Проектирование неразрезных и консольных стальных балочных мостов: технические решения, эволюция пролетов и градостроительная эстетика

Развитие современного транспортного строительства тесно связано с постоянным совершенствованием несущих конструктивных систем. Автомобильные металлические мосты с пролетами более 60 м, как правило, проектируют неразрезными или консольными. Широкое применение неразрезных пролетных строений в практике мировой инженерной школы обусловлено их высоким техническим преимуществом, технологической простотой изготовления и сборки, а также экономичностью расхода конструкционных материалов.

Не менее важную роль при выборе стальных неразрезных балок играют соображения эстетического порядка. Строгость и лаконизм геометрических форм балочных мостов, их спокойный и пологий силуэт, не возвышающийся над водной гладью, позволяют гармонично вписывать масштабные инженерные сооружения в исторический или современный ландшафт города, не нарушая сложившейся архитектурной панорамы.

Рис. 6.15. Вписывание балочного металлического моста в архитектурную панораму города

1. Конструктивные особенности и теоретические основы неразрезных пролетных строений. С точки зрения строительной механики неразрезная балка представляет собой статически неопределимую систему, перекрывающую несколько пролетов и опирающуюся на ряд промежуточных опор. В отличие от разрезных балочных систем, работающих автономно в каждом пролете, неразрезная конструкция перераспределяет внутренние усилия по всей своей длине.

Таблица. Сравнительный анализ статическо-конструктивных систем

Основной теоретический экономический эффект неразрезных систем заключается в существенном уменьшении пролетных изгибающих моментов за счет возникновения отрицательных опорных изгибающих моментов над промежуточными опорами. Это позволяет сократить высоту сечения балки в средней части пролета, уменьшить собственную массу пролетного строения и оптимизировать расходование высокопрочной стали.

Однако статическая неопределимость накладывает жесткие требования к инженерно-геологическим условиям: неравномерная осадка промежуточных опор может вызывать значительные дополнительные усилия в элементах балки. Для восприятия этих напряжений в современном мостостроении применяются гибкие методы регулирования опорных реакций и используются ортотропные плиты проезжей части.

2. Исторический прорыв: Дейцерский мост в Кёльне и новая эра мостовой архитектуры. Знаковой вехой в истории мировой мостостроительной техники стал Дейцерский мост через реку Рейн в Кёльне, сооруженный в 1947–1948 гг. по проекту выдающегося инженера Фрица Леонхардта и архитектора Герда Ломера. Сооружение было возведено взамен разрушенного в годы войны цепного моста. Главный пролет нового моста достиг 184 м, что на момент постройки казалось пределом инженерных возможностей для систем балочного типа.

Рис. 6.16. Дейцерский мост через Рейн в Кёльне (главный пролет 184 м)

При выборе балочной пространственной конструкции ключевую роль сыграли архитектурно-градостроительные соображения. Авторы проекта справедливо полагали, что пологое очертание моста создает идеальные условия для визуального восприятия исторической панорамы Кёльна и величественного Кёльнского собора.

Дейцерский мост открыл новый этап в мостостроении, отмеченный синтезом инженерного расчета и градостроительной эстетики:
- Слегка изогнутая, визуально легкая «лента» стальной балки контрастно подчеркивается массивными речными опорами, облицованными рустованным камнем.
- Лаконизм форм и пропорции конструкции подчеркивают гибкость стального металла.
- Минимальная высота балки в пролете обеспечивает необходимый габарит для речного судоходства без возведения громоздких надводных пилонов или ферм.

3. Эволюция большепролетных стальных мостов: рекордные пролеты и технологические инновации. Вслед за Дейцерским мостом последовала серия инженерных экспериментов, направленных на перекрывание еще более крупных пролетов без применения висячих или вантовых систем.

Мост Дюссельдорф — Нойсс. Еще более смелые размеры стальных элементов были реализованы при строительстве неразрезного моста через Рейн на автодороге Дюссельдорф — Нойсс. Стальное пролетное строение скомпоновано по трехпролетной схеме 103 + 206 + 103 м.

Рис. 6.17,б. Мост Дюссельдорф — Нойсс: схематический фасад и поперечное сечение

Основные конструктивные и геометрические параметры моста Дюссельдорф — Нойсс:
1. Сечение несущих элементов: балка коробчатого сечения с четырьмя продольными вертикальными стенками, обеспечивающими высокую жесткость при кручении.

2. Переменная высота сечения: высота балки изменяется от 7,8 м над промежуточными опорами (1/33 от длины главного пролета) до 3,3 м в середине пролета (1/66 от длины главного пролета).

3. Геометрия поясов: в отличие от криволинейного силуэта Дейцерского моста, проезжая часть моста Дюссельдорф — Нойсс почти горизонтальна, а нижний пояс балок в центральной зоне очерчен по прямым линиям, что придает мосту подчеркнуто строгий, графичный внешний вид.

Рекордный мост через Саву в Белграде. Внедрение высокопрочных легированных сталей и настила из ортотропных плит (стальной плиты проезжей части, усиленной продольными и поперечными ребрами жесткости) позволило мостостроителям преодолеть рубеж пролетов в 200 м.

Наибольшая длина пролета для балочных мостов со сплошной стенкой была достигнута в 1956 году при сооружении трехпролетного моста через реку Саву в Белграде (архитектор Милош Сарлоч, инженер Мирослав Радодойчич). Длина его главного пролета составила 261 м, что по сей день остается мировым рекордом для неразрезных балок со сплошной стенкой.

