Какая марка стали используется для изготовления металлических пролетных строений мостов

Обновлено: 25.06.2024

Современные металлические мосты выполняют из прокатной стали, содержащей от 0,1 до 0,25% углерода. При таком содержании углерода сталь хорошо поддается механической обработке, обладает вязкостью, пластичностью и способностью свариваться.

С повышением содержания углерода увеличиваются прочность и предел текучести стали. Вместе с тем уменьшается удлинение, повышается хрупкость, ухудшается способность сваривания и увеличивается трудность механической обработки металла. Поэтому для мостов, испытывающих динамическое воздействие нагрузки и местные концентрации напряжений в отдельных частях конструкции, сталь с высоким содержанием углерода не применяется.

Кроме углерода, сталь всегда содержит марганец и кремний, благоприятно влияющие на ее механические свойства. Марганец и кремний увеличивают прочность стали и повышают предел ее текучести, однако, кремний в то же время несколько понижает стойкость стали против ржавления. Полезной присадкой является медь, которая в количестве до 0,5% повышает стойкость стали против ржавления и несколько улучшает ее механические свойства.

Сталь, содержащую повышенное количество примесей, благоприятно влияющих на ее механические качества, называют легированной. При этом для мостов используют в основном так называемые низколегированные стали, содержащие сравнительно небольшой процент полезных примесей.

Сталь всегда содержит также и вредные примеси: серу, фосфор, кислород и азот. Сера, образуя с железом легкоплавкое сернистое железо, делает сталь красноломкой, плохо сопротивляющейся механическим воздействиям в горячем состоянии. Фосфор вызывает хладноломкость, т . е . хрупкость стали при низких температурах. Поэтому в строительных сталях и особенно в сталях, применяемых для мостов, содержание серы и фосфора строго ограничивается. Кислород так же, как и сера, делает сталь красноломкой. Азот способствует развитию хрупкости стали с течением времени (старение). Сталь выплавляется металлургическими заводами в мартеновских или конверторных печах. Мартеновская сталь имеет более высокие механические качества, и поэтому ее предпочитают применять для металлических мостов.

В зависимости от способа выплавки различают кипящую и спок о й н у ю сталь. Спокойной называют сталь, в которой процесс раскисления, выражаемый реакцией FeO + C = Fe + CO, доведен до конца, что обеспечивает твердение стали в изложницах, без выделения газов. Поэтому спокойная (раскисленная) сталь обладает высокой плотностью и однородностью строения. Раскисление производят добавлением в сталь в конце процесса ее варки (в печь, ковш, или изложницу) раскислителей: кремния, марганца, алюминия. Кипящей называют сталь, в которой процесс раскисления не доведен до конца. В такой стали при ее остывании и твердении продолжается процесс выгорания углерода — «кипения», сопровождающийся выделением газов (СО). Не имея свободного выхода из остывающей стали, газы образуют в ней пузырьки. Сталь приобретает неоднородное строение с сильно развитой ликвацией.

Поверхность слитка, затвердевающая первой, содержит меньше углерода и других примесей, чем центральная его часть.

Ликвационные явления сильно проявляются и в выделении фосфора, серы и других примесей на стенках образующихся в стали пузырьков. Неоднородность стали в отливках переходит в прокат. При этом ликвационные выделения в пузырьках при прокате превращаются в тончайшие прослойки с резко повышенным содержанием серы и фосфора. Эти прослойки могут явиться причиной появления трещин при термических воздействиях на сталь (например, при сварке).

Кипящая сталь дешевле спокойной, но вследствие неоднородности строения уступает ей по своим строительным качествам. Промежуточные свойства между кипящей и спокойной сталью имеет полуспокойная сталь, также выпускаемая нашей металлургической промышленностью.

Для мостов, являющихся сооружениями, работающими на динамическую нагрузку, а также подвергающимися действию низких температур, желательно применение спокойной стали. Для мостов со сварными соединениями применение спокойной стали обязательно.

Сталь для изготовления металлических мостов используется в виде проката различного профиля: листового, углового, двутаврового, швеллерного и др. Для отдельных элементов (опорных частей, шарниров) применяют стальное литье.

