Предварительно напряженный железобетон и пределы мостостроения

Современное мостостроение представляет собой синергию архитектурного искусства, строительной механики и материаловедения. На протяжении веков ключевыми конструкционными материалами оставались камень и древесина, однако промышленная революция кардинально изменила технологический ландшафт. Внедрение бетона и стали позволило инженерам преодолеть исторические ограничения по пролетам и несущей способности. Главное преимущество этих материалов заключается в возможности их эффективного комбинирования. Сам по себе бетон обладает высокой прочностью на сжатие, но демонстрирует низкую сопротивляемость растягивающим нагрузкам. Сталь, напротив, идеально работает на растяжение.

При проектировании традиционных железобетонных конструкций стальные стержни (арматуру) размещают в зонах, подверженных растяжению. Однако под воздействием эксплуатационных нагрузок бетон, непосредственно соприкасающийся со сталью, неизбежно растягивается и покрывается микротрещинами. Это не только снижает жесткость элемента, но и открывает доступ влаге, провоцируя коррозию арматуры. Революционный прорыв в решении данной проблемы совершил французский инженер Эжен Фрейссине (1879–1962). Он разработал и внедрил концепцию, в которой используется предварительно растянутая арматура. Данная технология получила название «предварительное напряжение». Ее суть заключается в том, что бетон, связанный предварительно натянутыми стальными канатами или стержнями, постоянно находится в состоянии начального сжатия. При приложении внешней изгибающей нагрузки сжимающие напряжения нейтрализуют возникающие растягивающие усилия, благодаря чему массив не подвергается растрескиванию. В результате возник предварительно напряженный железобетон, применение которого позволило возводить мостовые сооружения, отличающиеся повышенной прочностью, сниженной материалоемкостью, меньшей собственной массой и высокой архитектурной выразительностью.

Выдающиеся мировые мосты из предварительно напряженного железобетона. Практическое применение технологии предварительного напряжения продемонстрировало превосходство нового материала перед классическими конструктивными схемательными решениями. Инженерная мысль XX века воплотилась в ряде масштабных объектов, ставших эталонами мировой инфраструктуры.

Рис. 1. Бетонный арочный мост Глейдсвилл через р. Парраматта (Австралия)

Одним из ярких примеров инженерного прогресса является бетонный арочный мост Глейдсвилл через реку Парраматта в Австралии (Рис. 1). На момент завершения строительства в 1964 году он стал самым длинным железобетонным арочным мостом в мире. Конструкция обеспечивает непрерывное движение автотранспорта по 8 полосам, демонстрируя колоссальную несущую способность арки, сформированной из преднапряженных бетонных блоков.

Другой важной вехой стало создание консольных систем из преднапряженного массива. Мост Медуэй на юго-востоке Англии, введенный в эксплуатацию в 1963 году, долгое время удерживал статус самого длинного консольного моста из предварительно напряженного железобетона. Его центральный основной пролет длиной 150 м поддерживается двумя 60-метровыми консолями, между которыми жестко зафиксирована подвесная балка длиной 30 м. Использование преднапряжения позволило существенно уменьшить поперечное сечение консолей без потери общей жесткости сооружения.

Рис. 2. Строительство эстакадной развязки Гревелли-Хилл вблизи Бирмингема

Развитие автомобильных сетей потребовало создания сложных многоуровневых транспортных узлов. Развязка автодорог Гревелли-Хилл вблизи Бирмингема (Рис. 2), известная в неофициальной терминологии как «связка спагетти», представляет собой монументальный комплекс из коробчатых ферм и простых балок. На эти элементы опираются разнообразные съезды и виражи автомагистрали. Многочисленные пролеты развязки передают нагрузку на массивные бетонные колонны. Аналогичные сложные наклонные эстакады ведут к транспортному пересечению в Коупли-Хилл (Бирмингем), где скоростная дорога Астон проходит по эстакаде, представляющей собой балочный мост из железобетона.

Механика коробчатых ферм и статические напряжения при монтаже. В современном мостостроении при перекрытии средних и больших пролетов все шире применяются легкие, но жесткие на кручение коробчатые фермы и балки замкнутого сечения. Монтаж мостов такого типа часто осуществляется методом уравновешенного навесного монтажа, когда возведение начинают от опор с формированием встречных длинных консолей (Рис. 3).

