Металлические конструкции мостов

В зависимости от типа крана металлоконструкция моста состоит из двухбалочной или однобалочной пролетной части, соединенной с концевыми балками.

В двухбалочных мостах наряду с довольно распространенными главными балками в виде четырех (иногда трех) пространственно расположенных плоскостей, выполненных из листа (рис. 2.1) или в виде ферм, применяют и различные открытые и комбинированные балки. Рельсы для опорных тележек располагают посередине балки, над одной из ее стенок или на нижнем поясе. Горизонтальная жесткость у одностенных балок достигается применением развитого верхнего пояса, выполненного в виде горизонтально расположенного двутавра.

Пространственная жесткость создается в закрытых балках диафрагмами, размещаемыми по длине пролета, а в открытых — поперечными рамами или специальными коробками и ребрами жесткости. На рис. 2.2 показано несколько типов таких балок: угловая сплошностенчатая (рис. 2.2, а), коробчатая ферменная с основной листовой или ферменной стенкой (рис. 2.2, б), с несимметричными коробчатыми балками (рис. 2.2, в), с балками, усиленными коробками (рис. 2.2, г ид) и с открытой пространственной фермой (рис. 2.2, е).

Рис. 2.1. Коробчатые балки

Однобалочные пролетные части выполняются закрытого типа четырех- или трехплоскостными (см. рис. 1.13). Такие балки должны обладать большой жесткостью в вертикальной и горизонтальной плоскостях, а также достаточной крутильной жесткостью и устойчивостью. Поэтому их изготовляют из листа с тонкими, но достаточ­но жесткими диафрагмами и продольными ребрами жесткости.

Рис. 2.2. Типы пролетной части мостов

В зависимости от расположения тележечных рельсов (рис. 2.3) принимают следующие соотношения размеров балок:

для двухбалочных мостов при расположении рельса по оси балки

и реже

где Н — высота балки; — длина (пролет) балки; В — расстояние между вертикальными листами;

для однобалочных мостов при расположении рельса над стенкой

Рис. 2.3. Расположение тележечных рельсов

Для обеспечения необходимого момента сопротивления сечения в двуcтенчатых балках толщина горизонтальных листов принимается больше толщины стенки, а их ширина составляет от ¹/₃ до ¹/₃, ₈ высоты балки. Стенки балок характеризуются сравнительно низким использованием металла. Имея в виду, что их масса составляет 40 — 50% от общей массы балок, стенки стараются облегчить за счет Уменьшения толщины и устройства вырезов, позволяющих рассматривать их как безраскосную ферму (рис. 2.4).

Толщина стенок лимитируется местной устойчивостью: при отношении высоты стенки к ее толщине более 160 дополнительно к диафрагмам предусматривается одно горизонтальное ребро жесткости, а при отношении более 200 — два ребра жесткости. Ребра устанавливаются в сжатой зоне стенки. Они могут выполняться из швеллеров, уголков или гнутых профилей и располагаются снаружи или внутри балки (рис. 2.1. На рис. 2.1 (в середине) показана главная балка50-тонного крана с внутренними продольными ребрами жесткости коробчатого сечения, применение которых позволило уменьшить толщину стенок с 8 до 6 мм и массу балки примерно на 20%.

Рис. 2.4. Кран с безраскосной фермой грузоподъёмностью 20/5 т

Главные балки снабжаются большими и малыми (по высоте) диафрагмами, которые придают устойчивость вертикальным стен­кам, предотвращают местный изгиб верхнего пояса и повышают общую устойчивость балок. Высота больших диафрагм почти равна высоте стенки. Иногда в них делают прямоугольные с закругленными углами отверстия. Между нижней кромкой большой диафрагмы и нижним поясом балки имеется зазор. При расположении рельсов по осям балок диафрагмы являются для них опорами, участвуя в передаче нагрузок на вертикальные стенки. В этих случаях верхние кромки диафрагм приторцовывают к верхним поясам балок.

Несимметричное расположение рельса относительно вертикальной оси коробчатой балки ведет к ее нагружению крутящим моментом. Такое нагружение может быть предотвращено, если линия действия вертикальной нагрузки проходит через центр изгиба сечения. Наиболее целесообразно располагать рельс над одной из стенок балки, что исключает изгиб поясного листа. Центр изгиба располагается по одной из стенок в том случае, если толщина ее в 4—5 раз превышает толщину другой стенки и составляет 16—20 мм. Увеличение толщины стенки обеспечивает снижение местных на­пряжений от давления ходовых колес тележки. Масса моста в этом случае снижается на 15—20%.

Поскольку установка горизонтальных ребер жесткости, выполненных из прокатных профилей, ведет к увеличению массы металлоконструкции, в качестве подкрепления стенки элементов используется ее местная гофрировка [20], при которой масса снижается на 5—7%. Основное отличие работы гофра, имеющего полукруглое, треугольное, трапециевидное или прямоугольное сечение (рис. 2.5), от работы ребер из полосы, уголка и т. д. заключается в том, что он работает совместно со стенкой, как с пластиной. В то же время гофр является упругим элементом, который испытывает значительные деформации под действием поперечных и продольных сжимающих (или растягивающих) усилий. Характер работы гофра зависит от отношения его длины к высоте . При свободном опирании его концов и при размерах =1500 мм, = 35 мм и = 5 мм гофр работает как балка.

Рис. 2.5. Типы гофров

Согласно работе [59] масса металлоконструкции моста зависит главным образом от конструкции главных балок (рис. 2.6): двухбалочный мост, выполненный по схеме на рис. 2.6, а, характеризуется отношением Н/В=3. Консольные продольные площадки используют для обслуживания крана, а также для размещения шкафов 1 с электроаппаратурой. В мостах с уширенными балками при (Я/В)<3 (рис. 2.6, б) электроаппаратура размешается внутри балок, которые используются также в качестве галерей. Отличием моста, выполненного по схеме на рис. 2.6, в, являются сплошностенчатые главные балки и безраскосные вспомогательные, связанные между собой в коробчатую конструкцию. Однобалочные мосты (рис. 2.6, г) за счет сокращения числа вертикальных стенок и других деталей имеют значительно меньшую массу.

В табл.2.1 приведены данные по рассмотренным типам металло­конструкций пролетной части мостов из малоуглеродистой стали для крана грузоподъемностью 100 т и пролетом 29 м.

Рис. 2.6 Конструкция главных балок

При размещении электрооборудования внутри главных балок, стыкующихся с концевыми на одном уровне, приводы механизмов передвижения размещаются на уровне нижних поясов главных балок, в связи с чем возникает необходимость устраивать в верхнем поясе проемы и люки, наличие которых отрицательно сказывается на прочности конструкции. Более целесообразно уменьшать по концам ширину главных балок в виде уступа (рис. 2.7), а в его торце выполнять окантованный проем для прохода внутрь балки. Механизм передвижения при этом располагается на консольной площадке, и к нему обеспечивается свободный доступ. При расчете таких балок следует учитывать дополнительные изгибающие моменты в горизонтальной плоскости, возникающие вследствие резкого изменения сечения.

Таблица 2.1

Одним из резервов снижения массы металлоконструкции моста является применение тонкостенных гнутых и штампованных профилей. По сравнению с угловым и швеллерным прокатом (табл. 2.2) они имеют лучшее пространственное распределение материала по сечению и поэтому более устойчивы и лучше сопротивляются кручению, в связи с чем достигается снижение массы металлоконструкции до 30%.

Рис.2.7 Главная балка с уступом

На рис. 2.8 показаны балки, изготовленные из гнутых профилей. Балка прямоугольного сечения (рис. 2.8, а) сваривается из двух профилей 5, которые имеют в нижней части отбортовки 2 для сварного шва1. В верхней части профилей путем гиба образованы полки 5 с вертикальными участками 7. Полки соединены со стенками электрозаклепками 4, а профили между собой — швом 6. Полки 5 выполняют роль горизонтальных ребер жесткости, поддерживая стенки профилей в верхних сжатых зонах, а участки 7 поддерживают рельс 9. Ребра 8, прикрепляемые к основным профилям также электрозаклепками, служат для увеличения устойчивости стенок профилей и распределения нагрузки от тележки на стенки балки.