В мостах для основных элементов стальных конструкций в настоящее время используют углеродистую мартеновскую сталь двух видов, выпускаемых нашей металлургической промышленностью.

Для пролетных строений с клепаными соединениями применяют углеродистую мартеновскую горячекатаную сталь 3 мостовую (Ст. 3 мост.), специально предназначенную для изготовления мостовых конструкций.

Для стальных пролетных строений со сварными соединениями предназначена специальная сталь М16С. Стали Ст. 3 мост и М16С легко поддаются механической обработке: сверлению, проколке, строжке. В горячем состоянии сталь этих марок хорошо принимает кузнечную обработку: выгибы, высадки. Оба вида стали хорошо свариваются.

Для некоторых второстепенных или нерабочих элементов мостов допускается использование сталей несколько более низкого качества. Заклепки в мостах из углеродистой стали делают из более мягкой заклепочной стали Ст. 2 закл.

Лучшие марки стали для мостостроения

Мост представляет собой сложное транспортное сооружение, построенное для преодоления какого-либо препятствия – реки, ущелья, оврага и т. п. Для его возведения требуется провести большое количество квалифицированных инженерных расчетов. В них учитывается, что стальная конструкция моста должна выдерживать большие нагрузки. Поэтому не каждая марка металлического сплава может подойти для этой цели.

Типы стальных мостов и основные их составляющие

Данные сооружения можно классифицировать по таким признакам:

виду транспортной нагрузки – пешеходные, автомобильные, железнодорожные, комбинированные;
разновидности конструкции – балочные, распорные (арочные, вантовые), подвесные, комбинированные;
длине – малые (до 25 м), средние (25–100 м) и длинные (свыше 100 м).

Основными материалами для возведения всех видов мостовых конструкций являются стальные и алюминиевые сплавы, железобетон, камень. Металл также незаменим в проектировании и строительстве виадуков, акведуков, эстакад, разводных мостов.

Конструктивные особенности

В каждом конструктивном исполнении моста есть две составляющие:

Опорная часть – передает статическую и динамическую нагрузку всей конструкции на грунт. Опоры подразделяются на:
- концевые опорные сооружения (устои), к которым примыкают насыпи на суше;
- промежуточные (быки) – распределены по всей длине сооружения.
Пролетное строение – располагается на опорах и перекрывает пространство между ними. Данная конструкция принимает на себя все нагрузки от движущегося транспорта и людей, передавая их на опоры.

В свою очередь, пролетные сооружения состоят из: балок, ригелей, ферм, перил, тротуаров, проезжих частей, водосливов и других элементов, индивидуально подбираемых для каждого сооружения в зависимости от его технических особенностей и методов строительства моста.

Опоры имеют три главных составляющих конструкции: фундамент, тело и оголовок. Фундамент – нижняя часть, опирающаяся на грунт. Тело – средний участок опоры, оголовок – верхняя часть, принимающая на себя нагрузки пролетного строения. Строительство мостов начинают с возведения опор, на которое уходит до половины общей стоимости сооружения.

Основные элементы конструкции моста

По каким качествам выбирается сталь для мостостроения

Конструкционные стальные сплавы, применяемые в строительстве, должны выдерживать большие нагрузки при усилиях, направленных на растяжение, сжатие и скручивание металла. При относительно небольшом весе конструкционная сталь должна обладать:

внушительной прочностью;
устойчивостью к внешним климатическим воздействиям;
длительным сроком службы.

Сегодня замены такому материалу не существует. Металлоконструкции находят широкое применение в пролетных строениях. В зависимости от типа конструкции моста – балочной, подвесной, вантовой или арочной, проектировщики учитывают воздействие нагрузок. В зависимости от этого используются различные марки металлопроката.

Различные профили, изготовленные из конструкционной стали

Типы стали, используемые в мостах

По качественным характеристикам углеродистая сталь подразделяется на три группы: нормального качества, качественные и высококачественные. Металлы обычного качества распределяются по 6 категориям.

Перечисленные свойства материала зависят от процентного содержания фосфора (далее также – Р) и серы (далее также – S). Примеси фосфора являются причиной хрупкости материала, а сера придает стали такое негативное свойство, как красноломкость – образование трещин и надрывов при горячей прокатке или штамповке.

