Материалы для строительства мостов
Обновлено: 19.04.2024
За 3 тыс. лет с момента создания первого моста человечество неоднократно меняло подход к строительству жизненно важных переправ. Менялись материалы — от бетона к стеклопластику, расчеты — на сопротивление материалов и деформации сдвига, а также устройства для возведения — от простых башенных кранов до настоящий китайских «монстров» на рельсах. К 140-летию инженера и «отца» современного сопромата Степана Тимошенко «Хайтек» изучил новые технологии мостостроения и разобрался, почему новые технологии не спасают нас от катастроф, связанных с мостами.
Читайте «Хайтек» в
23 декабря исполнилось 140 лет со дня рождения Степана Тимошенко — российского, украинского и американского механика, изучавшего сплошные среды и сопротивление материалов. Но главный вклад Тимошенко как ученого и инженера — теория устойчивости упругих систем — базис, на который до сих пор опираются современные строители при возведении мостов, сложных конструкций и железнодорожных путей. В строительной механике и сегодня используются термины «балка Тимошенко» или «плита Тимошенко», а его расчеты висячих мостов, рельсов и зубчатых колес по-прежнему актуальны.
Теория балки была разработана Степаном Тимошенко в начале ХХ века. Модель учитывает эффекты деформации сдвига и вращательного изгиба, что делает ее пригодной для описания поведения толстых балок, многослойных композитных или подверженных высокочастотному возбуждению, когда длина волны приближается к толщине балки. Физически, принимая во внимание добавленные механизмы деформации, эффективно снижается жесткость балки, в то время как результатом является больший прогиб при статической нагрузке и более низкие прогнозируемые собственные частоты для заданного набора граничных условий. Последний эффект более заметен для высоких частот, поскольку длина волны становится короче, и, следовательно, расстояние между противодействующими сдвигающими силами уменьшается.
Человек всегда пытался преодолевать океаны, горы, пустыни. Это у нас в крови. Долгое время мосты представляли собой деревянные конструкции. Первый металлический мост был построен в Колбрукдейле, Великобритания, на реке Северн в 1779 году. В XIX веке появление железных дорог потребовало создания мостов, способных выдерживать значительные нагрузки, что стимулировало развитие мостостроения. Постепенно в качестве основных материалов в мостостроении утверждаются сталь и железо. В XX веке мосты стали строить также из железобетона.
Мостостроение по праву можно считать одной из самых консервативных отраслей строительства. Несмотря на то, что новшества в инженерии постоянно предлагаются как теоретиками, так и практиками, согласование и внедрение новых решений требует длительного времени. Тем не менее, сегодня все чаще применяются новые технологии строительства мостов, реализующие порой самые невероятные решения.
Меня поразили металлические конструкции дорог. Внешний вид их был безобразен. Конструкции поражали своей технической безграмотностью и были, по моему мнению, опасны для движения. При прохождении поездов и особенно при их торможении на станциях раскачивания этих конструкций достигали совершенно недопустимых пределов. О безграмотности американских инженеров я уже раньше составил себе некоторое представление, изучая провалившийся мост в Квебеке. Но все же не предполагал, что наземная железная дорога Нью-Йорка построена настолько безграмотно.
Степан Тимошенко
Бетон уходит в прошлое
Еще пару десятков лет назад основным строительным материалом при возведении мостов выступал прочный и долговечный бетон. Но при своих достоинствах он имел один существенный недостаток — тяжеловесность. Это нередко становилось камнем преткновения в ситуациях, когда требовалось с целью повышения судоходности моста увеличить пролеты между опорами.
Сегодня достойную альтернативу ему составили современные материалы в комплексе с новейшими технологиями возведения мостов.
Сверхлегкий бетон
Вопрос создания прочных конструкций с широкими пролетами сегодня решается посредством применения новой технологии в строительстве мостов на основе легкого высококачественного бетона. Главное достоинство материала в том, что он позволяет снизить вес покрытия на 30% без ущерба прочности конструкции. Такой эффект достигается за счет использования пористых заполнителей.
Не менее востребован сегодня и наноструктурированный бетон. Наличие в консистенции цементного камня этих структур создает условия для микродисперсного самоармирования, повышая тем самым прочностные характеристики стройматериала.
Современные материалы дают возможность ускорить процесс возведения мостов. Части конструкций создаются и собираются в условиях производства. А непосредственно на строительных участках осуществляют сваривание элементов металлоконструкции с последующим «обволакиванием» их бетонными массами. В процессе застывания они превращаются в фундаменты, опоры и пролеты, имеющие различные геометрические формы.
