Технология устройства монтажных соединений пролетных строений стальных мостов

Строительство вантовых мостов

Впоследние годы в России было построено несколько вантовых металлических мостов: через р. Неву в г. Санкт-Петербургепо проекту Гипростроймоста с пролетом 382 м, через р. Обь в г. Сургуте, с однопилонной схемой с пролетом 408 м, в г. Москве в районе Серебряного Бора

соригинальным пилоном арочного типа. Закончено строительство моста черезпроливБосфорВосточныйвг. Владивостокеспролетом1104 м.

Выдающиеся мосты вантовой системы построены во Франции и других странах Западной Европы, а также в Юго–ВосточнойАзии (Китай, Вьетнам, Малайзия).

Вантовые мосты были разработаны и внедрены около 50 лет назад в ФРГ. По своей статической работе они представляют собой неразрезные балки, усиленные вантами. Вантовые системы аэродинамически более устойчивы, чем висячие. Общие деформации пролетного вантового строения происходят с участием продольных деформаций вант, в то время как в висячих мостах деформации происходят за счет изменения формы кабеля. Таким образом, при колебаниях висячих мостов диссипация энергии колебаний значительно меньше, чем в вантовых мостах, и их аэродинамическая устойчивость значительно ниже. Кроме этого, ванты из набора отдельных канатов более технологичны, чем кабели висячих мостов.

Для вантовых ферм применяют:

•витые канаты из оцинкованной проволоки;

•канаты из параллельных проволок (они имеют стабильные модули деформации);

•ванты конструкции фирмы Фрейсине из семипроволочных ка-

натов.

Витые канаты возможно применять при малых пролетах вантовых мостов 100…400 м из-занизкого модуля деформации (до

1,2×106 кгс/см2).

Ванты из параллельных проволок применяли в СССР, в частности при строительстве моста через р. Днепр в г. Киеве. Достоинством таких вант является высокий и стабильный модуль деформаций.

Ванты из канатов системы фирмы «Фрейссине» нашли преимущественное применение во многих странах мира (рис. 9.2), по этой технологии построены сотни мостов. Конструкция вант (рис. 9.2, б) формируется из «монострендов» (рис. 9.2, в), в состав которых входит семипроволочный канат из оцинкованной проволоки с двойной антикоррозийной защитной оболочкой. «Моностренды» поставляют с завода на строительную площадку в полностью готовом виде. На концах вант располагается анкерно-опорнаяконструкция, в которой канаты анкеруют с помощью конусных анкеров. Концевые участки канатов располагают в защитном коробе, заполненномантикоррозийнымсоставом(рис. 9.2, а).

Расчетный срок службы вант составляет 100 лет, однако, по мнению строителей, ванты могут прослужить и 500 лет.

Балки жесткости вантовых мостов по материалу могут быть стальными, сталежелезобетонными и железобетонные (рис. 9.3).

Стальные балки жесткости (рис. 5.3, а,б) имеют преимущества по весу для больших пролетов. Однако при плохо обтекаемой аэродинамической форме может возникнуть аэроупругая неустойчивость под действием ветра. Поэтому для больших пролетов стальным балкам жесткости необходимо придавать хорошо обтекаемую форму (см. рис. 9.3, б). Они имеют легкую несущую проезжую часть из сварных ортотропных (ортогональноанизотропных) плит. Верхний (покрывающий) лист толщиной не менее 12...14 мм, продольные ребра простейшего плоского типа, приваренные с шагом поперек пролета 300...400 мм. Продольные ребра имеют пролет 2...5 м. Основным достоинством плоских продольных ребер является простота заводского изготовления и монтажных стыков. Закрытые ребра лучше работают на сжатие, однако они значительно сложнее в изготовленииимонтаже, априэксплуатациинемогутбытьпокрашеныизнутри.

Поперечные ребра, служащие опорами для продольных, имеют, как правило, двутавровое сечение, в котором верхним поясом служит покрывающий лист ортотропной плиты.

Поставляемые заводами плиты могут иметь продольное и поперечное членение, которое предпочтительнее по объему монтажных соединений.