Качество сплавов зависят еще от одного параметра – степени раскисления, определяемого содержанием примеси марганца. По данному показателю сталь делится на 3 категории:

кипящая (КП) – наиболее хрупкая, более подвержена коррозии, но в то же время самая дешевая;
спокойная (СП) – однородная по составу, хорошо выдерживает ударные воздействия, наилучшим образом сопротивляется механическим нагрузкам;
полуспокойная (ПС) – по однородности состава располагается между сталью КП и ПС.

Для мостовых конструкций применяют стальные сплавы разновидностей СП и ПС, в том числе низколегированные, с добавлением примесей никеля, хрома, кремния, ванадия, меди и других металлов.

Примеры маркировки стальных сплавов

Как выбрать сталь для строительства моста

Мосты относятся к строительным конструкциям наиболее высокой степени надежности. Они работают в тяжелых условиях, испытывая постоянные динамические нагрузки на открытом воздухе. Поэтому к стальному металлопрокату предъявляются повышенные требования к вязкости при нагрузках ударного характера, выносливости по отношению к возникающим напряжениям, устойчивости к воздействию низких температур и коррозии.

Высоки также требования к хладостойкости металлов. Например, для северных регионов, где средняя температура самых холодных суток в году опускается до 50°C и ниже, выбираются сплавы, которые сохраняют свои характеристики при Tmin ниже 50°C. Для умеренного климатического пояса требования к хладостойкости, естественно, ниже.

При расчете дизайн-проекта стального моста учитывают такие характеристики сплавов, как наименьшие пределы прочности на растяжение и текучесть (кгс/мм или МПа, 1 кгс/мм = 10 Мпа), а также наименьшее относительное удлинение (%). Выбираются профили листового, углового, двутаврового, швеллерного и другого проката.

Распространенные марки стали для мостостроения

По своим характеристикам для пролетных строений, имеющих сварные соединения, наилучшим образом подходит качественная малоуглеродистая сталь 16Д (аналог – М16С). Кроме нее, для производства балок пролетных строений, а также других конструкционных элементов, используются еще несколько марок металлопроката (см. таблицу).

Для изготовления пролетных строений используются балки различных профилей

Низколегированный стальной прокат 14Г2АФД и 15Г2АФДт применяют при строительстве всех типов мостовых сооружений, кроме железнодорожных. Низколегированные, с добавками никеля и хрома, сплавы 15ХСНД и 10ХСНД более универсальны и могут использоваться во всех разновидностях мостов.

На тех участках, где в несущих конструкциях допускается отсутствие сварных соединений, можно применять другие марки металлопроката (см. табл.).

Технические условия

Требования к процентному содержанию химических элементов, прочностным характеристикам, размерам и другим параметрам высококачественных строительных материалов определяются государственными стандартами. Согласно требований ГОСТ 6713-91, для металлопроката 15ХСНД и 10ХСНД, используемого в мостостроении, допускается следующее процентное содержание вредных примесей:

для применения в умеренных климатических широтах – до 0,035 % P и S;
для использования в северных регионах страны – до 0,030 % S и до 0,025% P.

Металлопрокат этих марок, в зависимости от наличия и способа дополнительной высокотемпературной обработки, выпускается в трех модификациях. Для строительных конструкций с высокой степенью надежности используют стали с минимальной текучестью от 23 до 75 кгс/мм. Чтобы получить значение в Мпа, необходимо этот показатель умножить на 10. Разработаны также ТУ для использования сплавов классов С45–С80, которые широко применяются в мостостроении за рубежом.

Угловой металлопрокат марки СтЗпс2 используется при изготовлении ограждающих конструкций тротуаров. Для изготовления высокопрочных болтов используется прокат марки 40Х, с прочностным запасом на растяжение до 50 кгс/мм, на срез – до 40 кгс/мм. Технические условия соответствуют требованиям ГОСТ 4543-71.

Для производства каждой марки металлопроката выработаны техническим условия

Стальные балки мостов автодорожного типа в северных широтах, используемые в несущих элементах мостовых полотен пролетных конструкций, допускается изготавливать из сталей 10Г2С1Д, 10Г2С1, 09Г2СД, 09Г2С, 09Г2 и 14Г2. Технические условия нормируют количество добавок и примесей, прочность и текучесть при растяжении и изгибе, а также показатели вязкости при температуре -20 °С.

В заключение хочется отметить – при использовании в строительстве стальных балочных мостов металлопроката более высокой прочности улучшаются весовые характеристики конструкций, снижаются затраты на транспортировку и монтажные работы, а также на изготовление опор, закладку фундаментов и защиту от коррозии. Однако при этом растут трудозатраты на изготовление высокопрочных стальных сплавов, что в конечном итоге сказывается на величине их стоимости.

Стали, применяемые в металлических мостах

Из большого разнообразия марок сталей, применяемых в строительных металлических конструкциях, в стальных конструкциях мостов разрешается применять лишь небольшое число марок, удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к мостам как к конструкциям самой высокой степени ответственности, работающим в тяжелых условиях: под динамическими повторными нагрузками на открытом воздухе. Основную специфику мостостроительных сталей составляют соответственно повышенные требования к хладостойкости, ударной вязкости, выносливости при наличии концентраций напряжений, коррозиестойкости. Особенно важны свариваемость, стойкость против горячих трещин и разупрочнения и т. д.
В связи с тем, что стальные конструкции мостов никак не защищены от воздействия мороза и ветра, располагаются без ограждающих конструкций на открытой местности над водными преградами и соответственно быстро охлаждаются при понижении температуры воздуха, для стальных конструкций мостов приняты другие нормы получения расчетной минимальной температуры воздуха Tmin, определяющей необходимость северного исполнения, чем для стальных конструкций промышленного и гражданского строительства. За Tmin для стальных конструкций мостов принимают не среднюю температуру наиболее холодной пятидневки, а среднюю температуру наиболее холодных суток. Tmin от -40 до -50° С определяет северное исполнение А, а ниже — 50° C — северное исполнение Б.
Стали для металлических мостов применяют в основном спокойной выплавки по специальному ГОСТ 6713—75, предусматривающему три главные марки стали с браковочным минимумом предела текучести 230—400 МПа: малоуглеродистую сталь 16Д (бывшую М16С) и низколегированные (никелем и хромом) стали 15ХСНД и 10ХСНД в различных модификациях, в том числе разных категорий хладостойкости. Для всех мостов, кроме железнодорожных, рекомендуются также относительно дешевые низколегированные (азотом и ванадием) стали класса С52/40—14Г2АФД и 15Г2АФДпс по ГСОТ 19282—73. Для большинства трубопроводных мостов допускается применение сталей по ГОСТ 380—71, ГОСТ 5058—65 и ЧМТУ, как для стальных конструкций промышленного и гражданского строительства.
Чтобы повысить коррозионную стойкость, стали для мостостроения имеют добавку меди. Для повышения хладостойкости и улучшения механических характеристик широко применяется термическая обработка сталей для мостостроения, особенно для конструкций северного исполнения.
Стали для мостостроения должны обладать хорошей ударной вязкостью, контролируемой ГОСТ при -40° С и после механического старения при -20° С, а для конструкций северного исполнения также при -70° С.
Марки сталей, применяемые для железнодорожных, автодорожных, городских и пешеходных металлических мостов, категории хладостойкости сталей, условия их применения и основные расчетные сопротивления R сведены в табл. 24.2.
Основные расчетные сопротивления Ra снижены для железнодорожных мостов примерно на 10 % по сравнению с промышленными и гражданскими конструкциями в связи с введением коэффициента надежности 1,1, учитывающего особую ответственность мостовых сооружений. Расчетные сопротивления RБ применяют для конструкций обычного исполнения и северного исполнения А, а также для конструкций северного исполнения Б в расчетах на устойчивость формы. Расчетные сопротивления R применяют для конструкций северного исполнения Б в расчетах на прочность и других расчетах, кроме расчетов на устойчивость формы.
Высокопрочные стали класса С70/60, отсутствующие пока в наших нормах, уже получили значительное распространение в зарубежном мостостроении и применены в ряде отечественных мостов, в частности в конструкциях бистальных и бисталежелезобетонных главных балок и рам.

Виды современных металлических мостов

В зависимости от уровня пропуска транспорта мосты и пролетные строения могут быть с ездой поверху, понизу и посередине (рис. 23.1). На больших мостах транспорт пропускают иногда в два яруса, такие мосты называются двухъярусными.
При классификации по назначению следует различать железнодорожные, автодорожные, городские, пешеходные и трубопроводные мосты. Городские мосты близки к автодорожным, но отличаются от них габаритами (что связано с меньшими скоростями движения и возможностью весьма большого числа полос движения), особым вниманием к архитектурному облику моста, что часто определяет индивидуальность его конструкции, и во многих случаях предназначенностью к пропуску не только безрельсового, но и рельсового городского транспорта (трамвай, метро, городская электричка). Мосты, выполняющие функции одновременно железнодорожного (общей сети или промышленного транспорта) и автодорожного или городского моста, называют совмещенными. Автодорожные и городские мосты почти всегда предусматривают пропуск пешеходов, а специальные пешеходные мосты при достаточной ширине обычно проверяют на пропуск одиночных автомашин. Трубопроводными называют мосты, основное назначение которых — поддержание трубопровода.

Система моста определяет внешние особенности его работы с позиций строительной механики, прежде всего характер возникающих от вертикальных нагрузок опорных реакций. Соответственно системы могут быть:
- балочные — в случае возникновения только вертикальных опорных реакций (см. рис. 23.1; 1, 2, 5, 6, 8, 9);
- арочные — в случае возникновения распора, стремящегося раздвинуть опоры, и наличия основных несущих элементов арочного очертания (см. рис. 23.1; 4);
- рамные — в случае возникновения аналогичного распора и выполнения верхних элементов опор жестко соединенными с пролетным строением (см. рис. 23.1; 3);
- висячие — в случае возникновения распора, стремящегося сблизить анкерные массивы или опоры (см. рис. 23.1; 7).
В зависимости от особенностей взаимодействия пролетов каждая из перечисленных систем (и прежде всего балочная система) может быть разрезной, неразрезной, шарнирно-консольной и т. д.
Конструкции пролетных строений проще всего разделить на сплошностенчатые, сквозные и комбинированные (см. рис. 23.1). Среди сквозных и комбинированных конструкций видное место занимают решетчатые конструкции. Особого внимания заслуживают висячие и вантовые комбинированные конструкции.
Хотя для обозначения многих систем и видов конструкций используют одни и те же термины, смешивать понятия системы и вида конструкции не следует.
Железнодорожные металлические мосты чаще всего устраивают с ездой понизу, причем применяют балочную систему (разрезную или неразрезную) и сквозную решетчатую конструкцию. Для автодорожных и городских мостов наиболее характерна езда поверху с применением также балочной системы (неразрезной или разрезной) и сплошностенчатой конструкции.
Конструкции пролетных строений и системы для автодорожных, городских и пешеходных мостов значительно более разнообразны, чем для железнодорожных мостов. В наше время здесь достаточно широко применяют также комбинированные конструкции балочной и арочной системы, вантовые и висячие комбинированные конструкции, сплошностенчатые с ездой поверху конструкции рамной системы и т. д. Для трубопроводных мостов наиболее характерны висячие и вантовые конструкции.
К особым видам металлических мостов относятся: разводные мосты и пролеты, допускающие пропуск судов -при недостаточной высоте под-мостового габарита; виадуки, перекрывающие долины на большой высоте (отличающиеся весьма высокими промежуточными опорами, расположенными вне водной преграды); путепроводы при пересечениях дорог в разных уровнях; эстакады, служащие (взамен насыпи) для пропуска дороги над поверхностью земли, но при сохранении пространства под дорогой пригодным для использования; разборные мостовые металлические конструкции, допускающие многократное применение во временных мостах; напавные и поплавковые мосты, в которых пролетные строения опираются на плавучие опоры или заанкеренные за дно подводные поплавки.

Читайте также: