Глава 4. Усиление эксплуатируемых конструкций и защита их от коррозии

4.1. Усиление металлических опор и ригелей

Возможность и целесообразность усиления опорных конструкций определяется видом и размерами повреждений. Принципиально усиление можно выполнять двумя методами: изменением конструктивной схемы или непосредственным усилением отдельных элементов посредством увеличения их сечения. Первый метод целесообразно применять тогда, когда конструкция подвержена сильным коррозионным разрушениям на большой длине, второй - при местном разрушении. Второй метод значительно проще первого, но сфера его применения ограничена. Практически приваркой дополнительных элементов целесообразно усиливать пояса опор и мачт. Можно этим же методом усиливать в опорах и раскосы, подвергшиеся коррозии на уровне заделки в фундаменты. Ригели, подвергшиеся сильной атмосферной коррозии, усиливать поэлементно нерационально: работы по усилению конструкций в зоне подвески контактной сети пришлось бы вести со снятием напряжения, т. е. с перерывом в движении поездов.

Работы по усилению поясов опор и мачт на уровне обрезов фундаментов не требуют перерыва в движении поездов. Их можно вести в любое время года. В большинстве случаев при этом не требуется и разгрузки конструкций. Нужно только, чтобы во время производства работ нагрузка на конструкцию не превышала 50% расчетной. При такой нагрузке напряжения в ослабленных сечениях не превысят предельно допустимых (по условиям производства сварных работ), если оставшееся сечение поясных уголков будет не меньше 60% первоначального. Поэтому разрабатывать специальные способы усиления поясных уголков с таким коррозионным износом нет необходимости.

В подавляющем большинстве случаев усилия в опорах не превышают 50% расчетных значений, если ветер не больше 3-5 м/с и отсутствует гололед на проводах.

Приваривать усиливающие элементы нужно так, чтобы они не приводили к внецентренности приложения нагрузки в усиливаемом элементе. Кроме того, желательно накладки располагать относительно поясных уголков таким образом, чтобы между ними не могла развиваться щелевая коррозия. Для этого нужно их ставить в сечении перпендикулярно поверхности поясных уголков. Если это сделать невозможно, необходимо предотвратить попадание влаги в пространство между свариваемыми элементами.

Площадь поперечных сечений привариваемых элементов к растянутым поясам в зоне оголовка:

где N_p - расчетное усилие в поясе;

R_y - расчетное сопротивление стали, равное 210 МПа для СтЗ;

A_p - площадь оставшегося поперечного сечения поясного уголка.

Сечение накладок для усиления сжатых поясов

где R_y, N_c(N_p), A_c(A_p) - те же величины, что и в предыдущей формуле;

φ - коэффициент продольного изгиба усиленного элемента конструкции, который при ориентировочных расчетах может быть принят равным коэффициенту продольного изгиба неповрежденного поясного уголка.

Усиливаемые элементы необходимо приваривать фланговыми швами высотой 6 мм. Поперечные швы не допускаются. Сварные швы должны выполняться только сплошными. Наложение прерывистых швов не допускается, так как в местах начала и конца каждого участка прерывистых швов создаются многочисленные подрезы, которые часто бывают очагами крупных трещин. Привариваемые накладки и косынки должны изготовляться из металла по качеству не ниже, чем в эксплуатируемых конструкциях. Желательно было бы во всех случаях использовать мартеновские спокойные или полуспокойные стали, поставляемые по группе В. Применение других сталей, в том числе высокоуглеродистых и легированных, может привести к нежелательным последствиям: трещинам в швах, межкристаллитной и ножевой коррозии.

Усиление поясов опор гибких поперечин и прожекторных мачт (рис. 4.1) накладками было осуществлено в опытном порядке на Рижском участке энергоснабжения. При этом предварительно бетон оголовков у поясных уголков был сбит. Накладки были заведены за зону разрушения на 15-20 см. Швы рассчитывались по условию равнопрочности их с накладками.

Рис. 4.1. Пояс опоры, усиленный косынками

Рассмотренный способ усиления поясов можно широко использовать на дорогах.

Сжатые поясные уголки опор гибких поперечин и прожекторных мачт, подвергшихся атмосферной коррозии, можно несколько усилить, уменьшив их свободную длину посредством установки раскосов. Поясные уголки опор гибких поперечин при необходимости можно также усилить, приварив к ним с наружной стороны круглую сталь диаметром 18-30 мм. Но в этом случае внешний вид опор несколько ухудшается.

Ригели жестких поперечин, подвергшихся равномерной коррозии, усиливать сложнее, чем опоры, имеющие местные повреждения. Здесь наиболее рационален метод изменения конструктивной схемы поперечин. При этом методе формального усиления конструктивных элементов не происходит, но общая работоспособность поперечин увеличивается.

Конструктивную схему жесткой поперечины можно изменить, если:

превратить поперечину из балочной в рамную, увеличив жесткость узлов сопряжения ригеля с опорами посредством установки подкосов [19];

установить предварительно напряженный шпренгель под нижний пояс ригеля (рис. 4.2,а).

При увеличении жесткости опорных узлов пояса ригелей разгружаются в средней части пролета вследствие того, что часть моментной нагрузки будет передана на опоры. Но в целом уменьшение пролетного момента при таком способе невелико и составляет 15-20%.

Метод усиления ригелей, заключающийся в установке предварительно напряженных шпренгелей, более прост и поэтому был применен на Донецкой и Приднепровской дорогах. Этим способом можно уменьшить нагрузку на пояса в пределах 15-25%. При этом следует иметь в виду, что шпренгель эффективно работает только тогда, когда он предварительно напряжен. Усилие предварительного напряжения рассчитывается в соответствии с [8, 10]. Нельзя давать чрезмерно большое обжатие нижнего пояса, так как поясные уголки могут выпучиться.

Установкой шпренгелей в плоскости нижнего пояса усилить удается только пояса. Раскосы в этом случае не разгружаются. Если анкеровку делать не на нижнем поясе, а на верхнем (рис. 4.2,б), в месте перелома шпренгеля появится разгружающая раскосы поперечная сила Q_p. Она будет оказывать влияние на раскосы на всем триопорном участке, т. е. от точки перелома шпренгеля до опоры. Эта поперечная сила зависит от усилия натяжения шпренгеля N_ш и угла перелома α, т. е. Q_p=Nsinα.

Рис. 4.2. Схема усиления ригелей шпренгелями: 1 - шпренгель; 2 - упоры

Общее усилие, на которое должны будут рассчитываться раскосы приопорного участка, определится как разность поперечной силы от основной нагрузки Q и разгружающего усилия Q_p.

При решении вопроса о целесообразности усиления или замены ригелей необходимо серьезное -внимание обращать на характер разрушения их. Часто большому коррозионному разрушению бывают подвергнуты раскосы, стойки и связи. Разгрузить их надлежащим образом далеко не всегда удается, а усиливать пояса без усиления решетки неэффективно. При больших протяженных коррозионных поражениях ригелей необходим^ их заменять.