архив» все записи»

Автор: С. П. Алексеев
Дата: 06.09.2013
«СтройПРОФИ» № 15
Рубрика: Дорожное строительство

Есть еще непроторенные пути

Искусство возведения мостов достигло сегодня необыкновенного уровня развития. Удивляют и восхищают не только размеры перекрываемых пространств, изысканность и разнообразие применяемых инженерных решений, но и намного сократившиеся сроки строительства этих объектов. Зачастую мы видим, как всего за несколько месяцев практически с нуля возникают поразительные по своим масштабам и техническому совершенству мостовые сооружения.

Статические схемы мостов разнообразны, и в каждом конкретном случае, в соответствии с требованиями к будущему сооружению, условиями его строительства и эксплуатации и другими показателями, мостостроители определяют для моста наиболее эффективную и рациональную схему (рис. 1).

Рис. 1. Статические схемы мостов:
а — балочная (с неразрезной балкой), б — арочная, в — комбинированная, г — рамная,
д — висячая, е — вантовая;
1 — арка, 2 — надарочное строение, 3 — подвеска, 4 — затяжка, 5 — ригель,
6 — наклонная стойка, 7 — кабель, 8 — балка жесткости, 9 — пилон, 10 — анкерная опора,
11 — ванты

Одними из самых эффектных мостовых сооружений являются большепролетные висячие и вантовые мосты.

«Висячими» называют мосты, в которых основная несущая конструкция выполнена из гибких элементов (кабелей, тросов, канатов, цепей), работающих на растяжение, а проезжая часть подвешена.

Вероятно, найдется не много тех, кто мог бы оставаться равнодушным, глядя на взметнувшиеся ввысь к облакам изящные 200–300-метровые геометрически выверенные стрелы пилонов и парящие в воздухе огромные пролетные строения мостов или вообразив ту легкость, с которой можно перемахнуть через широкую водную преграду либо глубокое ущелье по высокотехнологичному современному мосту-красавцу.

Идея строительства висячего моста новой конструкции родилась из концепции возведения большепролетных светопрозрачных защитных сооружений, где основными несущими элементами покрытий являются многопоясные тросовые системы (см. «СтройПРОФИ», № 3, 2013 г.).

Обладая высокой прочностью и исключительными несущими способностями, многопоясные тросовые системы, примененные в мостостроении, смогут внести свой вклад в развитие большепролетных висячих мостов. Внешнее отличие моста с многопоясными тросовыми системами от большепролетных висячих мостов известных на сегодня конструкций заключается в том, что ему не требуются высокие опоры и пилоны, а плита проезжей части моста располагается поверх поддерживающих ее тросов. В большепролетных висячих и вантовых мостах, как известно, дорожное полотно подвешено на несущих кабелях (или вантах) и располагается ниже них.

Преимущества и недостатки тросовых мостов

Основными преимуществами мостов с многопоясными тросовыми системами (назовем их тросовыми мостами) являются легкость, прочность и устойчивость конструкции, возможность перекрывать самые большие пролеты, относительная (по сравнению с другими конструкциями большепролетных мостов) простота и быстрота строительства (значительная часть конструкций моста имеет заводское изготовление), а также его экономичность. За счет того, что в работе тросового моста участвует большое количество несущих тросов, а также отсутствуют высокие опорные конструкции, должна возрасти и надежность такого моста.

Применение в большепролетном мостостроении многопоясного тросового моста предлагаемой конструкции позволит:
- существенно снизить затраты на строительство моста такого типа;
- упростить процесс проектирования;
- все элементы конструкции пролетного строения изготовить в заводских условиях;
- сократить сроки возведения моста;
- в процессе строительства и эксплуатации моста не беспокоиться о воздействии на плиту проезжей части точечных нагрузок, так нежелательных для висячих и вантовых мостов известных конструкций (за счет высоты и многопоясности пролетного строения сосредоточенная нагрузка перераспределится и будет равномерно восприниматься всей системой несущих тросов);
- осуществлять монтаж плиты проезжей части методом продольной надвижки или выполнять его из отдельных готовых секций непосредственно на свое место;
- предусмотреть возможность оперативных регулировок отдельных параметров тросовой системы в период эксплуатации моста;
- в случае аварийного выключения из работы отдельных несущих тросов производить замену поврежденного троса без остановки движения по мосту;
- применять современные высокопрочные композитные материалы для распорных элементов тросовой системы;
- обеспечить высокую надежность моста и мн. др.

