1.2. Металлические опорные конструкции

В число основных видов металлических опорных конструкций входят станционные опоры гибких поперечин, консольные перегонные опоры и ригели жестких поперечин. Все эти конструкции представляют собой пространственные фермы.

Имеется также небольшое количество металлических консольных опор, изготовленных из швеллеров, соединенных в пространственную конструкцию на заклепках. В послевоенные годы для изготовления консольных опор применялись также рельсы. Но общее число этих опор невелико и рассматривать их как класс конструкций нет необходимости.

В основном в СССР применялись решетчатые металлические опоры. Типовой проект их разработан в 1954 г. Трансэлектропроектом. В 1960 и 1973 гг. были проведены корректировки его, уменьшено число типоразмеров опор.

Консольные опоры изготовлялись ненаправленного типа, т. е. сечения растянутого и сжатого поясов в них одинаковы. Размеры поперечных сечений поясных уголков определялись по условиям работы их в сжатых поясах, т. е. с учетом коэффициентов продольного изгиба. Это привело к необходимости увеличения сечений поясных уголков на 20-30% по сравнению с тем, которое требовалось при чистом сжатии (или растяжении). Образовавшиеся таким образом резервы прочности можно выбрать, например, в условиях местной коррозии на уровне заделки сжатых поясных уголков в фундаменты, так как это не влияет на устойчивость их, а также при любых видах ослабления сечений растянутых поясов.

Станционные опоры гибких поперечин в первые годы электрификации, гак же как и консольные, делались ненаправленного типа. Но позднее решено было растянутые пояса их делать из более тонких уголков, чем сжатые. Запасы прочности в них стали меньше.

Металлические опоры как станционные, так и перегонные по характеру загружения подразделялись на два вида: промежуточные и анкерные. Промежуточные опоры рассчитывались только на нагрузки, действующие в одной плоскости - поперек пути, а анкерные - в двух плоскостях. Поясные уголки и раскосы у анкерных опор имеют большее поперечное сечение, чем у промежуточных. Причем у консольных анкерных опор нагрузка в направлении вдоль пути в несколько раз превышает нагрузку, действующую поперек пути. Соответственно и развитие их сечений в этом направлении больше.

Размеры поперечных сечений опор и ригелей подобраны по условиям прочности и деформативности. Расчеты выполнены в соответствии с действовавшими строительными нормами и правилами.

Изгибающие моменты и поперечные силы в сечениях металлических опор определялись по огибающим эпюрам, наиболее характерные из которых приведены на рис. 1.5 и 1.6. Эти эпюры характеризуют наиболее опасные комбинации (нагрузок, встречающиеся в реальных условиях.

Рис. 1.5. Огибающие эпюры изгибающих моментов (б) и поперечных сил (в), применявшихся при расчете консольных опор (а)

Сечения поясных уголков опор подбирались по максимальным значениям изгибающих моментов, действующих на уровнях обрезов фундаментов и стыков секций. Из нескольких секций с разными поясными уголками собирались в основном станционные опоры гибких поперечин. У консольных промежуточных опор, хотя они тоже были двухсекционными, пояса изготовлялись из уголков одного профиля.

Рис. 1.6. Огибающие эпюры изгибающих моментов (б) и поперечных сил (в), применявшихся при расчете опор гибких поперечин (а)

В связи с тем что сечения поясов опор подбираются по максимальным значениям изгибающих моментов, действующих только в нижней части опор (или секций), выше этих зон всегда имеется "лишний" металл. Это должно учитываться при определении допустимого коррозионного ослабления сечений поясов.

Раскосы в решетчатых опорах рассчитывались на восприятие поперечной силы Q. Сечения их так же, как и сечения поясов, подобраны по максимальным усилиям. В связи с тем что длина раскосов в нижней части опор больше, чем в верхней, они могут терять устойчивость раньше. Соответственно и допустимый износ их должен быть меньше.

Прикрепления раскосов к поясным уголкам и стыковые соединения поясных уголков между собой рассчитывались на те же усилия, что и основные элементы. Прочность их должна быть не меньше прочности поясных уголков и раскосов. Практически оказалось, что принятые в типовых проектах сварные соединения имеют несколько большую прочность, чем сами конструктивные элементы. Поэтому выхода из строя опор из-за ненадежности сварных соединений не отмечалось. Но в то же время следует иметь в виду, что прикрепления и стыковые соединения не рассчитывались на дополнительные усилия, которые иногда появляются, например, при щелевой коррозии от увеличения в объеме основного металла. Да и сами значения этих усилий неизвестны. Поэтому, чтобы не допустить развития щелевой коррозии, рекомендуется необварешные участки стыков герметизировать, предотвращая попадание воды под накладки.

