если принять, что механизм модифицирования связан с образованием взвеси неметаллических включений в расплаве. При температуре 1340 - 1360°С чугун представляет двухфазную жидкость, содержащую нерастворившиеся графитовые включения, которые подавляют действие образовавшихся мелкодисперсных частиц. При 1400-1410°С

графитовых включений в чугуне значительно меньше и неметаллические включения, образовавшиеся при модифицировании, начинают играть решающую роль при формировании структуры чугуна при затвердевании.

[О, %]-103_

15

0 6 12 18 т-10-1, %

Рис. 2. Кинетические кривые раскисления чугуна лигатурой Si-РЗМ (каждая точка - среднее значение из трех-четырех экспериментов), добавляемой в количестве: 1 - 0,02%; 2 - 0,08%; 3 - 0,10%

Выводы: Таким образом, экспериментальные факты свидетельствуют о том, что механизм модифицирования чугуна малыми добавками РЗМ лигатуры связан с образованием взвеси неметаллических включений, продуктов взаимодействия РЗМ с примесями чугуна, которые являются активными центрами кристаллизации. Это позволило установить оптимальные параметры процесса, выбрать температурный интервал плавки и определить время выдержки расплава после модифицирования.

Список литературы

1. Мосталыгин Г.П., Толмачевский Н.Н. Технология машиностроения. -

М.: Машиностроение, 1990. - 288 с.

2. Рябова Д.З., Гладков М.И. Этелис Л.С. и др. Спектральный анализ

остаточных содержаний РЗЭ в стали. - Заводская лаборатория. -№11. - 1971. - С. 13-36.

3. Куликов Н.С. Раскисление металлов. - М.: Металлургия, 1975. - 503.

С илл.

С.И. Казаков

Курганский государственный университет

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ РЕШЕТЧАТЫХ МОСТОВ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТРУБЧАТЫХ ПРОФИЛЕЙ

На кафедре «Технология и автоматизация сварочного производства» ведутся исследования по совершенствованию конструкций автодорожных, железнодорожных стальных решетчатых мостов с пролетами от 30 до 150 метров. Мосты железнодорожные (наиболее совершенные конструкции) таких пролетов возводятся в настоящее время по типовым проектам 1956 года и широко эксплуатируются в России, надежно выполняя свои функции мостовых переходов через небольшие реки на равнинной местности России. Однако конструкции типовых решетчатых мостов, разработанные более 50 лет назад, уже морально устарели.

а

4/1 2 ^

3 /

Рис. 1. Пролетное строение моста с треугольной схемой решетки с ездой понизу 1 - портальная рама; 2 - диагонали продольных связей; 3 - промежуточные поперечные связи; 4 - верхний пояс

главной фермы; 5 - распорка продольных связей; 6 - подвеска; 1 - нижний пояс главной фермы; 8 - раскос; 9 - стойка; 10 - продольная балка; 11 - поперечная балка;

12 -продольные связи продольных балок

Широко используются треугольные схемы решеток мостов со стойками и подвесками (рис.1) несмотря на то, что стойки и подвески являются в этих схемах слабонаг-руженными элементами ферм, но они необходимы для таких мостов для крепления поперечных балок (рис.2).

Стержни главных несущих ферм таких мостов выполняются сварными коробчатого или Н-образного профиля и при этом на каждый метр коробчатого стержня укладывается 8 метров сварных швов (для Н-образного профиля - 4 метра). Сходящиеся в узлах элементы ферм прикрепляют к развитым по высоте специальным фасонным листам (фасовкам), как правило, на фрикционных высокопрочных болтах. Усилия стержней от эксплуатационных нагрузок перераспределяются в узле через указанные фасонки, которые только с двух сторон можно плотно соединить с боковыми гранями стержней, что ведет к высокой концентрации напряжений в зоне соединения, поскольку горизонтальные элементы (полки) стержней не включены в работу, т.е. просто обрываются в узле. Наличие концентрации напряжений является основным недостатком указанных выше типовых конструкций мостов.

I вариант совершенствования конструкции

Для создания надежного и технологичного стержня металлической фермы предлагается использовать круглую трубу необходимого диаметра и толщины стенки, обеспечивающих прочность и жесткость стержня. Для присоединения стержня к узлу фермы предлагается деформировать конец трубы и преобразовать его в прямоугольное сечение и прикреплять стержни в узлах к развитым по высоте фасонным листам (фасонкам) на фрикционных болтах.