Нанокомпозитные материалы
Отдельное направление в мостостроении — создание конструкций из нанокомпозитов. Высокотехнологичные композитные элементы на основе нанокультур имеют превосходные эксплуатационные параметры.
На основе нанокомпозитов сегодня создается арматура, которая задействуется в виде усиливающих лент и бандажей, стальные элементы и сварные конструкции. Добавление в состав наночастиц молибдена и ванадия препятствует водородному охрупчиванию стали, снижая тем самым риск разрушения элементов.
Для увеличения вязкости сварных соединений используются присадки, включающие наночастицы кальция и магния. Они способны уменьшать размер зерен стали в точках формирования швов.
Стекло и стеклопластик
Внедрение новых технологий строительства мостов из стеклопластика и стекла стало революцией. Улучшение эксплуатационных параметров этих материалов не обошлось без применения все тех же нанотехнологий.
Все чаще можно наблюдать ситуации, когда стеклопластиком при строительстве мостов заменяют часть металлических изделий. В 2014 году в Новосибирске был построен первый в России стеклопластиковый автомобильный мост.
Стеклопластиковый мост в Новосибирске. Фото: Пресс-служба губернатора и правительства Новосибирской области/Сергей Пермин.
Плюсов у стеклопластиковых мостов очень много — не обязательно транспортировать крупногабаритные пролетные строения, часть конструкций собирается непосредственно на месте стройки. Второе — материал не подвергается коррозии и, соответственно, меньше затрат при эксплуатации в дальнейшем. Стеклопластик характеризуется высокой надежностью работы в склонных к коррозии средах — 50 лет без разрушений. Это является мощным поводом предполагать, что срок службы стеклопластиковых настилов будет достигать 75–100 лет. В-третьих, вес стеклопластикового настила составляет всего 10–20% от веса аналогичного железобетонного покрытия. Использование стеклопластикового настила взамен бетонного в значительной степени снижает нагрузку на мост. В новой конструкции более низкий собственный вес обеспечивает снижение веса всей конструкции, ведь размер структурных элементов и основания тоже уменьшается.
Самый длинный мост в России
Уникальным сооружением для России стал Крымский мост, общая длина которого составляет 19 км. Он является самым длинным мостом в России на данный момент. Строительство велось одновременно сразу с восьми точек. Длина морских участков от косы Тузлы до острова Тузла (там 6,5 км суши) и от острова до Керчи составит 13 км. Для строительства моста использовались 595 опор и более 5,5 тыс. свай разных размеров и типов — трубчатых, призматических и буронабивных. При этом трубчатые сваи забивались как вертикально, так и под углом на участках с наиболее сложной геологией и высокой сейсмикой. В акватории такие сваи погружены на глубину, превышающую 90 м, равную высоте 30-этажного здания.
На строительство Крымского моста, признанного одним из самых сложных инженерных сооружений в отечественной инженерной практике, ушло более 270 тыс. т металла и около 0,5 млн куб. м бетона. В целом объем поставок материалов и конструкций для реализации проекта превысил 12,5 млн т.
При установке арки автомобильного пролета были задействованы 600-тонные домкраты. Все конструкционные материалы обладают повышенными характеристиками прочности и противокоррозионной защиты. Специальное исполнение опорных частей обладает также с защитой от пыли, морской воды, воздействий обледенения и сильного ветра. Шок-трансмиттеры — еще одна уникальная технология, примененная при строительстве объекта. Так как мост находится в неустойчивой сейсмозоне, то на его автодорожной части установлены 760 устройств, которые дополнительно защищают мостовые конструкции в случае землетрясения. Конструкторы заверяют, что с ними Крымский мост выдержит даже девятибалльное землетрясение.
Шок-трансмиттеры устанавливают между опорами и пролетами моста. Благодаря гидравлике они обеспечивают жесткое соединение конструкций в случае кратковременных воздействий, вызванных сейсмической или другой динамической нагрузкой (их можно сравнить с ремнями безопасности в автомобиле). Шок-трансмиттеры позволяют пролетам моста беспрепятственно смещаться при незаметных перемещениях, вызванных температурными условиями, а при землетрясении они срабатывают и распределяют сейсмическую нагрузку равномерно по опорам.
Машина-монстр для возведения мостов
Китайские инженеры создали мостоукладчик, предназначенный для возведения протяженных мостов, в конструкции которых предусмотрено множество пролетов. С его помощью в кратчайшие сроки можно создавать пути на сложных участках местности, образуя при этом минимальное количество стыков на дорожном полотне.
