⌂ → Познавательное
Зачем мостам и рельсам зазоры: как металл дышит летом и зимой

Школьный опыт с металлическим шаром, который после нагрева перестаёт проходить в кольцо, знаком многим. Инженеры к этому эффекту относятся серьёзно. Мост или железная дорога ежедневно меняют длину — и если не оставить для этого места, конструкция начнёт гнуться, трескаться или срывать крепления.

Зачем мостам и рельсам зазоры: как металл дышит летом и зимой

Причина проста. При нагреве атомы металла колеблются сильнее и занимают больше места. Сталь при нагреве на один градус Цельсия удлиняется примерно на 12 миллионных долей своей длины. Цифра выглядит скромной. На длинной конструкции она складывается в заметную величину, поэтому щели появляются там, где металл длинный и работает под открытым небом.

Стук на стыках

Первые железные дороги укладывали рельсы отрезками. В России стандартная длина долгое время составляла 25 метров. Между концами оставляли зазор, иначе летом рельсы упёрлись бы друг в друга и выгнулись. Колёса на переходе из отрезка в отрезок проваливались в щель и ударялись о край, так появлялся знакомый ритмичный стук. Этот удар был не только громким. Концы рельсов от него быстро разбивались, и их приходилось менять чаще.

Ширину зазора задавали при укладке с учётом температуры воздуха. В ряде регионов страны зимой бывает ниже минус 40 градусов, а поверхность рельса на солнце нагревается заметно сильнее воздуха. Разброс получается большой, поэтому зазор рассчитывают с запасом.

Расчёт для 25-метрового стального рельса несложен. На каждый градус перепада температуры он меняет длину примерно на 0,3 миллиметра. Ниже приведены значения для нескольких перепадов.

Как меняется длина рельса

Перепад температуры, °C	Изменение длины 25-метрового рельса, мм
10	3
20	6
30	9
40	12

Таблица построена по коэффициенту линейного расширения стали, около 12 миллионных долей на градус. При перепаде в 30 градусов рельс меняет длину почти на сантиметр.

Бесстыковой путь

Чтобы избавиться от стука, отрезки начали сваривать в длинные плети. Сварку выполняют на заводе и на месте укладки, а затем стыки шлифуют, чтобы колесо шло ровно. Колёса катятся по такой полосе ровно и без ударов, а сама плеть при этом не может свободно менять длину, поэтому внутри неё копятся силы, которые приходится удерживать крепежом и балластом.

Летом плеть стремилась бы удлиниться, но не может, поэтому в ней возникает сжатие. Зимой она хотела бы укоротиться, и появляется растяжение. Удерживают плеть скрепления и балласт, то есть щебень под шпалами. Именно поэтому при укладке задают температуру закрепления, то есть ту, при которой плеть ещё не несёт лишних напряжений. В жару ремонт плетей ведут осторожно, потому что снятые скрепления лишают её удержания.

Насколько велики эти силы, можно прикинуть по формуле. Для стали при перепаде в 40 градусов полностью закреплённый стержень испытал бы напряжение около 96 мегапаскалей. Это упрощённая оценка, но порядок величины понятен.

На мостах зазор называют швом

Мост устроен иначе, но логика та же. Пролёт длиной в несколько десятков метров за сезон может удлиниться на несколько сантиметров. Чтобы не мешать этому, в проезжей части делают деформационный шов.

Щель закрывают гребёнчатой плитой, стальным профилем или резиновым компенсатором. Гребёнка входит в паз, поэтому колёса проходят почти без толчка. Швы — слабое место моста с точки зрения ухода. Через них проникают вода и противогололёдные реагенты, и металл под ними начинает ржаветь.

Опоры тоже работают на подвижность. Одна опорная часть фиксирует пролёт, остальные позволяют ему скользить или катиться. В старых стальных мостах под концами ферм ставили катки, по которым пролёт смещался при изменении длины.

Тепло находит слабое место. Если пролёт не может сдвинуться, напряжение достаётся болтам, сварным швам или самому металлу.

Дыхание металла

Зимой металл укорачивается, и зазоры раскрываются шире. Летом он удлиняется, и щели сужаются. Цикл повторяется каждый год, поэтому инженеры закладывают размах движения заранее.