Болтовые соединения появились в мостостроении одновременно с чугунными конструкциями. Постановка болтов не сопряжена с ударными воздействиями, что является важным фактором при монтаже элементов, выполненных из чугуна. Обычный болт сложно плотно поставить в отверстие. Поэтому болтовым соединениям, работающим на сдвиг, свойственно небольшое проскальзывание соединяемых элементов.
Существуют два вида обычных болтов: чистые (точеные), имеющие точно фиксированный диаметр и часто используемые вместо заклепок в труднодоступных для клепки местах, и черные, изготавливаемые из прокатных прутков и служащие в качестве крепежных элементов.
В мостостроении болты широко используют в нахлесточных и фланцевых соединениях. Болты могут быть использованы в прикреплениях второстепенных элементов к основным и при анкеровке элементов, например, к фундаментным блокам.
Резьбы болтов в России и за рубежом стандартизированы. В свое время они послужили первым объектом мировой стандартизации. Важнейшей характеристикой болта является шаг резьбы Р. Метрическая резьба является основной треугольной резьбой, принятой в России. Метрические резьбы разделяют на резьбу с крупными и мелкими шагами.
В мостостроении за основу принята резьба с крупным шагом, обозначаемая буквой М и числом, выражающим диаметр резьбы в миллиметрах (например, М20). Трапецеидальная резьба является основной резьбой для передач винт-гайка. Трапецеидальная резьба стандартизирована в диапазоне диаметров 8…640 мм. Упорную резьбу используют для винтов с односторонней осевой нагрузкой.
Установлены поля допусков диаметров резьбы, образуемые сочетанием степени точности (допуска) и основного отклонения. Обозначение степени поля допуска состоит из цифры, показывающей степень точности, и буквы, обозначающей основное отклонение. Тогда ранее записанный пример обозначения болта, следует представить в полном виде М20-6g.
Одной из важных характеристик стальных болтов является их класс прочности. Например, для соединения элементов мостового полотна, перил и смотровых приспособлений используются стальные болты класса прочности 4,6. Первая цифра в классе прочности болта соответствует значению временного сопротивления материала, из которого выполнен болт, уменьшенному в 100 раз ( ) – здесь следует принимать в МПа. Вторая цифра представляет собой увеличенное в 10 раз отношение предела текучести к временному сопротивлению – ( ).
Для соединения основных элементов мостовых конструкций в настоящее время широко используют высокопрочные болты, выполненные из термически упрочнённой стали (Рис. 6.23). Болты затягивают до такого значения усилия, при котором возникающие силы фрикционного сцепления между соприкасающимися поверхностями делают соединение практически жёстким, т. е. исключающим сдвиг между соединяемыми элементами. Поскольку несущая способность в соединении на высокопрочных болтах обеспечивается за счёт сил фрикционного сцепления, такое соединение часто называют фрикционным.
Соединения на высокопрочных болтах по простоте их исполнения ненамного уступают соединениям на обычных болтах. Фрикционные соединения в мостостроении применяют с 1948 г. Поскольку во фрикционном соединении болт непосредственно никаких сдвигающих усилий не воспринимает, диаметр отверстия делают несколько большим, чем диаметр болта (до 3 мм). Это значительно упрощает постановку болтов при монтаже.
В практике мостостроения широко используют высокопрочные болты типов 110, 110С и 135. Цифровое обозначение типа болта соответствует минимальному значению временного сопротивления материала болта в кгс/мм2. Болты, предназначенные для конструкций северного исполнения (для районов с расчётной минимальной температурой воздуха ниже минус 40 °С), дополнительно обозначаются индексом С. Болты типов 110 и 110С изготавливают из хромистой стали марки 40Х, а болты типа 135 из сталей марок 38ХС и 40ХФА «селект». В настоящее время в отечественном мостостроении стали применяться высокопрочные болты с цинковым напылением.
Натяжение болта осуществляют завинчиванием гайки специальным динамометрическим ключом. Использование динамометрических ключей позволяет получить строго контролируемый крутящий момент Мкр обеспечивающий требуемое натяжение болта P:
где – коэффициент закручивания болта, зависящий от вида смазки резьбы, определяется опытным путём (в большинстве случаев значение лежит в пределах 0, 17…0,19).
Для стабилизации значения коэффициента закручивания, соответствующие технологические регламенты, предусматривают процедуру расконсервации, чистки резьбы и смазки болта специальным маслом.
Во фрикционных соединениях сдвигающие усилия между соединяемыми элементами передаются более равномерно, чем в заклёпочных (Рис. 6.25), что делает фрикционное соединение более надёжным.
Сдвиг по плоскости контакта соединяемых элементов практически не происходит, поэтому фрикционные соединения относят к категории жёстких.
Наличие зон передачи сдвигающего усилия приводит к тому, что в первом ослабленном сечении элемента усилие, на которое рассчитывается это сечение, уменьшается на 40% от усилия, передаваемого через первый ряд болтов (для рассматриваемого примера .
Напомним, что наибольшая толщина поясного листа 20 мм и не рекомендуется принимать в поясном пакете более четырёх листов.
Толщину вертикального листа определяют из условия прочности на восприятие максимальной перерезывающей силы. Если предварительно назначенная минимальная толщина стенки не удовлетворяет указанному условию, то толщину стенки увеличивают и, как правило, делают её постоянной по всей длине балки.
Шаг заклёпок, прикрепляющих пакет горизонтальных листов к поясным уголкам (тип 1) и поясных уголков к вертикальному листу (тип 2), определяют из условия восприятия соответствующих сдвигающих усилий, вызванных перерезывающей силой. В целях упрощения размещения заклёпок балку разбивают на отдельные участки. Шаг заклёпок постоянный на отдельном участке, определяют по максимальной перерезывающей силе на этом участке:
При определении несущей способности заклёпок типа 2 по условию среза необходимо учитывать, что эти заклёпки имеет по две площадки среза.
Определённая из условия прочности толщина вертикальной стенки оказывается, как правило, недостаточной для обеспечения устойчивости балки от выпучивания стенки в целом (Рис. 8.9). Во избежание возникновения такой ситуации стенку балки усиливают постановкой вертикальных элементов уголков жёсткости (Рис. 8.7).
Уголки жёсткости ставят с двух сторон стенки при обязательном закреплении их концов к поясным уголкам (Рис. 8.8). Это может быть выполнено с применением дополнительных прокладок между уголками жёсткости и стенкой или применением уголков с высаженными концами. На опорных сечениях балки, где передаются большие сосредоточенные усилия, ставят более мощные уголки жёсткости (в балках больших пролётов иногда приходится устанавливать сдвоенные уголки жёсткости).
В опорных рёбрах жёсткости высаживать уголки не рекомендуется. Тип уголковых рёбер жёсткости и их размеры зависят от величины ближайшего расстояния между рисками поясных уголков и толщины вертикальной стенки. В зависимости от указанных параметров нормы проектирования мостов устанавливают минимальное значение момента инерции относительно оси, проходящей через центр тяжести рёбер жёсткости.
Расстояние между вертикальными уголками жёсткости определяют расчётом из условия обеспечения местной устойчивости сжатого участка стенки между вертикальными уголками жёсткости (Рис. 8.10). Однако в наиболее напряжённых сечениях балки для выполнения указанного условия пришлось бы вертикальные уголки ставить слишком часто.
В этом случае стенку для исключения потери местной устойчивости рационально усиливать постановкой дополнительных горизонтальных уголков жёсткости, что обеспечивает постоянство шага поперечных рёбер. (Рис. 8.11). Эти уголки жёсткости в зависимости от напряжённости стенки устанавливают в один, два или три ряда. В последнем случае третий уголок жёсткости устанавливают в растянутой зоне стенки. На приопорных участках балки напряжённое состояние стенки определяется касательными напряжениями, которые по высоте стенки изменяются незначительно. Поэтому один или два уголка жёсткости по высоте стенки ставят симметрично относительно оси балки. В горизонтальных уголках жёсткости вертикальная полка пером должна быть повёрнута вниз (см. рис. 8.11).
Заводской блок балки стремятся сделать по возможности большей длины (порядка 10 м). Выпускаемый промышленностью угловой прокат позволяет сделать поясные уголки цельными по длине блока. Однако листовой прокат требуемой для мостовых балок толщины имеет длину не более 5 м. Поэтому вертикальный лист приходится стыковать по длине с помощью парных накладок, располагаемых между перьями поясных уголков верхнего и нижнего поясов (Рис. 8.12).
Следует иметь в виду, что часть вертикального листа, расположенная между крайним рядом заклёпок и наружным краем листа, не включается в работу. Усилия, которые не могут быть восприняты неработающей частью стенки, воспринимаются полосовыми накладками, прикрепляемыми к поясным уголкам. Иногда для этих целей используют уголковые накладки (Рис. 8.12), но для этого надо предварительно удалить часть обушка. Образовавшиеся при этом пазухи шпатлюют, что особенно важно для нижних поясов.
Клёпаные балки ввиду повышенного расхода металла и большой трудоёмкости изготовления в настоящее время применяют редко. Однако значительная часть построенных мостов в своём составе имеет клёпаные конструкции.