Чудо-техника носит название SLJ900/32 Segmental Bridge Launching Machine. Цифра 900 (тонн) указывает на максимально допустимый вес одного сегмента, который может уложить агрегат.
Задача строителей сводится к тому, чтобы возвести опоры. Всю остальную работу, включая установку и фиксацию готовых участков полотна моста, агрегат выполнит сам.
Софт для мостов
Современное мостостроение невозможно представить без использования программ, помогающих инженерам-проектировщикам грамотно рассчитать возможную предельную нагрузку моста, коррозию и резонанс. Прежде чем проектировать мост, учитывают множество разных факторов и проводят обязательные работы — исследуют уже существующие мосты, определяют предельную грузоподъемность каждой детали мостовой конструкции, а также каждого пролета, осуществляют инженерно-геологические, инженерно-экологические и прочие исследования, составляют рекомендации для дальнейшей эксплуатации моста. С учетом системы будущего моста вычисляют его динамические характеристики — учитывают грузоподъемность, а также влияние отдельных дефектов на его пропускную способность.
Цена ошибки
Человечество стало строить мосты более 3 тыс. лет назад, что позволяет им претендовать на почетное звание самого древнего инженерного сооружения. Более того, многие мосты, построенные тысячи лет назад, — особенно римлянами, которые достигли удивительных высот в области мостостроения, — до сих пор стоят и даже выполняют свои функции.
Но, как и любое инженерное сооружение, мост может разрушиться, что нередко случалось за последние 3 тыс. лет. И хорошо еще, если прямо в процессе строительства. Хуже, если это происходит при эксплуатации.
Почему же разрушаются мосты? Часто причин может быть несколько одновременно, и они, дополняя друг друга, приводят к катастрофе. Например, инженер неправильно провел расчеты, строители сэкономили на материалах или нарушили технологии строительства, затем мост неправильно эксплуатировался и, в конце концов, при прохождении слишком тяжело нагруженного поезда или большого числа машин обрушился. Тем не менее, в большинстве случаев одна из причин выступает в качестве основной.
Ошибки конструкции и эксплуатации и чрезмерный износ
14 августа 2018 года обрушился автомобильный мост в Генуе, жертвами катастрофы по последним данным стали 42 человека.
Правительство Италии обвинило в катастрофе обслуживающую мост компанию Autostrade. Но расследование NYT выявило, что при строительстве моста были допущены ошибки на этапе проектировки. Стальные кабели внутри моста были забетонированы, что мешало контролировать коррозию металла и предпринимать соответствующие меры по ее устранению. А бетонная оболочка оказалась очень уязвимой для соленого воздуха Средиземного моря и ядовитых испарений с близлежащих заводов. Трещины в бетонной оболочке пропускают воду, и стмаль начала коррозировать почти сразу, как только мост был открыт для движения в 1967 году. Инженер моста Рикардо Моранди отметил пугающие изменения еще в начале 80-х, но был проведен лишь небольшой косметический ремонт сооружения. В 2017 году приглашенный Autostrade профессор Джентиле по вибрациям выявил опасные разрушения двух опорных башен и предположил, что стальные кабели находятся на предельной нагрузке. Но никаких действий управляющая компания не предприняла. В результате 43 человека погибли, десятки автомобилей упали примерно в 150 футах на русло реки, железнодорожные пути и улицы вниз.
Резонанс
Одна из самых известных причин разрушения мостов — это резонанс, то есть явление резкого нарастания амплитуды колебаний системы (в нашем случае — конструкции моста) при периодическом внешнем воздействии. В школе это явление даже объясняют на уроках физики, приводя в пример историю о том, как отряд солдат, шагая в ногу, может вызвать обрушение моста. По сути, тут можно выделить даже две причины: ошибки в конструкции и неправильная эксплуатация; порой может подключаться и плохая погода.
20 мая 2010 года русловые пролеты балочного моста через Волгу в Волгограде начали испытывать колебания с амплитудой до 40 см, которые затрудняли и даже делали невозможным движение. Волнообразные колебания происходили только в судоходных пролетах моста длиной 155 м, имеющих малую относительную жесткость, в более коротких же пролетах таких явлений не наблюдалось. Вследствие этого движение было закрыто, к исследованию явления подключились специалисты по проектированию и строительству мостовых сооружений. По предварительным данным, имеющийся мировой опыт мостостроения свидетельствовал о том, что балочные мосты обычно не испытывали таких колебаний.
