Проектирование и монтаж пешеходного висячего моста пролетом 137,7 м

Введение и инженерно-геологические особенности строительства. Строительство мостовых сооружений в условиях пересеченной местности и сложных рельефных условий представляет собой комплексную научно-техническую задачу. При перекрытии глубоких ущелий, где устройство промежуточных опор экономически нецелесообразно или технически невозможно, приоритетным выбором становится висячая схема пролетного строения.

В данном исследовании рассматривается опыт проектирования, аэродинамического расчета и технологии монтажа уникального пешеходного висячего моста расчетным пролетом L = 137,7 м, возведенного над ущельем глубиной 120 м. Уникальность объекта заключается в гармоничном сочетании высоких эстетических требований, предопределенных естественным ландшафтом местности, с жесткими техническими ограничениями по прочности, деформативности и аэродинамической устойчивости.

Благодаря естественной красоте окружающего ландшафта эстетика сооружения явилась важнейшей частью проектирования данного пешеходного моста пролетом 137,7 м (рис. 1).

Рис. 1. Общий вид пешеходного висячего моста пролетом 137,7 м над ущельем глубиной 120 м

В свою очередь, сложные топографические и инженерно-геологические условия монтажа предопределили выбор пространственной висячей системы, перекрывающей ущелье глубиной 120 м одним бесопорным пролетом.

Нагрузки, расчетные параметры и аэродинамическая устойчивость. При разработке пространственной математической модели конструкции были учтены постоянные и временные нагрузки в соответствии с нормативными требованиями к пешеходным и комбинированным мостовым переходам.

Расчетные нагрузки на несущие элементы. Мост был запроектирован на совместное воздействие следующих расчетных нагрузок:

1. Вертикальная равномерно распределенная нагрузка от пешеходов — q_p = 7,5 кН/м (765 кгс/м).

2. Вертикальная нагрузка от инженерных коммуникаций (водовода) — q_w = 0,5 кН/м (51 кгс/м).

3. Расчетная горизонтальная ветровая нагрузка:
- для ненагруженного состояния сооружения — w_1 = 4,0 кН/м (408 кгс/м);
- для эксплуатационного (нагруженного) состояния — w_2 = 2,25 кН/м (229 кгс/м).

При проектировании применялись специализированные программные комплексы конечного элемента (МКЭ) для пространственного статического и динамического расчета висячих систем с учетом физической и геометрической нелинейности.

Деформативные характеристики и перемещения. По результатам пространственного расчета были зафиксированы следующие граничные значения перемещений и деформаций элементов мостового перехода:

- Максимальный вертикальный прогиб в одной четверти пролета: f_1/4 = 600 мм (1/230 от длины пролета).
- Максимальное горизонтальное отклонение вершин пилонов: Δx_p = 250 мм.
- Горизонтальный прогиб балки жесткости в середине пролета решетчатого пролетного строения: f_y = 800 мм.
- Продольное перемещение пролетного строения: Δz = 150 мм.
- Общее пространственное перемещение: Δ_tot = 300 мм.

Динамика и аэродинамический расчет на флаттер. Особое внимание в процессе расчетов уделялось динамической устойчивости пространственно-гибкой системы при ветровом воздействии. Для избежания явлений ветрового резонанса и аэродинамической неустойчивости (галопирование, изгибно-крутильный флаттер) производилось определение собственных частот колебаний:

- Основная частота вертикальных колебаний: f_v = 1,0 Гц.
- Основная частота крутильных колебаний: f_t = 2,0 Гц.

Отношение частот f_t / f_v = 2,0 обеспечивает надежную развязку изгибных и крутильных форм колебаний. Проведенный аэродинамический расчет показал, что критическая скорость флаттера составляет V_cr = 195 км/ч (54,2 м/с). Это значение существенно превышает максимальную зафиксированную скорость ветра на строительной площадке, составляющую V_max = 160 км/ч (44,4 м/с), что гарантирует абсолютную аэродинамическую безопасность сооружения.

Конструктивные решения несущих и опорных элементов. Балка жесткости и пешеходный настил. Балка жесткости представляет собой пространственную сварную ферму с треугольным поперечным сечением, выполненную из фасонного стального проката (стальные уголки). Все монтажные соединения элементов фермы выполнены на высокопрочных болтах. Треугольное сечение в сочетании с решетчатой структурой обеспечивает высокую пространственную и крутильную жесткость при воздействии интенсивных аэродинамических и внецентренных пешеходных нагрузок.

Деревянный настил для пешеходного прохода размещен непосредственно на верхних поясах балки жесткости. В уровне пешеходной дорожки балка жесткости прикреплена наклонными подвесками к несущим канатам (рис. 2). Применение наклонных подвесок вместо классических вертикальных увеличивает общую пространственную жесткость пролетного строения и гасит поперечные колебания.

Рис. 2. Конструкция пространственной балки жесткости и схема прикрепления наклонных подвесок

Геометрия несущих канатов и пилонов. Пространственная схема несущих канатов характеризуется следующими геометрическими параметрами:

- Вертикальная стрела провеса несущих канатов: f_v = 14,0 м (отношение f/L ≈ 1/9,8).
- Горизонтальное отклонение (пространственный развал) канатов: f_h = 11,0 м (рис. 3).

Рис. 3. Пространственная схема провеса и горизонтального отклонения несущих канатов

Пилоны сооружения выполнены в виде У-образных стальных рам, закрепощенных в мощных железобетонных фундаментных блоках. Для обеспечения восприятия выдергивающих и сдвигающих усилий фундамента заанкерены непосредственно в скальное основание ущелья с помощью глубоких буроинъекционных анкеров.

Массовые характеристики основных конструктивных элементов:
- Масса фермы балки жесткости: M_b = 46 т.
- Масса стальных пилонов: M_p = 26 т.
- Диаметр закрытых несущих канатов: d = 60 мм.
- Суммарная масса несущих канатов: M_c = 8 т.
- Предельная несущая способность (разрывное усилие) канатов: P_ult = 365 тс (3,58 МН).

Наклонные стойки У-образных пилонов прикреплены к фундаментным плитам при помощи четырех высокопрочных стержневых анкеров на каждую стойку и объединяются в верхней части пространственной поперечной связью (ригелем).

Технология и этапы монтажа в сложных горных условиях. Монтаж висячего моста над глубоким ущельем требовал разработки специального проекта производства работ (ППР), полностью исключающего необходимость устройства подмостей или тяжелого кранового оборудования на дне каньона.

1. Установка пилонов и прокладка канатов. Монтажные элементы стальных пилонов массой до 3,5 т устанавливали при помощи самоходных кранов и специально смонтированной временной подвесной канатной дороги.

Несущие закрытые канаты диаметром 60 мм были присоединены к вспомогательным монтажным канатам, с помощью которых и мощных электрических лебедок они последовательно перемещались (протягивались) с одной стороны ущелья на другую.

Для обеспечения точной проектной геометрии на несущие канаты заблаговременно наносили высокоточные геодезические метки для прикрепления подвесок. Когда соответствующая метка при протягивании каната через верховую часть пилона совпадала с расчетным положением, к канату в этом месте присоединяли вертикальные и наклонные подвески. Затем несущий канат протягивали до следующей метки, и далее операция последовательно повторялась.

2. Регулировка геометрии и анкеровка. В середине пролета, в промежутке между двумя самыми короткими центральными подвесками, расстояние между несущими канатами ограничивалось временной канатной петлей, имеющей максимальный просвет 4,4 м.

При достижении несущими канатами второго опорного пилона производилась их окончательная анкеровка в концевых анкерных массивах. После установки несущих канатов и подвесок перед началом монтажа секций балки жесткости выполняли строгий инструментальный контроль точности установки пилонов с последующей регулировкой натяжения (рис. 4).

Рис. 4. Схема регулировки и контроля геометрического положения пилонов и несущих канатов

3. Сборка балки жесткости. Ферму балки жесткости собирали одновременно с обеих сторон ущелья навстречу друг другу из готовых укрупненных секций длиной l_s = 5,1 м. Секции доставляли к месту монтажа и опускали на проектную высоту с помощью временной подвесной канатной дороги (рис. 5).

Рис. 5. Подача секций балки жесткости длиной 5,1 м с помощью временной подвесной канатной дороги

Технологическая последовательность соединения секций балки жесткости:
1. Каждую секцию сначала нежестко прикрепляли болтами к верхнему поясу смежной ранее установленной секции и к соответствующим подвескам.
2. Затем аналогичным образом нежестко присоединяли элементы нижнего пояса фермы.

Такой первоначальный нежесткий (шарнирный) способ соединения секций обусловливался технологической необходимостью: требовалось обеспечить свободное изменение продольного профиля монтируемой фермы по мере присоединения последующих секций и перераспределения монтажных нагрузок.

После установки центральной замыкающей секции и ее полного геометрического замыкания пролетное строение приняло проектный продольный профиль. Это позволило выполнить окончательную нормированную затяжку всех высокопрочных болтовых соединений секций до требуемого проектного натяжения (рис. 6).

Рис. 6. Окончательное замыкание пролетного строения и контрольная затяжка высокопрочных болтов

Выводы и технико-экономическое значение. Реализованный проект пешеходного висячего моста пролетом 137,7 м продемонстрировал высокую эффективность применения пространственных висячих систем при перекрытии глубоких ущелий (120 м) в сложных топографических условиях.

Применение пространственного развала несущих канатов (11,0 м), наклонных подвесок и треугольной сварной фермы балки жесткости позволило добиться высоких динамических характеристик:

- Критическая скорость флаттера (195 км/ч) значительно превышает максимально возможные ветровые нагрузки местности (160 км/ч).

- Развязка частот изгибных (1,0 Гц) и крутильных (2,0 Гц) колебаний исключает опасность аэродинамической неустойчивости.

- Использование временной подвесной канатной дороги и последовательной сборки из секций по 5,1 м обеспечило безопасный и высокоточный монтаж без применения тяжелого наземного оборудования.

Данное сооружение является примечательным примером синтеза современной мостостроительной инженерии, аэродинамической надежности и гармоничной интеграции в естественный природный ландшафт.

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.