Эволюция арочных конструкций в мостостроении: от традиции к инновациям

В былые времена, когда проектировщики и строители, будучи инженерами, в основном были известны как архитекторы, арка являлась фундаментальной формой, гармонично объединяющей инженерную науку и архитектурное искусство. Этимологически сам термин «архитектура», вероятно, берет свое начало из концепции арки как симметричного сводчатого перекрытия. В современную эпоху строительная наука, строительная механика и инженерное искусство достигли высокого уровня технологического развития. Это открывает практически неограниченные возможности для совершенствования и практического применения арочных систем, что обусловлено появлением высокопрочных конструкционных материалов и внедрением мощных вычислительных средств автоматизированного проектирования.

Исторически классическая распорная арка передает на опоры не только вертикальные нагрузки, но и существенный горизонтальный распор. Для восприятия этих мощных усилий требовалось возведение массивных быков и устоев. На Рис. 1 приведен классический пример арочной конструкции, в которой распор полностью воспринимается массивными устоями и тяжелыми промежуточными опорами.

Рис. 1. Железнодорожный арочный мост на линии Ченг-Ю (Cheng-Yu), Китай (1938 г.)

Данный мост был спроектирован автором и построен в 1938 году на стратегической железной дороге Ченг-Ю (Cheng-Yu) в Китае. В тот период на выбор конструктивного решения определяющее влияние оказывал острый дефицит материалов, способных эффективно работать на растяжение (в частности, высокопрочной стали). Вследствие этого инженеры были вынуждены полностью отказаться от применения затяжки, передавая весь распор непосредственно на массивные грунтовые основания и устои моста.

Вариации размещения затяжки в арочных мостах. Современная строительная механика предлагает эффективный способ нейтрализации горизонтального распора — применение затяжки, воспринимающей растягивающие усилия. Размещение затяжки в различных уровнях пролетного строения позволяет не только варьировать статистическую работу структуры, но и достигать высокой архитектурной выразительности. В зависимости от высотных отметок проезжей части выделяют безраспорные арочные мосты с затяжкой, расположенной понизу, посередине или поверху.

Среднее расположение затяжки: оптимизация изгибающих моментов. На Рис. 2 продемонстрированы две смежные арки трехпролетного неразрезного стального арочного моста, сопрягающиеся над промежуточной опорой.

Рис. 2. Трехпролетный неразрезной стальной арочный мост со средним расположением затяжки

Длина центрального пролета данного сооружения составляет L = 180 м. Ездовое полотно — затяжка, расположенная посередине высоты арки, — помимо воспринимаемого распора принимает на себя основную часть изгибающих моментов от временной подвижной нагрузки. Это позволило существенным образом уменьшить высоту поперечного сечения самой арки. В пролетном строении полностью отсутствуют традиционные продольные связи, что делает пространственную форму конструкции зрительно легкой и эстетически выразительной.

Ввиду отсутствия деформационных швов по всей длине проезжей части, вся сейсмическая нагрузка передается через непрерывную затяжку на массивные нижние опоры. С точки зрения расчетной схемы данная система с сотнями степеней свободы является многократно статически неопределимой. Однако благодаря применению современных мощных ЭВМ и метода конечных элементов (МКЭ) расчет столь сложных пространственных систем более не представляет вычислительной сложности. Все неразрезное пролетное строение, состоящее из трех центральных и двух коротких концевых пролетов, было смонтировано из трех укрупненных блоков длиной от 150 до 230 м, доставленных к месту строительства на баржах.

Верхнее расположение затяжки и напрягаемый железобетон. Другой характерный пример представляет Высокий мост (High Bridge) через реку Миссисипи между городами Миннеаполис и Сент-Пол (штат Миннесота, США), показанный на Рис. 3. В этой стальной арке с ездой поверху затяжкой служит сама конструкция проезжей части.

Рис. 3. Стальная арка с ездой поверху Высокого моста (High Bridge) через р. Миссисипи

По обе стороны от главного арочного пролета длиной L₁ = 150 м расположены два консольных арочных полупролета, сопрягающихся с подходными балочными строениями из предварительно напряженного железобетона. Затяжка выполнена с применением высокопрочных стальных пучков, натягиваемых на бетон. Эти же пучки активно использовались в качестве временно-монтажных элементов при навесной сборке арок. Визуально данное пролетное строение гармонично воспринимается как двухконсольная конструкция.

Дальнейшим развитием этой расчетной схемы стал арочный мост Би-Тан (Bi-Tan) на Тайване (Рис. 4). Конструктивная особенность данного сооружения заключается в полном отсутствии вертикальных стоек в составе надарочного строения, что позволило сформировать предельно чистый и выразительный силуэт арок.

Рис. 4. Арочный мост Би-Тан (Bi-Tan) на Тайване без надарочных стоек

Исключить стойки удалось за счет применения продольного предварительного напряжения железобетонной балки, перекрывающей пролет между смежными арками. Вычислительный расчет такой пространственной структуры реализован с помощью специализированных ПК. Пролетное строение состоит из двух раздельных параллельных эстакад под четыре полосы движения каждая. Возведение осуществлялось на сплошных подмостях, за исключением центрального участка главного пролета, собиравшегося методом навесного бетонирования.

Таблица. Сравнительный анализ компоновочных схем размещения затяжки

Трансформация геометрии: поворот плоскости арки в пространстве. Смелым шагом в современной инженерной практике является пространственная трансформационная концепция — поворот плоскости арки из вертикального положения в горизонтальное, что превращает конструкцию в пространственную горизонтальную дугу. Этот уникальный прием был успешно реализован при проектировании моста Рак-А-Чаки (Ruk-A-Chucky), расположенного над глубоким крутосклонным ущельем (Рис. 5).

Рис. 5. Пространственная криволинейная концепция моста Рак-А-Чаки (Ruk-A-Chucky)

Сооружение перекрывает узкое ущелье горизонтальной дугой радиусом R и длиной L = 400 м. Градостроительный эффект данного инженерного решения заключается в полной ликвидации необходимости прокладки дорогостоящих и экологически вредных криволинейных подходных тоннелей в скальных массивах.

Система пространственного заанкеривания вантов в прилегающих скальных склонах рассчитана с высокой точностью. Точки закрепления анкеров выбраны таким образом, чтобы равнодействующая сил от натяжения вантов была направлена строго по касательной к оси криволинейной балки. В результате в поперечных сечениях пролетного строения возникают преимущественно осевые усилия сжатия, а изгибающие моменты и крутящие моменты сводятся к минимуму. Теоретическое распределение усилий описывается условием равновесия:

∑ Fx = 0, ∑ Fy = 0, ∑ Mk ≈ 0

Хотя пространственное положение каждого ванта определялось исключительно строго по расчетно-конструктивным критериям при минимальном первоначальном акценте на чистое декорирование, формируемая системой тросов гиперболически-параболическая поверхность создаёт непревзойденный эстетический эффект.

Заключение. Проведенный анализ подтверждает, что арка представляет собой фундаментальную и уникальную конструктивную форму, обеспечивающую предельно рациональное распределение внутренних усилий при высочайшем уровне эстетической выразительности. Использование инновационных материалов, таких как высокопрочный предварительно напряженный железобетон и легированные стали, в сочетании с вычислительными комплексами пространственного расчета (CAD/CAE систем), открывает перед мостостроителями широкие перспективы.

Даже такое базовое варьирование, как размещение затяжек на разных высотных уровнях или трансформация арки в пространственные дугообразные и вантовые системы, позволяет создавать инженерные объекты, о которых ранее нельзя было и помышлять. Современный этап развития мостостроения характеризуется синтезом архитектуры и инженерии, где ключевая интеграционная роль принадлежит научному расчету и творческому поиску оптимальных формообразующих решений.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Эдвард Денисон, Йан Стюарт и др.

Источник: Как читать мосты

Данные публикации будут полезны студентам строительных и инженерных специальностей, начинающим специалистам в области гражданского проектирования и мостостроения, а также всем, кто интересуется историей архитектуры и развитием транспортной инфраструктуры.