Лист настила монтируют на стыковой сварке. Большие длины швов и их нижнее положение позволяют широко применять автоматическую сварку под слоем флюса. При толщинах листа 12 мм и более применяется V-образнаяразделка листа.

Первый этап сварки иногда выполняют вручную по меднофлюсовой подкладке, что дает возможность выполнения последующих проходок автоматом.

Для стыкования ребер из-замалой их протяженности невозможно применение автоматической сварки, поэтому используют стыки на высокопрочных болтах. При замкнутых ребрах применение болтовых соединений невозможно и монтажные стыки делают сварными с помощью ручной сварки, которая не поддается дефектоскопии.

Основные схемы сборки вантовых пролетных строений со стальными балками жесткости:

Схема 1. Навесная сборка с минимальным количеством временных опор (рис. 9.4, г).

Схема 2. Продольная надвижка балок жесткости с аванбеком и шпренгелем (рис. 9.4, а, в).

Схема 3. Сборка на временных опорах (см. рис. 9.4, г).

При железобетонных балках жесткости в вантовых мостах снижается динамическая составляющая от действия ветра и под-

вижной нагрузки. Предварительно напряженные балки жесткости применяют при пролетах до 400…500 м во многих странах, например, во Вьетнаме. При больших пролетах применение железобетона в балках жесткости становится нецелесообразным.

Наиболее часто железобетонную балку жесткости вантовых мостов возводят методом навесного бетонирования (рис. 9.4, б).

9.3. Монтаж висячих мостов

Интенсивное строительство висячих мостов началось с 1860 г. в США, где для кабелей начали применять высокопрочную проволоку, а известный инженер Д, Роблинг (John Roebling) изобрел метод прядения кабеля (Aerial-Spinningmethod).

Впоследние десятилетия в области строительства висячих мостов в мировом мостостроении достигнуты большие успехи. В частности, построен мост Акаши в Японии (Akashi-KaikyoBridge), который соединяет острова Хонсю и Сикоку. Главный пролет моста 1991 м, полная длина моста 3911 м. В Китае построен висячий мост через р. Янцзы с пролетом 1500 м, а также через пролив в г. Гонконге.

ВРоссии висячие мосты строят неоправданно мало. Уже существующие возводились либо из архитектурных соображений, либо под пешеходное движение (Крымский мост в г. Москве по проекту профессора К.К. Якобсона, пешеходный мост через р. Десну в г. Брянске по проекту Г.М. Яновского и др.).

Недостатком висячих мостов является их значительная гибкость и аэродинамическая неустойчивость. За время, которое прошло после катастрофы в 1940 г. Такомского моста, в США проводились значительные исследования моделей в аэродинамических трубах, по результатам которых были разработаны рациональные аэродинамически устойчивые геометрические формы поперечных сечений балок жесткости, повышена жесткостьконструкцийпролетныхстроенийнакручение(рис. 9.5).

Схемы висячих мостов по фасадам могут быть:

1) однопролетными с прямыми оттяжками, заделанными в анкерных опорах или в скале;

2) трехпролетными с крайними пролетами, подвешенными к кабелю;

3) многопролетными.

Висячие мосты из-запониженной жесткости строят преимущественно под автомобильную или только под пешеходную нагрузку. Если вантовые мосты могут иметь железобетонные балки жесткости, то висячие мосты строят только со стальными балками жесткости.

Рис. 9.4. Схемы возведения вантовых систем: а - метод продольной надвижки

Балки жесткости могут иметь поперечное сечение:

1)из двух главных балок, по которым устроена ортотропная плита для пролетов до 100 м;

2)из двух главных ферм с ортотропной верхней плитой с мощными продольными верхними и нижними связями, поперечными связями (рис. 9.5, а);

3)коробчатую балку жесткости хорошо обтекаемой формы

(рис. 9.5, б).

Пилоны висячих мостов по конструкции аналогичны пилонам вантовых и могут быть стальными или железобетонными. Кабели закрепляют в массивных анкерных массивных опорах, которые воспринимают сдвигающие и отрывающие вертикально направленные вверх силы.