На рис. 3 изображен стержень моста, который содержит деформированный конец трубы 1, в котором выполнено отверстие для монтажа 2; труба круглого сечения 3, деформированный конец стержня 4 с отверстиями 5 для соединения стержня с узловыми фасовками на болтах.

Вид А

Рис.3.

Такие стержни для мостов средних пролетов не будут иметь рабочих (расчетных) сварных соединений, разрушение которых влекло бы за собой выход из строя конструкции. Стержни будут иметь только один связующий сварной шов, выполненный автоматом на трубопрокатном заводе при изготовлении трубы. При действии усилия вдоль оси шва по СНиП 2.05.03-84. «МОСТЫ и ТРУБЫ», приложение 17, таблица 1, п.9) эффективный коэффициент концентрации напряжений Р = 1, т.е. концентрации напряжений такой шов не вызывает, являясь связующим швом, что эквивалентно стержню без сварных швов. Работоспособность таких стержней в сравнении со сварными коробчатого сечения будет выше, так как отсутствует скопление сварных швов и будет значительно ниже уровень внутренних остаточных сварочных напряжений, наличие которых всегда снижает циклическую работоспособность, а также приводит к различным деформациям (перемещениям) в виде из-

СГ

ПР /

7\

Рис.2. Узел болтового крепления поперечной балки к главной ферме типового болтосварного моста

гиба или винтообразности, которые приходится править. Кроме повышения работоспособности значительно снижается трудоемкость изготовления стержней и снижаются расходы сварочных материалов.

Такой вариант моста со стержнями из труб легко может быть реализован на существующих заводах по изготовлению мостовых конструкций без изменения технологии подготовки стержней к сборке узла с использованием существующей оснастки сверления отверстий по кондукторам.

Преимуществом такого моста в сравнении с существующими типовыми проектами является:

- повышение работоспособности пролетного строения со стержнями из труб при одинаковых нетто сечениях стержней, т.к. труба имеет больший момент инерции по сравнению с прямоугольным (квадратным) сечением сварного стержня, и значит будет обладать большей устойчивостью при сжимающих нагрузках для длинных (> 10 м) сжатых стержней ;

- ликвидируются работы по резке металла на полосы, их сборке и сварке на мостозаводе (при изготовлении сварных стержней для одного моста пролетом 66 м укладывается ~ 3700 метров шва);

- уменьшается аэродинамический коэффициент сопротивления круглого сечения стержня вместо прямоугольного сечения соответственно сж = 2,1 и 1,4, что уменьшает ветровые нагрузки на пролетное строение;

- коррозия круглых стержней уменьшается по сравнению с двутавровыми и коробчатыми с вырезами, где скапливается влага, кроме того внутреннюю полость трубчатых стержней можно заглушить по концам полимерными вспенивающимися материалами, уменьшая общую площадь покраски моста при эксплуатации.

Для реализации проекта потребуются дополнительные инвестиции:

- на установку термического оборудования в виде печи нагрева концов труб на длине L >= 1000 мм до температуры ковки стали 15ХСНД Т>= 850 - 1000 °С;

- необходима горизонтально ковочная машина для деформации концов труб в прямоугольное (квадратное) сечение;

- необходимы электросварные трубы диаметром от 200 до 500 мм с толщиной стенки до 20 мм из стали 15ХСНД;

- кондукторы для сверления отверстий будут близки по форме и размерам существующим.

Для реализации проекта потребуются детальное проектирование, изготовление и испытания опытных образцов начиная, возможно, с пешеходных и городских мостов, а также мостов для пропуска газо- и нефтепроводов.

II вариант совершенствования конструкции

Дальнейшим совершенствованием решетчатых мостов является проект решетчатого моста с ромбической решеткой (рис.4) без стоек и подвесок со стержнями из труб круглого профиля с деформированными в зоне крепления концами стержней и соединенные с узлами фермы на высокопрочных болтах. Поперечные балки проезжей части моста при этом опираются и крепятся совместно с раскосами фермы. Продольные и поперечные балки проезжей части моста - сварные двутавровые (типовые) с усовершенствованной схемой крепления.

Трубы в этом случае являются оптимальным профилем для центрально сжатых и растянутых стержней. Все сечение трубы включено в работу по передаче нагрузок.