Однако реализация такого сверхдлинного пролета потребовала компенсации колоссальных изгибающих моментов над опорами:
- Высота балок над промежуточными опорами была увеличена до экстремальных значений, превышающих высоту самих набережных опор.

- Из-за гипертрофированных опорных вутов мост визуально воспринимается несколько приземистым и тяжеловесным.

- Данный пример продемонстрировал конструктивный предел систем со сплошной стенкой, за которым эстетический эффект вступает в противоречие с предельной материалоемкостью.

4. Синтез балочной и рамной систем: комбинированный мост в Белграде. Оригинальное инженерное решение, позволившее преодолеть визуальную тяжеловесность предельных балочных пролетов, было найдено при строительстве другого моста через Саву в Белграде, соединившего историческую часть города с новыми жилыми районами.

Конструктивная схема и механика работы. Конструкция представляет собой неразрезную стальную балку, опирающуюся на наклонные стальные подкосы. Шарнирные опоры подкосов передают сжимающие усилия на вынесенные вперед железобетонные пяты береговых устоев. Крайние концы балки опираются на вертикальные анкерные стойки, способные воспринимать переменные по знаку усилия — как сжатие, так и растяжение.

Таким образом, сооружение сочетает в себе статическо-динамические свойства балочной и рамной систем.

Преимущества применения наклонных подкосов
- Сокращение расчетного пролета: применение наклонных опор сократило расчетный средний пролет балки на 44 м (до 249,9 м).
- Оптимизация пропорций: высота балки в середине пролета составила 4,0 м (1/60 от длины полного пролета), а над опорами — 1/38 от длины пролета.
- Экономичность: снижение материалоемкости стенки и поясов за счет снижения пиковых опорных моментов.
- Динамический силуэт: наклонные подкосы создают выразительный архитектурный образ «динамического прыжка» над водной преградой, сохраняя визуальную легкость конструкции.

5. Градостроительная адаптация и асимметричные схемы: Зоологический мост в Кёльне. При проектировании мостовых переходов через крупные речные артерии в черте мегаполисов решающими становятся факторы пространственной композиции. Ярким примером комплексного подхода является мост через Рейн неподалеку от Зоологического сада в Кёльне (Зоологический мост).

Рис. 6.18. Несимметричная схема Зоологического моста в Кёльне

Архитектурно-композиционные особенности. Плавная излучина Рейна в месте перехода позволяет обозревать мост с множества городских точек и под разными углами. Окружающий ландшафт и асимметричный силуэт противоположных берегов подсказали авторам решение отказаться от классической симметричной схемы.

Транспортный переход общей длиной около 1300 м (включая береговые эстакады) имеет центральную четырехпролетную неразрезную балку длиною 598 м. В русле реки размещена всего одна опора, резко сдвинутая к правому берегу, что обеспечило не только идеальные условия для судоходства по главному фарватеру, но и сформировало динамичную, выразительную композицию.

Сечение и светотеневая пластика фасада
1. Поперечный профиль: балка сформирована из двух замкнутых стальных «коробок». Ортотропная плита проезжей части выполнена из настила толщиной 12–26 мм, усиленного продольными ребрами полосового или полособульбового профиля.

2. Переменная высота: высота несущей коробчатой балки плавно меняется от 10,0 м над единственной речной опорой до 3,6 м у левобережного и 3,9 м у правобережного устоев.

3. Скрытые ребра жесткости: вертикальные и продольные ребра жесткости, предотвращающие местную потеря устойчивости стенки балки, расположены внутри замкнутого коробчатого сечения.

4. Консольные выносы: тротуары вынесены на консолях. В солнечные дни консоли отбрасывают на гладкую фасадную стенку балки глубокую тень, зрительно уменьшая ее видимую высоту и придавая мосту дополнительную визуальную легковность.

6. Два эстетических направления в архитектуре стальных балочных мостов. Накопленный опыт проектирования и строительства металлических балочных мостов со сплошной стенкой позволил сформировать два четких стилистических и технико-теоретических направления.

Направление 1: Принцип «технической правдивости» формы. Данное направление опирается на прямое отражение работы конструкции под нагрузкой во внешнем облике сооружения:
- Геометрия нижнего пояса: нижний пояс балки имеет криволинейные очертания (вуты), точно повторяющие эпюру изгибающих моментов от постоянной и временной нагрузок.

- Продольный профиль: проезжая часть проектируется по выгнутой кривой в виде пологого горба, образуя плавные криволинейные аккорды.

- Оформление фасада: вертикальные и продольные ребра жесткости выносятся на наружную поверхность стальных стенок. Они образуют четкий, ритмически повторяющийся рисунок вертикальных линий, подчеркивающий металлический характер конструкции и конструктивную логику распределения напряжений.

Направление 2: Приоритет эстетической лаконичности и минимализма. Второе направление характеризуется сознательным отходом от буквального следования эпюрам моментов ради достижения строгого градостроительного порядка:

- Параллельные пояса: неразрезные стальные балки проектируются с параллельными верхними и нижними поясами постоянной или слабоизменяющейся высоты.

- Скрытое оребрение: все ребра жесткости привариваются исключительно к внутренним поверхностям коробчатых или двутавровых элементов, оставляя фасадные плоскости абсолютно гладкими и нерасчлененными.

- Визуальный эффект: минималистичные, чисто прочерченные линии стальных балок в сочетании с монументальными бетонными опорами создают эффект максимальной четкости, легкости и гармонии с современным урбанистическим окружением.

Таким образом, эволюция стальных балочных мостов представляет собой непрерывный диалог между инженерным расчетом, материаловедением и архитектурной выразительностью, где неразрезная балочная система остается одним из самых универсальных и надежных инструментов мостостроения.

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.