Как инженер-конструктор, много лет занимающийся проектированием и строительством стальных мостов, я участвовал во множестве проектов сборных мостов Бейли, от временных мостов для экстренной помощи до временных подъездных путей для строительства инфраструктуры. В этих проектах швеллер C14b всегда был предпочтительным материалом для усиленного пояса мостов Бейли. С точки зрения инженерной практики и конструктивного расчета, в данной статье систематически излагаются конструктивные особенности сборных мостов Бейли, технические параметры швеллера C14b, основные причины его широкого применения в усиленных поясах, сравнение с распространенными типами сечений, ключевые моменты эксплуатации и прилагается стандартный сертификат на материал. Цель статьи — предоставить практическое и профессиональное руководство для коллег, занимающихся проектированием стальных мостов, и помочь всем лучше понять обоснованность и научность выбора швеллера C14b.

1. Что такое сборные мосты Бейли?

Для инженеров-мостостроителей, сборные мосты Бейли являются типичным модульным, быстросборным стальным ферменным мостом, который широко используется в инженерной практике благодаря своей высокой адаптивности, короткому сроку строительства и возможности повторного использования. Изначально он был разработан для военного строительства временных мостов, а после многолетних усовершенствований получил широкое применение в гражданском строительстве, например, в качестве временных мостов для строительства автомобильных и железных дорог, временных мостов для борьбы с наводнениями и ликвидации последствий стихийных бедствий, а также временных подъездных путей в отдаленных горных районах.

С точки зрения конструктивного расчета, основой сборного моста Бейли является ферменная конструкция, состоящая из стандартизированных сборных стальных ферменных блоков, поперечных балок, продольных балок, настила моста, опорных площадок и соединительных элементов. Все компоненты изготавливаются на заводе в соответствии с национальными стандартами и отраслевыми нормами и могут быть быстро доставлены на строительную площадку для сборки. Пролет может гибко регулироваться в пределах от 9 до 63 метров в зависимости от фактических потребностей проекта, а уровень нагрузки также может быть подобран в соответствии с проектными требованиями к нагрузке от транспортных средств и пешеходов. Как инженеры-мостостроители, мы уделяем наибольшее внимание несущей способности ферменной конструкции, среди которых пояс (включая верхний и нижний пояс) является основным несущим элементом, ответственным за передачу основного изгибающего момента и осевой силы, возникающих от нагрузки на настил моста. Усиленный пояс, как важный усиливающий элемент пояса, используется для повышения несущей способности и жесткости фермы, предотвращения локального выпучивания и общей деформации фермы, а также обеспечения структурной безопасности и эксплуатационных характеристик моста при динамических нагрузках и в условиях длительной эксплуатации.

2. Технические характеристики и спецификации швеллера C14b

В проектировании стальных мостов выбор прокатной стали должен основываться на характеристиках напряженного состояния конструкции, требованиях к нагрузке и экономической целесообразности. Швеллер C14b, как распространенный горячекатаный конструкционный швеллер, широко используется в усиленных поясах мостов Бейли благодаря своей рациональной форме сечения и отличным механическим свойствам. С точки зрения инженерного применения, сначала уточним техническое содержание швеллера C14b:

Швеллер C14b относится к серии швеллеров 14# по национальному стандарту GB/T 706-2016, имеет С-образное поперечное сечение. Буква "C" в обозначении означает швеллер, "14" указывает на высоту сечения швеллера 140 мм, а "b" — вторая модель в серии швеллеров 14#, отличающаяся от швеллера 14a более толстой стенкой и более широкими полками. Эта конструктивная разница напрямую определяет разницу в механических свойствах между ними, что также является ключевой причиной, по которой мы выбираем швеллер C14b в качестве усиленного пояса вместо швеллера 14a в инженерной практике.

Что касается конкретных технических параметров, то ключевыми показателями швеллера C14b (в соответствии с GB/T 706-2016) являются: высота сечения h=140 мм, ширина полки b=60 мм, толщина стенки d=8,0 мм, теоретический вес 16,733 кг/м, момент инерции сечения Ix=1020 см⁴, момент сопротивления сечения Wx=146 см³. В практическом проектировании мы обычно выбираем мостовую сталь Q345q или Q355 в качестве сырья для швеллера C14b. Предел текучести такой стали составляет не менее 345 МПа, она обладает хорошей ударной вязкостью, свариваемостью и усталостной прочностью, и полностью соответствует требованиям к напряженному состоянию усиленных поясов моста при динамических нагрузках и в сложных условиях эксплуатации.