Для повышения работоспособности и технологичности мостовой конструкции предлагается конструкция узла фермы с ромбической решеткой со стержнями из труб,

отличающаяся тем, что узел имеет опорную плиту, вставленную в сквозной паз в трубе пояса фермы по центру узла и приваренную к стенкам трубы, при этом плита проходит через трубу насквозь и выходит на противоположную сторону трубы. На кромках плиты вдоль продольной оси трубы расположены отверстия под болты. Каждый из стержней решетки фермы, сходящихся в узле, деформирован с разделением трубы на две полосы, охватывающие поясную трубу до плоскости плиты, при этом концы полос отгибаются на 90° и отогнутыми поверхностями соединены через болты с опорной плитой узла. Стержни решетки соединяются с узлом в следующем порядке: первым устанавливается на опорную плиту стержень с наибольшим растягивающим усилием, вторым устанавливается стержень с сжимающим усилием. Поперечная балка опирается на верхний из двух раскосов и крепится на те же болты вместе с раскосами. В этом случае, согласно законов статики сооружений, сумма проекций всех сил (усилий в стержнях), сходящихся в узле на вертикальную ось X равна нулю. JРУ=0.

Рис. 4. Ромбическая схема решетки фермы моста

Такое соединение раскосов и поперечной балки приводит к взаимной компенсации отрывающего усилия раскосов от опорной плиты и, следовательно, болты крепления в узле нет необходимости проверять на отрыв. Болты должны обеспечивать крепление от продольного смещения раскосов под действием суммы срезающих усилий вдоль оси моста. Только такое совместное крепление раскосов, взаимно компенсируя усилие отрыва нижнего раскоса и усилие прижима верхнего раскоса, позволит надежно закрепить стержни с опорной плитой без изгиба опорной плиты и без разгибания опорных частей раскосов.

Такая конструкция узла фермы позволит изготовить в заводских условиях сквозные стержни поясов максимальной для транспортировки длины. Так же и стержни решетки (раскосы) моста могут быть изготовлены цельными без технологических стыков и соединяются с поясами ферм на монтаже с помощью болтов.

На рис.5 показан узел фермы, который содержит: стержень 1 пояса фермы, в центре узла симметрично точке пересечения раскосов расположена опорная плита 2, приваренная по периметру к трубе. Раскосы 3 и 4 соединены с плитой болтами 5. На каждом из раскосов перед деформированием концов в диаметрально расположенных зонах роспуска вырезано по узкой полосе металла с плавным закруглением R при вершине реза для уменьшения концентрации напряжений. Опорная плита 2 расположена вдоль оси трубы параллельно действующим в трубе продольным усилиям pit и Ра г, поэтому не вызывает значительной концентрации напряжений в стенке трубы. 3D модель узла показана на рис. 6.

Раскосы главной фермы при ромбической системе решетки взаимно пересекаются между собой, образуя промежуточную точку опоры, что увеличивает их устойчивость. При этом один из пересекающихся раскосов выполняется сквозным, а второй разъемный из двух полураскосов с болтовым соединением с опорной пластиной, вставленной в паз сквозного раскоса.

1 - пояс фермы; 2 - опорная плита; 3 - сжатый раскос решетки фермы; 4 - растянутый раскос фермы; 5 - болты крепления раскосов с опорной плитой

Рис.6. 3D модель узла металлической фермы моста

Для повышения надежности моста и безопасности движения транспорта по мостовому переходу возможно предварительное сжатие нижнего пояса путем натяжения стального троса, пропущенного через свободную внутреннюю полость нижнего пояса. Эта сквозная полость появляется только при использовании стержней из труб. Натяжение троса приведет к снижению растягивающих напряжений в стержнях и повысит их долговечность при циклических нагрузках. Система натяжения троса будет контролировать состояние и работоспособность всех стержней главной фермы моста, что позволяет создать систему мониторинга моста как стратегического объекта транспортной системы, выдавая сигнал тревоги на пульт контроля при нарушении целостности любого несущего элемента главных ферм.

По результатам выполненных исследований за 2005 -2007 гг авторские разработки защищены пакетом патентов на изобретение и полезные модели в количестве 14 штук:

1. Патент на изобретение № 2291938 - Узел-металлической фермы. Авторы: С.И. Казаков, М.В. Полухин. Приоритет изобретения от 27 июня 2005 г.