Рис. 3. Схема распределения статических напряжений при монтаже коробчатых ферм [1] и [2]

В ходе поэтапного строительства на незаконченную конструкцию действуют временные монтажные напряжения [2], кардинально отличающиеся от расчетных усилий в готовом сооружении. В законченной конструкции после замыкания центрального шарнира и натяжения объединяющей арматуры монтажные усилия снимаются или перераспределяются. По этой причине для инженеров-проектировщиков критически важно точным образом учесть стадионность возведения. Проектную расчетную прочность мостовое сооружение приобретает только в полностью собранном и замоноличенном виде.

Теоретические пределы пролетов и предельные нагрузки мостовых конструкций. Расчет предельных габаритов мостовых пролетов базируется на анализе двух ключевых категорий силовых воздействий. Все мосты несут двойную нагрузку:

1. «Живая» нагрузка — временная нагрузка, обусловленная массой проезжающего автомобильного или железнодорожного транспорта, а также ветровыми и сейсмическими воздействиями.

2. «Мертвая» нагрузка — постоянная нагрузка, представляющая собой собственный вес конструктивных элементов моста.

С увеличением длины пролета моста экспоненциально возрастает его мертвая нагрузка. Наступает критический предел, когда материал конструкции расходует всю свою прочность исключительно на удержание собственного веса, не оставляя резерва для восприятия «живой» нагрузки. Таким образом, теоретический предел длины пролета напрямую зависит от удельной прочности применяемых материалов (отношения временного сопротивления к плотности).

Сравнительный анализ предельных пролетов по типам мостовых конструкций. Ниже представлена сравнительная характеристика предельных параметров для различных конструктивных систем:

Таблица 1. Сравнительный анализ фактических и предельных пролетов мостов различных систем.

Рис. 4. Стальной арочный мост Харбор в Сиднее

Самым длинным стальным арочным сооружением является мост Харбор в Сиднее (Рис. 4). По его пролетному строению пролегают 4 стальные железнодорожные колеи и 6-полосная автомагистраль. Длина арочного пролета составляет 503 м, а подмостовой габарит (высота над водой) равен 52 м. Мост был открыт в 1932 году. Теоретически предельная длина пролета для стальных арок составляет около 1000 м. С технической точки зрения увеличение длины возможно, однако с точки зрения экономики большепролетные стальные арки не всегда себя оправдывают из-за высокой материалоемкости.

В категории консольных систем рекорд удерживает стальной консольный мост Квебек в Канаде с длиной главного пролета 540 м. По меркам 1918 года, когда было завершено его возведение, это значение являлось выдающимся достижением. Однако теоретический предел для консольных ферм ограничен значением порядка 750 м из-за нарастания деформаций изгиба.

Потенциал и перспективы висячих и вантовых мостовых систем. Наибольшим потенциалом перекрытия ультраболших пролетов обладает современный висячий мост. В висячих системах несущие элементы (кабели и ванты) работают исключительно на чистое растяжение, что позволяет максимально эффективно использовать высокопрочную стальную проволоку.

Рис. 5. Висячий мост через Босфор в Стамбуле

Знаковым этапом развития висячих систем стал мост Веррацано-Нэрроуз в устье нью-йоркской гавани с пролетом 1298 м. Сооруженный в 1973 году висячий мост через Босфор в Стамбуле (Рис. 5) имеет длину главного пролета 1074 м. За счет применения облегченных пространственных балок жесткости он стал гораздо легчайшим и экономичным по сравнению с ранними аналогами. Проектируемый в Великобритании мост через р. Хамбер в Гулле с пролетом 1410 м устанавливает новый мировой ориентир.

Как показывает практика, висячие мосты уже побили все исторические рекорды длины, однако их конструктивные возможности далеко не исчерпаны. Расчеты ведущих инженеров-проектировщиков подтверждают, что использование перспективных высокопрочных композитов и легированных сталей позволит сооружать подвесные мосты с длиной центрального пролета до 3000 м, что станет новым рубежом в мировой строительной науке.

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.