Следует подчеркнуть, что швеллер C14b производится методом горячей прокатки, в отличие от холоднокатаного тонкостенного С-образного профиля. Процесс горячей прокатки обеспечивает однородность его внутренней структуры и достаточную толщину стенки и полок, что обеспечивает высокую устойчивость к местному выпучиванию. При фактической эксплуатации моста Бейли усиленный пояс часто подвергается местному давлению и сдвигу. Конструктивные особенности швеллера C14b позволяют эффективно избежать локальных повреждений конструкции, что является важной гарантией долговечности моста.

3. Основные причины выбора швеллера C14b в качестве усиленного пояса в инженерной практике

При проектировании и строительстве сборных мостов Бейли выбор материалов для усиленного пояса является ключевым этапом, который напрямую влияет на безопасность конструкции, эффективность строительства и стоимость проекта. После многолетней инженерной практики мы обнаружили, что швеллер C14b позволяет достичь оптимального баланса между эксплуатационными характеристиками конструкции, стандартизацией, экономичностью и технологичностью, что является фундаментальной причиной его широкого применения. Конкретный анализ с точки зрения инженерной практики выглядит следующим образом:

3.1 Соответствие механических свойств требованиям к напряженному состоянию усиленного пояса

Как инженеры-мостостроители, мы знаем, что усиленный пояс моста Бейли в основном подвергается изгибающему моменту и осевой силе и должен обладать достаточной несущей способностью при изгибе и сопротивлением кручению для противодействия деформации конструкции и локальному выпучиванию. По сравнению со швеллером 14a той же высоты сечения, швеллер C14b имеет более толстую стенку (8,0 мм против 6,0 мм) и более широкую полку (60 мм против 58 мм), что значительно увеличивает момент инерции сечения и момент сопротивления. Согласно результатам расчетов по строительной механике, несущая способность швеллера C14b при изгибе примерно на 15% выше, чем у швеллера 14a, а сопротивление кручению также значительно улучшено, что лучше соответствует характеристикам напряженного состояния усиленного пояса.

В практическом проектировании усиленный пояс обычно состоит из двух швеллеров C14b, расположенных спиной к спине, образуя симметричное сечение. Эта комбинация не только дополнительно повышает общую жесткость и несущую способность пояса, но и обеспечивает более равномерное распределение напряжений, эффективно подавляя общее кручение и локальную деформацию фермы. Для мостов Бейли, которые должны выдерживать большие нагрузки от транспортных средств, такая конструктивная форма позволяет гарантировать отсутствие чрезмерных деформаций пояса и обеспечивает надежную гарантию структурной безопасности моста.

3.2 Адаптивность к стандартизированной сборке мостов Бейли

Основным преимуществом сборных мостов Бейли является быстрая сборка, что требует высокой стандартизации и взаимозаменяемости всех компонентов. Как инженеры-мостостроители, мы уделяем особое внимание совместимости компонентов, которая напрямую влияет на срок строительства и качество сборки. Швеллер C14b давно является зрелым и стандартизированным профилем в отрасли, его размеры, положение отверстий и способ соединения полностью совместимы со стандартными ферменными блоками мостов Бейли (например, мост Бейли типа 321, широко используемый в Китае).

Отверстия для болтов, предусмотренные на швеллере C14b, обрабатываются на заводе в соответствии с едиными стандартами, что позволяет напрямую совмещать их с отверстиями на элементах решетки фермы и быстро соединять высокопрочными болтами без дополнительного сверления на месте или изготовления на заказ. Это не только сокращает срок строительства, но и уменьшает ошибки при строительстве на месте, обеспечивая точность сборки и структурную стабильность моста. Кроме того, стандартизированное производство швеллера C14b также облегчает последующее техническое обслуживание и замену компонентов, что очень важно для долгосрочной эксплуатации и экстренного ремонта мостов Бейли.