2. Патент на полезную модель № 59090 - Узел крепления поперечной балки решетчатого моста. Автор -С.И. Казаков. Приоритет полезной модели от 17 апреля 2006 г.

3. Патент на полезную модель № 59090 - Узел металлической фермы. Автор С.И. Казаков.Приоритет полезной модели от 26 июня 2006 г.

4. Патент на полезную модель № 58557 - Пролетное строение металлического моста решетчатого типа. Авторы: С.И. Казаков, С.С. Антонов. Приоритет полезной модели от 25 июля 2006 г.

5. Патент на полезную модель № 58556 - Нижний пояс пролетного строения металлического моста решетчатого типа. Авторы: С.И. Казаков, С.С.Антонов. Приоритет полезной модели от 25 июля 2006 г.

6. Патент на полезную модель № 59082 - Стержень пролетного строения металлического моста решетчатого типа. Авторы: С.И. Казаков, С.С. Антонов. Приоритет полезной модели от 25 июля 2006 г.

7. Патент на полезную модель № 59081 - Верхний пояс пролетного строения металлического моста решетчатого типа. Авторы: С.И. Казаков, С.С. Антонов. Приоритет полезной модели от 25 июля 2006 г.

8. Патент на полезную модель № 59080 Сочленение нижнего пояса пролетного строения металлического моста решетчатого типа. Авторы: C.И. Казаков, С.С. Антонов. Приоритет полезной модели от 25 июля 2006 г.

9. Патент на полезную модель № 59299 - Система мониторинга напряженно-деформированного состояния решетчатого металлического моста. Авторы: С.И. Казаков, С.С. Антонов. Приоритет полезной модели от 25 июля 2006 г.

10. Патент на полезную модель № 59300 - Система мониторинга напряженно-деформированного состояния сооружения, к которому предъявляются повышенные требования безопасности. Авторы: С.И. Казаков, С.С. Антонов. Приоритет полезной модели от 25 июля 2006 г.

11. Патент на полезную модель № 61308 - Узел металлической фермы. Автор С.И. Казаков. Приоритет полезной модели от 20 октября 2006 г.

12. Патент на полезную модель № 663708 - Узел металлической фермы. Автор С.И. Казаков. Приоритет полезной модели от 10 апреля 2007 г.

13. Решение о выдаче патента на полезную модель. Стержень решетчатого моста (заявка № 2007116565/ 22(018011) Авторы: С.И. Казаков, В.В. Полухин, В.К.Сидоров, О.И. Тимошенко. RU Приоритет от 02.05.2007г.

14. Патент на полезную модель № 69876 - Узел металлической фермы моста. Автор С.И. Казаков. Приоритет полезной модели от 03 ноября 2006 г.

Достоинства предлагаемого проекта - Все элементы моста заводского изготовления. Сборка на монтаже с помощью болтов.

- Сварные швы труб, поставляемых с трубопрокатного завода, - связующие швы не подлежат расчету на прочность и не нормируются дефекты.

- Надежность крепления опорной плиты обеспечивается ее расположением в сквозном пазе трубы пояса и сварным швом соединения плиты с трубой.

- Уменьшается протяженность сварных швов для моста не менее чем в 5 раз (остается шов трубы трубопрокатного завода и один шов в узле крепления опорной пластины) и технологические стыковые швы наращивания до необходимой длины поясов.

- При одинаковом нетто сечении коробчатых стержней и стержней из труб в последних выше момент инерции сечения и будет более равномерное распределение напряжений и более высокая циклическая прочность соединений.

- Отсутствуют слабо нагруженные подвески и не-нагруженные стойки.

- Крепление поперечных балок надежное при сохранении типового профиля сварного двутавра.

- Предварительное сжатие нижнего пояса тросом повышает надежность растянутого нижнего пояса и повышает безопасность моста за счет параллельной работы пояса и троса. Трос не разрушается хрупко.

- Измерение усилия в тросе позволяет создать систему мониторинга моста с контролем лишь одного параметра - усилия в натянутом тросе.

Недостатки предлагаемого проекта:

- требуется пластическая деформация торцов труб с нагревом > 850 °С;

- необходимы трубы из стали 15ХСНД;

- требуется изменить схему крепления поперечных балок.