Очевидно, что самое значительное снижение затрат при строительстве тросовых мостов и сокращение сроков их строительства по сравнению с большепролетными мостами других конструкций будут достигаться благодаря отсутствию в конструкции высоких и сложных опор и пилонов.
Надо отметить, что возведение железобетонных опор большепролетных мостов зачастую осуществляется в местах со слабыми неустойчивыми грунтами. Из-за концентрации нагрузки на небольших площадях оснований опор приходится нести большие затраты на обустройство надежных оснований под опоры.

Чем больше длина пролета и высота опор моста, тем выше нагрузки и тем меньше должны быть значения допустимой просадки фундаментов. Поэтому затраты на устройство фундаментов опор составляют большую долю в общей стоимости сооружения.

Кроме того, фундаменты промежуточных опор и сами опоры часто приходится возводить в труднодоступных для производства работ и доставки материалов местах трассы моста, что затрудняет мостостроителям производство работ. Иногда требуется выполнить дополнительные дорогостоящие мероприятия по защите промежуточных опор моста от возможных оползней береговой линии, паводков, селевых потоков, схода лавин и прочих природных явлений, способных повредить опоры и даже привести к обрушению моста.

Как правило, в процессе строительства большепролетного моста необходимы и другие важные этапы, связанные с опорными конструкциями: инженерно-геологические изыскания грунтов по всей трассе моста, проектирование сложных опорных конструкций, продолжительный мониторинг просадки фундаментов опор моста и проч. В итоге строительство опор и пилонов часто составляет более 50% от общей стоимости сооружения и делает строительство моста более продолжительным. Тросовый мост позволит вообще не задумываться о большей части подобных затрат.
Высокая прочность и хорошая гибкость тросовой системы дают возможность с помощью известных технических решений обеспечить высокую устойчивость тросовых мостов при самых сильных землетрясениях и ураганах и практически исключить возможность обрушения.

Так как основной пролет тросового моста можно сделать очень длинным при минимальном количестве используемого материала, то применение многопоясной тросовой конструкции будет особенно эффективно при строительстве мостов через широкие ущелья и глубокие речные долины.
Большепролетный тросовый мост предполагает несложные опорные конструкции, поэтому специалисты высокой квалификации потребуются на строительстве моста, в основном, только при монтаже конструкций пролетного строения.

Думается, что этот тип тросовых мостов вполне можно назвать «зелеными мостами» в силу значительной экономии материалов (цемента и арматурной стали), которые сегодня затрачиваются при устройстве многочисленных железобетонных опор и пилонов для современных большепролетных мостов. Как известно, производство цемента и выплавка стали не только энергозатратные, но и чрезвычайно неэкологичные процессы. Кроме того, при строительстве тросового моста обязательно должно снижаться негативное воздействие на местные экосистемы мощной строительной техники, обычно активно применяемой мостостроителями при производстве работ.

Одним из основных недостатков тросовых мостов можно назвать то, что их строительство имеет некоторые ограничения. Данная конструкция тросовых мостов применима лишь там, где есть значительная глубина перекрываемого пространства (предпочтительно, не менее 10% длины пролета). Впрочем, сегодня достаточно велико количество мест, где требуется возведение большепролетного моста и где величина подмостового пространства не будет ограничивающей для тросового моста.

Есть и другие понятные специалистам временные сложности в проектировании и строительстве тросовых мостов. В основном они связаны с отсутствием опыта такого строительства. Нет сомнений, что высокая квалификация проектировщиков, а также современные технологические и технические возможности мостостроителей позволят легко преодолеть все эти трудности без ущерба для надежности и долговечности тросовых мостов.

Как устроен тросовый мост

На представленных эскизах можно увидеть общий вид большепролетного тросового моста (рис. 2) и разрез пролетного строения тросового моста по линии К – К (рис. 3).

Рис. 2. Общий вид большепролетного тросового моста
Рис. 3. Разрез пролетного строения тросового моста по линии К – К

Тросовый большепролетный мост содержит устои (крайние опоры моста) в виде мощных опорных фундаментов (15), промежуточные опоры (3) и главное пролетное строение, которое состоит из многопоясной тросовой системы (4) и плиты проезжей части (22).
Многопоясная тросовая система (4) перекрывает главный пролет моста и опирается на опоры (15 и 3), но не заканчивается на промежуточных опорах (3), а продолжается до опоры (15), на которой концы тросов закрепляются при помощи анкерных устройств на уровне земли, на фундаментах, воспринимающих все горизонтальные усилия от натянутых тросов.
Согласно эскизам, пространственная многопоясная тросовая система (4) содержит высокопрочные предварительно напряженные тросы (5), выполненные, например, из стальной проволоки и/или углеродных волокон, и образующие пояса (6), распорные стойки (7), первые элементы в виде растяжек-распоров (8), оттяжки-пригрузы (10) и др. элементы. На верхнем поясе тросовой системы (4) размещена плита проезжей части (22).
Для специалистов очевидно, что плита проезжей части (22) тросового моста представляет собой стальную раму из перпендикулярно пересекающихся поперечных и продольных ребер жесткости, поверх которой выкладываются слои дорожной одежды.