Превышение допустимой нагрузки
Часть моста через реку Скагит в штате Вашингтон обрушилась в 2013 году после того, как по ней проехал перегруженный грузовик из Ванкувера. Из-за аварии в реку упали два автомобиля, но в итоге никто серьезно не пострадал.
В 2007 году мост автомагистрали I-35W через реку Миссисипи рухнул в час пик. Это был один из самых используемых мостов Миннесоты, который каждый день пересекало около 140 тыс. машин. В результате катастрофы погибло 13 человек, 145 получили ранения.
Мосты являются неотъемлемой частью внешнего облика красивейших городов мира, соединяют берега рек и даже проливов, помогая людям быстрее добраться до родных и близких. В задачу инженеров, проектировщиков и строителей входит не только создание безопасных и запоминающихся переправ, но и применение современных технологий, чтобы с их помощью сделать мосты устойчивыми к природным катаклизмам, дешевыми с точки зрения возведения и эксплуатации, а также чтобы обезопасить себя от ошибок, которые могут привести к человеческим жертвам и огромному материальному ущербу.
Технологии сооружения мостов постоянно совершенствуются, но редко кто задумывается, какую роль играют дорожно-транспортные сооружения и сколько времени затрачивается на преодоление различных преград объездными дорогами.
Мост - это искусственное инженерное сооружение, которое возводится в местах пересечения дорог с различными водными преградами.
Тщательный и продуманный проект, точные расчёты и предварительная подготовка – это залог успешного строительства мостов.
На конструкцию моста действует достаточно большое количество сил с которыми, в свою очередь, борятся проектировщики и строители. Благодаря их совместному труду и профессионализму с особой точностью определяется нагрузка на мост (сооружение), противостояние климатическим условиям и многие другие показатели.
Монтаж пролетных строений
Существуют различные виды монтажа пролетных строений: навесной и полунавесной монтаж пролетных строений, сборка пролетного строения на стапеле и далее перевоз его на плавучих средствах или при помощи крана (если на суше), сборка пролетного строения на берегу с продольной надвижкой его в пролет.
Технологию монтажа пролетных строений проектировщики закладывают, учитывая тип конструкции, условия для ее монтажа и наличие техники и оборудования у строителей.
Об этом мы подробно говорили в статье: «Монтаж металлоконструкций».
Сооружение мостов включает в себя следующие этапы:
- освоение площадок;
- возведение опор;
- монтаж пролетных строений;
- ликвидация строительной площадки;
- испытание моста и др.
Для каждого из имеющихся видов мостов, существует своя технология строительства, которая наиболее лучше подходит для возведения конкретного моста.
Технологии по возведению мостов
1. Подготовительные работы
Каждый раз сооружение нового моста начинается с подготовительных работ (инженерные и инженерно-геодезические работы по выносу оси моста на местность).
Подготовительные работы должны обеспечивать точное расположение мостов на местности в соответствии с проектной документацией.
Выбор места для моста предпочтительно выбирают с минимально возможным расстоянием между берегами реки, пролива и др.
Иногда для сокращения расстояния специалисты пользуются методом создания искусственной насыпи навстречу к противоположному берегу. Однако выгоднее природные острова , во-первых, они существенно уменьшают длину моста, а во-вторых, это экономично.
2. Возведение опор
При сооружении конструкции моста наиболее сложным и объемным процессом считается – устройство опор. Достаточно много существует способов по установки мостовых опор.
Фундаменты опор моста могут быть как под водой, так и не берегу, т.е к ним будут применяться разные способы сооружения:
1 способ – с использованием котлована, в который в дальнейшем погружаются сваи. Далее сооружается опалубка, внутри которой устанавливается каркас из стальной арматуры, и затем она заливается бетоном, принимая нужные формы и размеры.
2 способ – с использованием шпунтового ограждения. В случае строительства русловых опор, котлован огораживается шпунтом с обеспечением откачки воды. Далее погружаются сваи, устанавливается опалубка ростверка с арматурным каркасом и заливается бетоном.
К малым и средним мостам, часто применяют призматические железобетонные сваи, которые с помощью парового и дизельного молота, погружаются в грунт.
Большой мост в свою очередь сооружается чаще всего с применением буронабивных столбов.
На опорах могут надстраивать высокие пилоны для поддержания основных (несущих) тросов в висячих мостах.
3. Сооружение пролетов
Технологии сооружения пролётов зависят от форм мостов. Конструкции определяется задачами и условиями, которые стоят перед специалистами.
Большая часть мостов представляют следующие типы пролетов:
Для сооружения мостовых пролетов, используется ряд тяжелой техники. Например, подъемные краны, толкающие устройства (для надвижки), передвижные подмости, гидродомкраты и др.
При сооружении моста расширяется горизонт использования новых сталей, применение сварки взамен болтовых фрикционных соединений, а также совершенствуются конструктивные формы пролетных строений за счет применения жестких листовых коробчатых конструкций.
Активное участие проектного института в исследовании новых технологий и методов строительства, а также проектирования мостов, дает огромное преимущество перед конкурентами на рынке.
ГК «ТРАНССТРОЙПРОЕКТ» - это проектный институт, ключевой деятельностью которого является современное и качественное мостостроение.
Высококвалифицированные специалисты в своей работе используют только инновационные методы, подходы и технологии.
Доверяя Нам, Вы можете быть спокойны за свой объект. Мы разработаем для Вас уникальный проект, соответствующий мостовым нормам и Вашим пожеланиям в рекордно короткие сроки.
Современный мир мостостроения находится в постоянном развитии и не стоит на месте. В свою очередь, новые требования потребительских свойств предъявляемые к мостовым сооружениям задают новые ориентиры на пути эволюции конструктивных форм и инженерных подходов, открывая новые горизонты и перспективы для инженеров-мостовиков. Умение анализировать ситуацию и находить актуальные инновационные решения всегда являлось отличительной чертой коллектива специалистов ТРАНССТРОЙПРОЕКТ.
В настоящее время металлическое мостостроение приобретает всё большую популярность. И это не случайно, поскольку именно сталь в наибольшей степени удовлетворяет требованиям работы конструкций пролётных строений по всем параметрам. Это и прекрасная работа материала, как на растяжение, так и на сжатие; высокая долговечность и надёжность конструкции; возможность монтажа в любой климатической зоне независимо от времени года, и по этой же причине сокращение сроков строительства сооружения.
Современное развитие транспортной инфраструктуры мегаполисов влечёт за собой изменение в подходах и методах работы во всех составляющих компонентах отрасли: проектирование – заводское изготовление – монтаж на строительной площадке.
В условиях современной городской застройки и сложившейся улично-дорожной сети конструктивные решения транспортных сооружений принимают всё более сложные формы. Ещё большую остроту в данный вопрос вносят «нормативные» сроки строительства, которые определялись в советское время и не могли на тот момент отражать степень сложности нынешних транспортных объектов.
Современные особенности проектирования мостов
Три десятилетия назад запроектировать криволинейное в плане металлическое пролётное строение требовало колоссальных трудозатрат. Более того технологии заводского изготовления конструкций стальных мостов не позволяли реализовывать такие решения.
Выходом из этой ситуации для проектировщиков в последние годы стал переход на использование 3D технологий. Инженером проектировщиком создаётся твердотельная модель конструкции, из которой в дальнейшем программными средствами в автоматическом режиме создаются чертежи. Любой проектировщик знает, что времени на оформление рабочих чертежей уходит порой больше, чем на проработку самой конструкции. В этом плане автоматизация процесса перехода от 3D модели к традиционному 2D чертежу, автоматически оформленному по действующим нормам – настоящий прорыв. Именно автоматизация процесса проектирования современных сооружений позволяет нам выдерживать «старые» сроки не в ущерб качеству проекта, а порой выполнять его даже быстрее. Технология проектирования конструкций в 3D также позволяет избегать конструктивных ошибок, поскольку инженер наглядно видит создаваемую конструкцию.
Ярким примером применения технологии 3D проектирования из последних наших работ служит объект, которым мы особенно гордимся – это железнодорожная подходная эстакада к новому вокзалу в Астане.
Менее чем за год, был разработан рабочий проект 2,5 километровой железнодорожной эстакады под 3 пути. Металлические коробчатые пролётные строений с ортотропной плитой балластного корыта и переменной высотой стенки общим весом около 27 тысяч тонн. Считаю, что за такой короткий срок даже при максимальной унификации монтажных блоков, учитывая, что 2/3 эстакады расположено на кривых – это выдающийся показатель.
Новые материалы в строительстве мостов
Атмосферостойкая сталь
Ещё один перспективный вопрос, заслуживающий внимания на сегодняшний день - это применение новых современных материалов при проектировании транспортных сооружений на законных основаниях.
К сожалению, в наших современных действующих нормах не отражено большое количество вопросов. Важнейшими из которых например, являются новые стали. В современной практике мирового мостостроения давно известны высокопрочные низколегированные и атмосферостойкие стали. В нашей стране разработки в этом направлении велись, но ввиду того, что время их апробации и внедрения совпало с политической нестабильностью, процесс этот затянулся на долгие годы. И только совсем недавно начались предпосылки к возрождению тех самых идей, которые разрабатывались в переломное время.
Современное мостостроение располагает, на сегодняшний день, высококоррозионно устойчивыми сталями, такими как российская 14ХГНДЦ или зарубежная Corten, которые сопоставимы по цене с традиционными, но не требуют окраски на весь срок службы сооружения.
При применении таких атмосферостойких сталей в конструкциях мостов вдали от мегаполисов, где нет каких-либо архитектурных требований - это идеальное инженерное решение, с которым не конкурентоспособна по материалу никакая другая конструкция. Более того, такую сталь без ограничений можно применять в железнодорожных и автодорожных мостах, в том числе и внеклассных. Сталь марки 14ХГНДЦ прошла весь комплекс испытаний в ЦНИИС и ВНИИЖТ, а несколько экспериментальных мостов отработали без нареканий уже более трех десятков лет.
Для этой отечественной атмосферостойкой стали отработаны все технологии для заводского и монтажного сварочного производства, подобраны и апробированы сварочные материалы.
Применение этой стали сэкономило бы значительные бюджетные государственные денежные средства при эксплуатации пролетных строений металлических мостов.
Цинкосодержащая защита от коррозии
Важный перспективный вопрос, заслуживающий внимания - современные цинкосодержащие системы защиты от коррозии , как на эпоксидной, так и на полиуретановой основе. По сравнению с применением алюминиевой конструкции, развитие направления защиты от коррозии имеющихся низколегированных сталей гораздо более перспективно и экономически выгодно. Обуславливается это отличной способностью низколегированной стали сопротивляться динамическим знакопеременным нагрузкам. Показатели усталости алюминия значительно отличаются от низколегированной мостовой стали и, причем не в лучшую сторону. При этом алюминий гораздо дороже традиционной стали.
Учитывая высокую надёжность и долговечность стальной конструкции пролётного строения, срок службы которого 80…100 лет в зависимости от режима эксплуатации, именно стальные пролётные строения ещё долгие годы будут занимать лидирующие и перспективные позиции в мостостроении.
Как проектировщики, мы очень надеемся на включение в нормативные документы новых марок сталей, позволяющих расширить границы применяемости стальных конструкций. Умение анализировать ситуацию и находить инновационные решения всегда являлись отличительной чертой наших специалистов, и мы по прежнему будем стремиться к самосовершенствованию. Мы любим свою работу и выполняем её профессионально и с душой, для этого у нас есть всё: специалисты высокого класса, инженерный опыт, техническое оснащение, а главное – преданность своему делу.
Ищите профессионалов в проектировании стальных мостовых конструкций? В ТРАНССТРОЙПРОЕКТе вы найдёте качественные проекты с учётом индивидуальных особенностей, а также оптимальные решения для организации строительства.
Мостостроение – это не только процесс возведения мостов, но и широкая научно-исследовательская деятельность посвященная поиску новых технологий и материалов для развития отрасли.
Внедрение новых эффективных конструкций и рациональных схем в мостостроении требует от инженеров - проектировщиков более широкого использования новейших достижений передовой науки и техники. Существует обширный круг вопросов, с которыми приходится сталкиваться конструкторам в своей работе, например, какой материал для строительства моста будет экономически оправданным и наиболее подходящим по своим характеристикам.
Дерево
Древесина, как материал для строительства мостовых конструкций, используется со времен древности. Она обладает как рядом достоинств, так и существенных недостатков.
Древесина имеет относительно небольшой вес, по сравнению с другими мостостроительными материалами, отличается простотой, экономичностью и высокой скоростью монтажа, ведь для транспортировки и работы с ней не требуется тяжелая грузоподъемная техника. Самым же подходящим деревом для строительства мостов всегда являлась сосна благодаря удобству обработки, а также стойкости к гниению.
Но, несмотря на то, что в современном строительстве очень много различных возможностей защиты древесины, полностью предотвратить гниение невозможно.
Именно это является главной причиной, почему деревянные мосты не обладают долговечностью и выходят из строя гораздо быстрее, чем мосты, изготовленные из иных материалов.
Продлить срок службы моста позволяет использование клеефанерных жестких коробчатых панелей, состоящих из деревянного каркаса и водостойкой фанерной обшивки, соединенных между собой клеевым слоем. Но изготовление таких конструкций увеличивает общую стоимость монтажа, а срок эксплуатации будущего моста составит максимум 40 лет, что является гораздо меньшим сроком, чем у металлических и железобетонных мостов.
Железобетон
Железобетон – комплексный материал, изготавливающийся из двух составляющих: бетона, работающего на сжатие, и стальной арматуры, работающей на растяжение. Для бетона смешивают воду со связующим веществом (цементом) и наполнителем (песком, гравием или щебнем).
Железобетон обладает отличными прочностными характеристиками при работе на сжатие, а также, при правильном выборе марки бетона, грамотном его изготовлении и защите, еще и стойкостью к внешним воздействиям – природным и климатическим.
Железобетонным конструкциям свойственны образования трещин, по причине отсутствия возможности бетона работать на растяжение. Трещины снижают их долговечность и повышают деформативность (деформации усадки, возникающие при неравномерной усадке бетона, а также деформации под нагрузкой из-за присущего бетону свойства ползучести).
Металл
Алюминий – это легкий металл, использующийся в строительстве в виде различных сплавов с марганцем, медью, магнием и пр.
Это легкий, но очень прочный металл, прост и удобен для формовки профиля, монтаж алюминиевых конструкций нетрудозатратен, они устойчивы к низким температурам, а самое главное – не подвержены коррозии и не требует покраски.
Алюминиевое мостостроение не развито в России: до недавнего времени на всю страну существовал всего лишь один мост, построенный с применением алюминия.
Казалось бы, что неподверженность коррозии – это преимущество, не имеющее никаких негативных сторон. Но опыт показывает, что использование современных антикоррозийных защитных систем для традиционных сталей гораздо выгоднее и не уступает в эффективности.
Помимо всего прочего, алюминиевые конструкции имеют ограничение по нагрузкам, низкую способность к упругим деформациям и соответственно склонность к прогибам, а так же их усталостная прочность в два раза ниже, чем у стальных.
Именно поэтому, за рубежом из алюминия чаще всего строятся только пешеходные мосты с небольшими пролетами.
Чаще всего, под «стальными» подразумеваются мосты на бетонных или железобетонных опорах с изготовленными из стали пролетными строениями.
Блоки и элементы стальных конструкций изготавливаются на заводах с высочайшей точностью, степенью стандартизации и готовности к монтажу. Современные стальные пролетные строения очень технологичны и способны перекрыть гораздо большие пролеты, в отличие от конструкций из железобетона. Стальные пролетные строения отлично справляются со знакопеременными нагрузками, поскольку сталь одинаково хорошо работает как на растяжение, так и на сжатие. Относительно небольшой вес делает такие конструкции экономичными и удобными для монтажа.
Недостатком стали как материала для строительства является ее подверженность коррозии. К счастью, решение данной проблемы найдено уже давно. Это различные цинкосодержащие системы защиты - покрытия на эпоксидной или полиуретановой основе. Современные средства защиты позволяют забыть о такой проблеме, как коррозия, на долгие десятилетия, при этом сохраняя экономическое превосходство над использованием в строительстве алюминиевых сплавов.
Проектным институтом ТРАНССТРОЙПРОЕКТ в качестве направления деятельности неспроста было выбрано проектирование именно стальных мостовых конструкций. Если вы размышляете о строительстве моста, но сомневаетесь, какой материал подойдет вам лучше – не сомневайтесь, это сталь! А остальное предоставьте нашим специалистам, чей опыт и внимание поможет вам оптимизировать процесс строительства и подобрать наилучшие решения.
Вся мостостроительная отрасль предусматривает не только процесс непосредственного возведения мостов, но и огромный объем научно-исследовательской работы, направленной на разработку новых схем и методик строительства.
Чтобы возводить мосты, по своим прочностным и эксплуатационным характеристикам не уступающие конструкциям прошлых лет, но при этом обходящиеся дешевле в строительстве и эксплуатации, проектировщик особое внимание должен уделять достижениям научно-технического прогресса и возможности их использования в своей работе. Неудивительно, что сотрудникам проектных компаний приходится на практике решать множество вопросов, причем чаще всего им приходится сталкиваться с выбором материалов, оптимально подходящих для возведения мостовых конструкций.
Древесина
В качестве строительного материала используется с глубочайшей древности, соперничая по этому показателю разве что с природным камнем. Есть у нее как достоинства, так и ярко выраженные недостатки.