Изготовлялись металлические опоры из углеродистой стали обыкновенного качества, мартеновской, марок ВМСт3сп, ВМСт3пс и ВМСт3кп. Кипящую сталь (ВМСт3кп) разрешалось применять только в районах с расчетной температурой воздуха не ниже (-30°С), а полуспокойную - при температуре не ниже (-40°С). Конструкции, предназначенные для эксплуатации в районах с расчетной температурой от -40 до -65° С, должны были изготовляться из специальных сталей с улучшенными характеристиками по прочности и ударной вязкости. Для изготовления ригелей жестких поперечин должны были применяться те же стали, что и для опор.

Сечения ригелей жестких поперечин рассчитывались и подбирались на нагрузки, действующие в вертикальной и горизонтальной плоскостях. В число вертикальных нагрузок входили вес подвесок, вес питающих и усиливающих проводов, собственный вес ригеля, вес льда на проводах и конструкциях. Горизонтальные нагрузки создаются при воздействии ветра на ригель и при обрыве проводов (в аварийном режиме). Расчетная схема, эпюры моментов и поперечных сил от этих нагрузок показаны на рис. 1.7. Дополнительно при проектировании ригелей учитывались местные изгибающие моменты, передаваемые на конструкции от фиксаторных стоек (при воздействии ветра на провода).

Рис. 1.7. Расчетная схема (а), эпюры моментов (б) и поперечных сил (в), применяющиеся при расчете ригелей балочного типа

Нижние поясные уголки в ригелях имеют меньшее поперечное сечение, чем верхние. Обусловлено это тем, что верхние уголки работают на сжатие и их сечение подбиралось с учетом коэффициента продольного изгиба, меньшего единицы. При проектировании ригелей считалось, что изгибающий момент, передающийся на ригель при обрыве проводов, полностью воспринимается горизонтальной фермой нижнего пояса. В действительности это не совсем так: часть его передается и на верхний пояс. В итоге верхний пояс оказывается загруженным несколько сильнее, а нижний слабее, чем принято в расчете. Но это перераспределение в процентах пока не установлено. Считать, что горизонтальная нагрузка распределяется пропорционально жесткостям поясов, как это делается при распределении ветровой нагрузки (при направлении ее вдоль пути), в данном случае нельзя. Дальнейшие исследования механики работы ригелей позволят решить эту задачу. Сейчас пока ясно одно, что в растянутых нижних поясах имеется некоторый запас прочности, а верхние могут оказаться перегруженными в аварийном режиме. Это необходимо учитывать при оценке надежности корродированных ригелей.

В каждой секции ригеля сечения поясных уголков подобраны по максимальному моменту. Поэтому в ригелях, как и в опорах, за зонами максимальных моментов поясные уголки недогружены. Эти резервы прочности можно при необходимости использовать.

Раскосы в ригелях жестких поперечин рассчитывались на восприятие поперечной силы. Максимальное значение поперечная сила имеет на приопорных участках, где изгибающие моменты малы. При принятой в типовых проектах ориентации раскосов в них должны возникать растягивающие усилия, а в стойках - сжимающие. На эти усилия и подобраны поперечные сечения этих элементов. Если же ригели или отдельные блоки в них при монтаже были перевернуты, то в раскосах и стойках при загружении конструкций возникают усилия противоположного знака. При этом в наиболее тяжелом положении оказываются раскосы, которые должны работать на сжатие (вместо растяжения). В связи с большой гибкостью расчетное сжимающее усилие, которое способны выдержать раскосы, в 2-3 раза меньше, чем растягивающее. Особенно резкое снижение несущей способности раскосов будет тогда, когда в них имеются еще и выгибы. В некоторых случаях это приводит к падению ригелей. Эксплуатировать перевернутые ригели в течение продолжительного времени удается только потому, что нагрузка на них за эксплуатационный период не достигла расчетной. Но продолжаться бесконечно это не может, и чтобы избежать аварии, необходимо своевременно усилить такие ригели, сделав предварительные расчеты прочности и обосновав необходимость этих работ применительно к конкретным условиям загружения.

В ригелях типовой сборки раскосы и стойки имеют некоторые запасы прочности. Большие запасы у коротких ригелей (до 22,5 м), меньшие - у длинных. Образовались запасы из-за того, что требуемые по расчету уголки 15X4 И 20X4 мм прокатываются отечественной промышленностью в ограниченном количестве. Поэтому применялись вместо них уголки большего сечения 25X4 мм. Образовавшиеся вследствие этого резервы прочности также можно выбрать при коррозионном износе. Но использовать можно только те резервы, которые образовались в результате недонагружения. Они, к сожалению, невелики и не всегда очевидны. В каждом конкретном случае их нужно выявлять с учетом механики работы конструкций и характера разрушения.