Пролетное строение главного про-лета тросового моста обязательно должно быть догружено при помощи оттяжек-пригрузов (10) на расчетные усилия.
При этом пролетное строение тросового моста обретает определенную жесткость и устойчивость, которые необходимы ему в работе при восприятии действующих на него постоянных и временных нагрузок. За счет работы оттяжек-пригрузов центр тяжести моста смещается вниз, значительно ближе к земле, что обеспечивает превосход-ную устойчивость всей конструкции пролетного строения.

Оттяжки-пригрузы — это своего рода промежуточные опоры большепролетного моста, где вместо сил сопротивления сжатию материала опоры используется сопротивление растяжению и разрыву материала оттяжек. А так как стальные опоры большой длины лучше работают на растяжение, чем на сжатие (при сжатии может произойти потеря устойчивости), то применение для оттяжек-пригрузов высокопрочных тросов, выполненных из стальных проволок и/или углеродных волокон, будет экономически оправдано.

Следует отметить, что в отличие от эскизов (рис. 2, 3 и 4), пролетное строение тросового моста должно получиться настолько ажурным, что с некоторого расстояния различить какие-либо конструкции моста, кроме плиты проезжей части, будет затруднительно. Следовательно, парусность пролетного строения тросового моста будет минимальна.

Где возможно строительство

Самым образцовым примером места для строительства тросового моста предложенной конструкции можно считать такие условия, как в каньоне реки Xianshenhe в китайской провинции Шаньси. В 2009 году на новой скоростной 4-полосной автотрассе через этот каньон был построен вантовый мост Shenxianhe Bridge. Согласно опубликованным данным, проезжая часть моста находится над ущельем на высоте 161 м, высота пилона составила 210 м, а длина наибольшего пролета — всего 136 м.
Сегодня уже очень трудно с точностью определить, какие средства были затрачены на строительство этого сооружения китайскими мостостроителями. Объемы затрат включают, в том числе, и такие работы, как прокладку специальной многокилометровой временной дороги по основанию ущелья к месту строительства 160-метровой опоры моста, размещение в ущелье бетонного завода и т.п. Но, думается, что тросовый мост в данных условиях должен был обойтись в несколько раз дешевле фактически затраченных средств и быть построен, как минимум, втрое быстрее (рис. 4).

Рис. 4. Схемы Shenxianhe Bridge: вантовая и тросовая

Знаменитый виадук Мийо (Le Viaduc de Millau) мог получиться в реализации проще и дешевле при использовании многопоясного тросового пролетного строения. Даже с учетом существующей трассировки моста можно было ограничиться лишь двумя-тремя самыми минимальными по высоте промежуточными опорами.

За последние 10 лет было построено около сотни большепролетных (иногда одновременно и многопролетных) высотных мостов различных конструктивных решений и статических схем. Для большей части из них многопоясной тросовый мост на этапе проектирования мог составить достойную конкуренцию примененным конструкциям.

Подводя итоги

Существуют широкие ущелья и глубокие речные долины, через которые сегодня бывает необходимым построить современные мостовые переходы. К сожалению, известные технологии пока не позволяют мостостроителям рационально осуществить строительство мостов через такие препятствия. Возможно, многопоясные тросовые системы в подобных ситуациях смогут помочь мостостроителям решить стоящие перед ними задачи и осуществить в таких местах строительство современных большепролетных высокотехнологичных мостовых переходов.

Литература
1. Кирсанов Н. М. «Висячие и вантовые конструкции». // «Стройиздат», 1981 г.
2. Смирнов В. А. «Висячие мосты больших пролетов». // «Высшая школа», 1970 г.
3. Цаплин С. А., «Висячие мосты». М., 1949 г.; «Справочник инженера-дорожника», т. 6. М., 1964 г.
4. «Висячие и вантовые мосты. Проектирование, расчет, особенности конструирования»: Учеб. пособие. — Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 1999 г.
5. Международная заявка РСТ/RU2012/000315 «Многопоясные большепролетные тросовые системы — WO 2013/058675 A1» от 25.04.2013 г.
6. Справочник по постройке искусственных сооружений. 2-е изд. Сост. Андреев И. П., Дубровский А. И., Файнштейн И. С. — М., 1962 г.
7. Chinas Highest Bridges: highestbridges.com/wiki
8. «Большепролетные светопрозрачные здания и сооружения»: blog.dp.ru/post/5274/.

«« назад