Таблица 8.2

Преимуществами балки такой конструкции являются уменьшение длины сварных швов и минимальное количество горизонтальных ребер жесткости.

В балке другой конструкции (рис. 2.8, б) гнутые профили 13 соединены сварными швами с полками стенки 12, имеющей дву­тавровое сечение. Для облегчения стенки в ней сделаны отверстия 11. Рельс 10 укладывают на стенку и приваривают к полке.

Рис. 2.8. Балки из гнутых профилей

Сечение пролетной балки из гнутых профилей, показанное на рис. 2.8, в, образовано стенкой 23 с отбортовкой в нижней части, играющей роль нижнего пояса и верхним 2-образным поясом 26. Последний вместе с участком вертикальной стенки образует замкнутую полость 24, обеспечивающую необходимую крутильную жест­кость сечения. Рельс 25 устанавливается непосредственно над стенкой.

Из двух симметричных половин, соединяемых в верхней части профилем 21, диафрагмой 20 и полосой 22, состоит балка, изображенная на рис. 2.8, г. В нижней части ее половины 18 соединены листом 19. Соединение элементов балки осуществляется точечной сваркой. Профиль 21 служит для передачи вертикальной нагрузки на стенки половин 18, а диафрагма 20 предотвращает их выпучивание.

Балка открытого типа (рис. 2.8, д) имеет невысокую стоимость при экономичном расходе материала и простоту сборки, а также простоту крепления рельсов. Она состоит из полок 14 и 17, соединенных стенкой 16. Чтобы не допустить коробления верхней полки, к ней приваривают полосы 15, которые соединяют сваркой с верти калькой стенкой в местах ее перегиба. Стенка может иметь волнистую, треугольную или прямоугольную форму. Момент инерции сечения балки примерно такой же, как и двутавровой балки той же высоты и ширины.

Рис. 2.9 Гофрированный настил

Масса площадок, которая достигает 8% массы крана, может быть снижена, если применить конструктивные элементы из гнутых профилей, гофрированных настилов (рис. 2.9) и использования для них алюминиевого листа.

Для улучшения условий труда при установке диафрагм внутри ба­лок, приварка которых в основном производится вручную, хотя и составляет значительную часть общего объема сварочных работ (например,в 25-метровой пролетной части крана грузоподъемностью 5 г имеются 24 больших и 72 малых диафрагмы с общей протяжен­ностью шва 76,5 м), применяют электрозаклепки или контакт­ную сварку, которые позволяют производить операции сварки снаружи балок [40]. В этом случае диафрагмы выполняются с отбортовкой шириной около 50 мм на вертикальных сторонах. Выполнение отбортовки на овальном отверстии диафрагмы не только уве­личивает ее жесткость, но и позволяет уменьшать толщину. Шаг электрозаклепок не должен превышать в сжатой зоне 100 мм, в растянутой — 150 мм. Оптимальным является шаг, равный 3—5 диаметрам электрозаклепки, который составляет 17 мм при толщине свариваемых листов 5 мм и 18 мм — при толщине 6 мм. По сравнению с ручной сваркой трудозатраты снижаются при ис­пользовании электрозаклепок на 25%, при контактной сварке—на 60%.

Идеальным с точки зрения использования металла является из­готовление главных балок из труб, имеющих эллиптическую форму (рис. 1.23, а). Предел устойчивости стенки такой балки лежит выше предела текучести ( в связи с чем возможно совсем отказаться от Диафрагм) и ее масса на 8—10% меньше коробчатой балки. Однако поскольку трубы такого профиля не изготовляются, нашли приме­нение круглые трубы.

Мосты кранов из труб выполняются как двухбалочными (см. рис. 1.23, б), так и однобалочными. В последнем случае главная балка может быть сварена в вертикальной плоскости из нескольких ^труб и имеет в своей средней части рельсы для тележки. Рама тележ­ки выполняется из двух 11-образных балок, охватывающих мост низу и соединенных между собой продольными элементами. Тележка передвигается на четырех колесах с помощью двух приводов" расположенных с обеих сторон моста. Барабан охватывает балку опирается на катки, закрепленные на раме тележки. Привод механизма подъема состоит из электродвигателя и редуктора, шестерня на выходном валу которого находится в зацепле­нии с зубчатым венцом барабана.

Рис. 2.10. Весовые характеристики мостов

При изготовлении пролетных ча­стей кранов в виде ферм возможно наряду с прокатными профилями применять и трубы. Последние позволяют использовать их в качестве длинных стержней и сокра­тить расход металла на дополнительные связи. Это особенно важно для стержней, сечение которых выбирается из условий предельной гибкости. К числу преимуществ использования труб относится воз­можность применения стенок меньшей толщины. Так, если толщина полок уголков обычно не менее ¹/₁₀—¹/₂₀ ширины полки, то для труб эта величина уменьшается до ¹/₂₀—¹/₅₀ диаметра.

Рис. 2.11 Концевая балка

Трудоемкость сварки трубчатых конструкций на 40% выше, чем конструкций из угловой стали, а стоимость конструкций из них на 8—15% выше, чем конструкций из уголков, хотя стоимость труб примерно на 20% выше стоимости углового проката. Это объяс­няется резким уменьшением количества вспомогательных элемен­тов (фасонок, прокладок и т. д.).

Поверхность трубчатой фермы примерно на 30% меньше поверх­ности фермы из проката. Это обстоятельство не только уменьшает ветровую нагрузку на кран, но и снижает эксплуатационные рас­ходы за счет уменьшения площади окрашиваемой поверхности. Поскольку элементы с кольцевым замкнутым сечением при равной площади сечения имеют по сравнению с сечениями элементов дру­гих типов больший радиус инерции, применение их в конструкциях ферменных мостов дает снижение массы на 25—30%. На рис. 2.10 для сравнения приведены пока­затели массы ферменных (кри-_вая /), коробчатых (кривая 2) и одностенчатых (кривая 3) мо­стов кранов грузоподъемностью 30 т и пролетом 20 м.

Рис. 2.12. Стыковой узел

Концевые балки, независимо _От конструкции пролетной части, как правило, имеют коро­бчатое сечение (см. рис. 1.1). Поскольку балки работают на изгиб в горизонтальной плоскости, они должны обладать в этом направлении достаточной жесткостью. Обычно момент инерции их сечений относительно вертикальной оси принимается не меньшим, чем момент инерции сечения главной балки в месте их соединения [10]. Конструкция концевой балки крана грузоподъемностью 20/5 т показана на рис. 8.11.

Рис. 2.13. Соединения главных балок с концевыми

Важным с точки зрения конструкции является узел соединения главных балок с концевыми. Это соединение кроме необходимой прочности должно быть достаточно жестким, чтобы воспринимать изгибающие моменты в местах стыковки балок при действии горизонтальных нагрузок. От горизонтальной жесткости моста в значительной степени зависит величина перекоса крана при движении и степень износа ходовых колес.

До недавнего времени соединение балок осуществлялось на заклепках (рис. 2.12). Это требовало выполнения трудоемких работ связанных с подгонкой стыков, и сверления большого количества отверстий, часто в труднодоступных местах; например, для соедине­ния балок моста крана грузоподъемностью 150/30 т необходимо было просверлить 536 отверстий диаметром 22 мм при толщине пакета 36—48 мм.

В современных кранах, в большинстве случаев, соединение глав­ных балок с концевыми осуществляется сваркой встык или со ступенчатым опиранием (рис. 2,13, а). Это резко снижает трудоемкость изготовления металлоконструкций. При соединении со ступенчатым опиранием места прилегания главных и концевых балок механически обрабатываются; ступенчатое соединение облегчает регулирование пролета при контрольной сборке моста.

Разработано несколько способов соединения балок, обеспечивающих точный и быстрый монтаж моста на месте его эксплуатации и исключающих деформации, вызываемые сваркой. К таким соединениям относится болтовое, имеющее довольно широкое распространение, но и значительную трудоемкость. При соединении, показанном на рис. 2.13, б, главная балка 4 снабжается с обоих торцов цапфами 3. Цапфы входят в соответствующие гнезда кон­цевых балок 2. Регулирование пролета крана осуществляется установкой прокладок. После этого балки соединяются болтами. При несимметричном расположении рельса относительно оси главной балки для устранения возникающего при этом крутящего момента цапфы к балке прикрепляют эксцентрично. Для этого их предварительно монтируют на круглых фланцах, которые дают возможность устанавливать цапфы по оси подтележечных рельсов.

Рис. 2.14. Мост статически определимой конструкции

При другом варианте соединения на концевых балках устанавливают пластины с опорными горизонтальными кромками. Соответствующие пластины главных балок имеют с этими пластинами общие отверстия. При контрольной сборке моста вначале прикрепляют болтами пластины концевых балок к пластинам главных балок, а затем устанавливают последние между концевыми балками и производят сварку торцов главных балок с пластинами. Небольшая длина болтов практически исключает возможность их удлинения при работе крана, а горизонтальные кромки пластины — возможность их среза.

На рис. 2.13, в показано соединение в виде «ласточкина хвоста». Кромки пластины, закрепленной на главной балке, взаимодействуя с поверхностями сопрягаемой детали на концевой балке, вос­принимают растягивающие усилия и крутящий момент и разгружают болты.

При соединении, изображенном на рис. 2.13, г, упрощается мон­таж крана, не требуется жесткого допуска на длину главных балок, но строго выдерживается пролет моста. Пластина 6 имеет боковые накладки, охватывающие с двух сторон главную балку. В ней вы­полнены общие с пластиной 5, закрепленной на концевой балке, отверстия. Пластины соединяются болтами, и между накладками устанавливается главная балка, которая после выверки пролета сваривается с накладками швами 7 и 8.

Еще одна конструкция соединения (рис. 2.13, д) концевой балки 15 с главной балкой 17 предусматривает наличие в поперечных ребрах 12 концевых балок (поддерживаемых уширенными поясными листами 16) отверстий, усиленных шайбами 11. Отверстия с шайба­ми 9 выполнены и в главных балках. В отверстия вставляются оси 13, воспринимающие моменты, действующие в трех плоскостях, и вертикальные и горизонтальные нагрузки, действующие вдоль главных балок. Нагрузки, действующие вдоль концевых балок, воспринимаются осью 10, укрепленной в концевой балке и входящей в расточку 14 главной балки. Зазоры в соединении такого типа не превышают величин, исключающих их влияние на точность расположения балок и удары в соединении при работе крана.

При статически определимой схеме моста в отличие от ранее рассмотренных схем нагрузки, действующие на его элементы, на кра­новые пути и строительные конструкции, зависят только от характеристик крана (грузоподъемности, ускорений при перемещении и т. д.) и практически не зависят от отклонения размеров путей и сопрягающихся размеров моста. В то же время существенно сни­жаются поперечные силы (коэффициент реборд может быть равен единице). Благодаря этому мощность электродвигателей может быть снижена в 2—2,5 раза, двигатели равномерно загружаются при любой величине груза, вне зависимости от его положения в пролете 135].

Конструкция статически определимого моста, состоящего из двух полумостов Л и Б, соединенных между собой шарнирно, пока­зана на рис. 2.14. Каждый полумост включает концевую балку 4 с ходовыми колесами 1, приводом 9 и жестко прикрепленную к ней главную балку 3. Свободный конец главной балки опирается на концевую балку второго полумоста через горизонтальный ролик 5. Боковые вертикальные ролики 7 служат для ограничения горизонтального, а лист 8 и угольник 2 - для ограничения продольных смещений полумостов. Плита 6 удерживает главную балку от смещения вверх. Масса такого моста на 25% меньше массы моста жесткого типа. В то же время резко повышается долговечность и тормозов механизма передвижения и снижается амплитуда вертикальных колебаний.