Кабели монтируют «методом прядения» из параллельных оцинкованных проволок диаметром 5…7 мм, защищенных оцинковкой. Кабели висячих мостов малых пролетов до 100 м (мост через р. Десну в г. Брянске) сформированы из витых канатов заводского изготовления из оцинкованныхпроволок, которыеимеютменьшийобщиймодульдеформации.

В последние годы кабели монтируют из заготовленных на заводах пучков из параллельных проволок (Prefabricated Parallel Wire Strand method).

Кабели висячих мостов больших пролетов защищают от коррозии обмоткой оцинкованной проволокой с последующей окраской; в последнее время применяются полиэтиленовые рубашки.

Вскрытие кабеля Бруклинского моста в г. Нью-Йоркепоказало идеальное их состояние после более, чем столетней эксплуатации (незначительнаякоррозияобнаружена лишьвместахрасположенияподвесок).

Последовательность строительства

При строительстве внеклассных висячих мостов в подготовительный период проводят комплексные изыскания и исследования, разрабатывают проект моста. Конструкция висячего моста обладает значительной гибкостью и поэтому обязательным этапом стало проведение исследований моделей в аэродинамических трубах. Для уникальных мостов строят специальные трубы «пограничного слоя», в рабочей части которых воспроизводят особенности ландшафта и режима местных ветров. Главным результатом аэродинамических исследований является разработка геометрической формы балки жесткости (см. рис. 9.5).

Строительство висячего моста проводится по стадиям:

1)возведение анкерных (береговых) опор;

2)возведение фундаментов под пилоны и монтаж пилонов;

3)монтаж временных висячих подмостей для проведения монтажных работ по возведению несущего кабеля из параллельных проволок;

4)монтаж балки жесткости и подвесок.

Сложность монтажных работ заключается в необходимости перекрытия больших пролетов с расположением конструкций на

очень большой высоте, с пониженной жесткостью конструкций, необходимостью проведения искусственного регулирования в процессе монтажа (подтяжки подвесок).

Анкерные опоры воспринимают значительные сдвигающие и отрывающие усилия. Они имеют массивную конструкцию и должны быть надежно заделаны в грунт. В их конструкции в специальных доступных для осмотра камерах располагают специальные анкерные устройства для несущих кабелей моста. В этих камерах для уникальных мостов предусмотрены помещения, где расположены приборы для проведения мониторинга состояния конструкций в процессе эксплуатации и фиксации амплитуд колебаний сооружения.

В зависимости от геологического строения фундаменты анкер-

ных опор могут быть свайными на забивных сваях, на буровых сваях, на опускных колодцах или в виде замкнутой стены в грунте.

Глубина заложения подошвы фундаментов доходит при неблагоприятных геологических условиях до 60 м. При значительном обводнении грунтов применяется глубинное замораживание.

Фундаменты под пилоны могут иметь конструкцию аналогичную анкерным опорам. При большой глубине за рубежом используют опускные колодцы, подаваемые к месту опускания на плаву. Они могут иметь круглое или прямоугольное сечение, снизу имеются ножи. Тело кессона имеет двойные стенки, которые объединены сквозными связями. Кессоны изготавливают вблизи от строительной площадки, транспортируют на место опускания, закрепляют с помощью якорей. Далее проводится опускание колодца и подводное бетонирование внутренней полости. После укладки подводного бетона (underwater concrete) бетонируется верхняя плита. Так, кессон моста Akashi в Японии имеет диаметр 80 м и заложен на глубину 60 м. При бетонировании используют специальные бетонные заводы, расположенные на баржах. При бетонировании подводным способом применяют бетонолитные трубы, которыми подают бетон в отдельные отсеки между двойными стенками. Внутреннее ядро бетонируют на полное сечение с подачей смеси одновременно через большое количество бетонолитных труб. Используют цемент с низкой экзотермией. Бетонирование проводится непрерывно со скоростью 5 см/ч. Для верхней покрывающей плиты в сложных условиях (мосты через морские проливы) используют фибробетон и полимерные добавки

для исключения карбонизации. Верхняя поверхность плиты покрывается также полимерным материалом против карбонизации.

Монтаж пилонов. Основными трудностями монтажа являются:

•обеспечение точности изготовления и монтажа;

•колебания конструкции под действием ветра;

•необходимость обеспечения безопасности и скорости монтажа.

Впроцессе сборки необходимо обеспечивать точность по длине элементов ±1 мм, перпендикулярность 1/10000. Подавление колебаний осуществляют с помощь специальных гасителей, проводя предварительные испытания в аэродинамической трубе.

Для висячих мостов малых пролетов сборку пилонов можно провести в горизонтальном положении, а затем поднять конструкцию в проектное положение поворотом.

Монтаж кабелей. Существуют два метода монтажа кабелей из параллельных проволок висячих мостов больших пролетов:

•метод «прядения» кабеля из отдельных проволок (AerialSpinning method);

•метод монтажа из предварительно заготовленных канатов из па-

раллельных проволок (Prefabricated Parallel Wire Strand method).

Прядение кабелей имеет 150-летнююисторию и заключается в протяжке проволок с помощью специального прядильного колеса. Для прядения вначале устраивают рабочие подмости на вспомогательных канатах, подвешиваемых на пилонах. Эти подмости располагают по очертанию несущих кабелей, но несколько ниже их. Затем вдоль оси каждого кабеля подвешивают бесконечный канат для перемещения прядильных колес (рис. 9.6).

На анкерных опорах располагают бухты с проволокой. Между анкерными башмаками кабеля на устоях протягивают направляющую проволоку, регулируют ее длину и положение в пролетах. По ней уже без регулировки укладываются все последующие проволоки. Затем работы проводят по стадиям:

1.Конец проволоки с барабана обводят вокруг прядильного колеса и закрепляют конец на устое (эта операция одновременно проводится на обоих берегах).

2.Бесконечный канат тянет навстречу друг другу по две или более проволоки.

3.Когда прядильные колеса доходят до устоев, канат останавливают, проволоку снимают с колес и надевают на анкерный башмак.

4.Циклы прядения продолжают до момента, когда будет уложено расчетное количество проволок для образования пряди. Все смонтированные проволоки подтягивают и выравнивают с направляющей проволокой.

5.Все пряди объединяют в один кабель с помощью специального кольцевого пресса.

Метод монтажа из заранее приготовленных прядей более эффективен. При этом используется проволока оцинкованная с пределом прочности 1800 Н/мм2.

Монтаж балок жесткости осуществляют по схеме, зависящей от конструкции моста, пролета, режима реки и других факторов. В первую очередь монтируют подвески. Для пролетов до 100 м и небольшой глубине воды балку жесткости собирают на сплошных подмостях или временных опорах. При больших пролетах применяют навесную сборку.

При навесной сборке порядок монтажа балки жесткости выбирают таким, при котором деформации несущих кабелей по мере возрастания нагрузки в течение всей сборки будут иметь наименьшую величину. С этой целью сборку ведут от середины к концам пролета или с концов к середине.

Для больших пролетов балку жесткости целесообразно монтировать крупными блоками с подачей их на плаву. В мировой практике мостостроения стала популярной схема навесного монтажа, впервые примененная для Севернского висячего моста в Великобритании. Балка жесткости хорошо обтекаемой формы (рис. 9.5, б) сварной ортотропной конструкции разделяется на отдельные блоки длиной около 20 м.

На первой стадии на сборочной площадке на берегу из плоских элементовосуществляютукрупнительнуюсбокублоковбалкижесткости.

На второй стадии блоки балки жесткости герметизируют специальными заглушками в диафрагмах и подают к месту монтажа с помощью буксиров.

На третьей стадии методом навесной сборки специальными подъемниками блоки устанавливают в проектное положение.

Этот метод был использован при строительстве висячего моста через р. Иртыш в Казахстане с главным пролетом 750 м. Работы по строительству были выполнены японской фирмой в1998-2000гг.