3.3 Баланс между экономической эффективностью и технологичностью строительства

В инженерном проектировании мы всегда придерживаемся принципа "безопасность прежде всего, экономичность и рациональность". По сравнению со швеллерами большего сечения (например, швеллер 16# с теоретическим весом 20,51 кг/м), швеллер C14b имеет преимущества в меньшем расходе стали, малом собственном весе и низкой стоимости. Для многопролетных и многорядных комбинированных мостов Бейли эффект экономии средств более очевиден, что позволяет эффективно контролировать общую стоимость проекта при условии обеспечения безопасности конструкции.

В то же время швеллер C14b обладает хорошей технологичностью. Его горячекатаная структура обеспечивает отличную свариваемость, обрабатываемость и сверлимость. На строительной площадке строительный персонал может выполнять резку, сварку и болтовое соединение швеллера с помощью обычного оборудования, без специальной технологии обработки и оборудования, что снижает сложность строительства на месте и повышает эффективность строительства. Кроме того, швеллер C14b обладает хорошей возможностью повторного использования, что позволяет использовать его в других проектах временных мостов после завершения проекта, дополнительно снижая стоимость проекта и воздействие на окружающую среду.

3.4 Соответствие требованиям к запасу прочности мостовых конструкций

Мостовые конструкции, особенно временные аварийные мосты, должны иметь достаточный запас прочности для адаптации к сложным условиям эксплуатации, таким как перегрузка, суровые условия окружающей среды и экстренное усиление. Как инженеры-мостостроители, мы должны гарантировать, что выбранные материалы обладают достаточным запасом прочности и усталостной прочностью. Швеллер C14b, изготовленный из мостовой стали Q345q или Q355, полностью соответствует требованиям GB/T 714-2015 "Сталь для мостовых конструкций" и GB 50017-2017 "Нормы проектирования стальных конструкций".

Предел текучести стали Q345q и Q355 составляет не менее 345 МПа, она обладает хорошей ударной вязкостью и усталостной прочностью и может выдерживать многократное воздействие динамической нагрузки, избегая повреждения конструкции из-за усталостного разрушения. Кроме того, размер сечения швеллера C14b является рациональным, что позволяет эффективно избежать локальной концентрации напряжений. При нагружении распределение напряжений равномерное, что дополнительно повышает безопасность и надежность усиленного пояса. В проектах экстренной помощи, в которых мы участвовали, мост Бейли с использованием швеллера C14b в качестве усиленного пояса может стабильно выдерживать перегрузку спасательных машин, что полностью подтверждает надежность швеллера C14b.

4. Сравнительный анализ швеллера C14b и распространенных типов сечений в инженерной практике

При фактическом проектировании усиленных поясов мостов Бейли мы часто сравниваем швеллер C14b со швеллером 14a и швеллером 16#. В следующей таблице приведены ключевые показатели эффективности и сценарии применения трех типов сечений, которые более наглядно отражают преимущества швеллера C14b в инженерном применении:

С точки зрения инженерной практики, швеллер 14a легче и экономичнее, но его несущая способность при изгибе недостаточна, он может использоваться только для обычных поясов с легкой нагрузкой или вторичных опорных элементов и не может соответствовать требованиям к напряженному состоянию усиленных поясов. Швеллер 16# обладает более высокой несущей способностью при изгибе, но его собственный вес больше, а стоимость выше, что подходит только для главных ферм с длинными пролетами и большими нагрузками. Для большинства сборных мостов Бейли швеллер C14b сочетает в себе преимущества обоих, обладая высокой несущей способностью, разумным весом и низкой стоимостью, что делает его наиболее экономичным и рациональным выбором.

5. Ключевые моменты эксплуатации швеллера C14b в качестве усиленного пояса

Как инженеры-мостостроители, мы знаем, что выбор отличных материалов — это только первый шаг к обеспечению безопасности конструкции. Правильная обработка, сборка и техническое обслуживание в инженерной практике не менее важны. Основываясь на многолетнем инженерном опыте, при использовании швеллера C14b в качестве усиленного пояса мостов Бейли необходимо строго соблюдать следующие ключевые моменты эксплуатации:

5.1 Строгий контроль качества материалов

Швеллер C14b, используемый для усиленного пояса, должен быть мостовой сталью, такой как Q345q или Q355, и производитель должен предоставить официальный сертификат на материал (подробности см. в разделе 6). Мы должны строго проверять сертификат на материал, чтобы убедиться, что химический состав, механические свойства и другие показатели стали соответствуют требованиям национальных стандартов и проектных норм. Строго запрещается использовать неквалифицированную сталь, такую как поддельные и некачественные изделия или сталь с неквалифицированными характеристиками. В то же время для ключевых проектов следует проводить выборочный контроль на месте для дальнейшей проверки характеристик материала и обеспечения качества сырья.

5.2 Стандартизация сборки и монтажа соединений

Усиленный пояс обычно состоит из двух швеллеров C14b, расположенных спиной к спине, и соединенных высокопрочными болтами. При сборке необходимо обеспечить совпадение положений отверстий двух швеллеров, а отклонение положения отверстий не должно превышать допустимого значения, указанного в нормативах. Предварительное натяжение болтов должно соответствовать проектным требованиям, и для предварительного натяжения следует использовать динамометрический ключ, чтобы избежать ослабления болтов. Соединение усиленного пояса с элементами решетки фермы должно быть прочным, а сварной шов (при наличии) должен быть полным и без дефектов, таких как трещины и шлаковые включения. Процесс сварки должен соответствовать требованиям AWS D1.5 "Нормы сварки мостов", а после сварки должен проводиться контроль сварки для обеспечения качества сварки.

5.3 Научное расположение усиленных поясов

Расположение усиленного пояса должно определяться в соответствии с распределением изгибающих моментов в ферме моста. Согласно результатам расчетов по строительной механике, в середине пролета моста Бейли изгибающий момент максимален, поэтому в этом сечении обязательно должны быть установлены усиленные пояса. Изгибающий момент на концах моста невелик, поэтому усиленные пояса могут быть соответствующим образом опущены для оптимизации расхода стали и снижения стоимости проекта. Для многопролетных мостов Бейли усиленные пояса должны быть непрерывно расположены на стыке пролетов для обеспечения общей устойчивости моста и предотвращения повреждения конструкции на стыке.

5.4 Усиление контроля и технического обслуживания в процессе эксплуатации

Перед вводом моста в эксплуатацию должен быть проведен комплексный осмотр усиленного пояса, включая размер сечения, положение отверстий, сварные швы и болтовые соединения швеллера C14b, чтобы убедиться, что все показатели соответствуют проектным требованиям. В течение срока службы моста следует проводить регулярный осмотр и техническое обслуживание, особенно в суровых условиях, таких как дождь, снег и высокая температура. Осмотр включает проверку ослабления болтов, коррозии швеллера, повреждения сварных швов и т. д. Потенциальные угрозы безопасности должны быть своевременно устранены, например, затяжка ослабленных болтов, удаление ржавчины и антикоррозионная обработка корродированного швеллера, чтобы продлить срок службы моста.

6. Стандартный сертификат на материал швеллера C14b 

В инженерной практике сертификат на материал является важной основой для проверки качества стали, которая напрямую связана с безопасностью конструкции моста. Как инженеры-мостостроители, мы должны строго проверять сертификат на материал при приемке материалов. Ниже приведен стандартный шаблон сертификата на материал для швеллера C14b, используемого в усиленных поясах сборных мостов Бейли, который соответствует требованиям национальных стандартов и отраслевых норм:

7. Заключение по проекту

С точки зрения инженера по стальным мостам, выбор швеллера C14b в качестве усиленного пояса сборных мостов Бейли не случаен, а является результатом комплексного рассмотрения эксплуатационных характеристик конструкции, стандартизации, экономичности и технологичности. В инженерной практике мы доказали на большом количестве проектов, что швеллер C14b обладает отличной несущей способностью при изгибе и кручении, хорошей совместимостью со стандартизированной сборкой мостов Бейли и может сбалансировать соотношение между безопасностью проекта и стоимостью, что делает его оптимальным выбором для усиленного пояса большинства сборных мостов Бейли.

Следует подчеркнуть, что как инженеры-мостостроители, мы должны не только выбирать рациональные материалы, но и строго следовать ключевым моментам инженерной эксплуатации в процессе обработки, сборки и технического обслуживания, а также строго проверять сертификат на материал для обеспечения безопасности конструкции и эксплуатационных характеристик моста. С непрерывным развитием технологий стальных мостов швеллер C14b будет продолжать играть важную роль в строительстве сборных мостов Бейли, обеспечивая мощную поддержку для экстренной помощи, временного движения и строительства инфраструктуры.