Достоинства
В сравнении с другими строительными материалами имеет сравнительно небольшую массу, с ней легко работать, используя самую простую технику, она относительно недорога и позволяет вести монтажные работы с высокой скоростью. Для ее транспортировки подходит стандартная грузовая техника со средней грузоподъемностью. Непосредственно в мостостроительной сфере обычно используется сосна – ее древесина хорошо поддается обработке, одновременно обладая высокой устойчивостью к действию гнилостных грибков и микроорганизмов.
Недостатки
Но, несмотря на обилие современных защитных составов, призванных защищать древесину от действия негативных факторов внешней среды, обеспечить на 100% надежную защиту от грибка и действия вредных насекомых невозможно.
Именно эта причина сильно ограничивает функциональность и срок эксплуатации мостов, в конструкции которых используется древесина – чем бы она ни обрабатывалась, срок службы готовой конструкции все равно в десятки раз меньше чем у мостов, изготовленных с использованием более совершенных материалов.
Чтобы максимально продлить срок службы такого моста, показано использование клеефанерных панелей, в основе которых – деревянный каркас, обшитый влагостойкой фанерой. Все элементы этого «бутерброда» промеж собой скрепляются за счет использования особого высокопрочного клея. Но в этих случаях срок и стоимость монтажа быстро растут, при том, что даже такая конструкция прослужит максимум 40 лет. Это в разы меньше, чем у мостов из стали или бетона.
Мосты из железобетона
Суть материала в его комбинированном составе. Бетон лучше сопротивляется нагрузкам на сжатие, армирующий каркас лучше работает с нагрузками на растяжение. Материал этот простой, сравнительно дешевый и долговечный.
Достоинства
При работе на сжатие именно железобетон обладает исключительно высокими характеристиками. Если строители и проектировщики грамотно выбрали марку бетона, а на заводе ЖБИ не экономили на изготовлении конструктивных элементов, то материал годами и с успехом сопротивляется действию негативных факторов внешней среды.
Недостатки
Основной недостаток бетона любой марки – постепенное его растрескивание. Их образование – следствие неэффективной сопротивляемости материала нагрузкам на растяжение. При образовании трещин страдает общая долговечность конструкции, повышается вероятность ее постепенной деформации. Такое бывает при неравномерной усадке залитого бетона, из-за деформации под нагрузкой из-за ползучести, свойственной всем сортам и маркам бетона.
Металлы, используемые при строительстве мостов
Алюминий
В чистом виде используется редко – более распространено его применение в виде сплавов с разнообразными присадками.
Достоинства
Материал легкий, но, при условии добавления присадок, очень прочный. Отличается простотой формовки, низкими трудозатратами при работе, устойчивостью к экстремально низким температурам. Алюминиевые компоненты устойчивы к коррозии и не нуждаются в покраске.
Недостатки
До сравнительно недавнего времени на всю страну имелся только один алюминиевый мост. Странно, учитывая все достоинства этого материала и объемы его выработки в РФ.
Но все вполне логично. Ранее считалось, что устойчивость к коррозии – неоспоримое преимущество алюминия. Но успехи современной химической промышленности позволили создать новые типы защитных покрытий для стали, эффективность которых нивелирует все преимущество алюминиевых конструкций.
Не нужно забывать, что все алюминиевые конструкции имеют серьезные ограничения по максимально допустимым пределам нагрузок, плохо сопротивляются к упругим деформациям, в два раза быстрее теряют прочностью из-за «усталости», имея обыкновение быстро при этом прогибаться. По этой причине алюминий и его сплавы обычно используются для строительства лишь небольших пешеходных мостов с короткими пролетами.
Сталь
Нужно отметить, что очень часто под «сталью» понимаются мосты из железобетона или комбинированные конструкции, где непосредственно сталь используется в мостовых фермах.
Достоинства
В современном мостостроении все стальные компоненты конструкции изготавливаются в заводских условиях, с высочайшей степенью стандартизации. Они сразу покрываются защитными составами и полностью готовы к монтажу. Высокотехнологичные сплавы отличаются высокой прочностью, а пролеты, из них изготовленные, можно делать в разы длиннее пролетов из железобетона. Такие конструкции отлично справляются с переменными нагрузками, так как материал одинаково хорошо работает и на сжатие, и на растяжение. Сравнительно небольшой вес стали значительно упрощает процесс монтажа.
Недостатки
Основной недостаток стали – ее подверженность коррозии. Но успехи современной химической промышленности позволили надежно решить этот вопрос. Покрытия с содержанием цинка на эпоксидной или полиуретановой основе надежно защищают металл от действия влаги. Эти составы позволяют забыть о коррозии на десятилетия, делая сталь наиболее предпочтительным материалом для строительства мостов.
Читайте также: