Вантовые мосты: особенности, конструкция и этапы монтажа

Вантовые мосты представляют собой один из наиболее технологичных и эстетически выразительных типов мостовых сооружений в современном мостостроении. По своей визуальной архитектуре они напоминают висячие мосты, однако по механике работы и распределению силовых нагрузок находятся значительно ближе к консольным системам. Главным конструктивным элементом, определяющим работу всей системы, являются вертикальные или наклоненные пилоны (мачты), к которым посредством системы натянутых стальных тросов — вант — подвешивается пролетное мостовое полотно.

В данной системе пилоны выполняют роль жесткой консоли, благодаря чему вся мостовая конструкция приобретает идеальную статическую уравновешенность и не требует сооружения массивных анкерных устоев, характерных для традиционных висячих мостов. Поскольку мостовое полотно оттягивается к мачте и работает преимущественно на сжатие, к нему предъявляются повышенные требования по пространственной жесткости, что существенно отличает вантовую схему от висячей, где легкое мостовое полотно фактически свободно висит на несущих кабелях.

Рис. 1. Эресуннский мост, соединяющий Швецию и Данию через пролив Эресунн

Универсальность и эволюция вантовых мостовых переходов. Исторически вантовая система развивалась как промежуточное инженерное решение. В прежние времена мосты данного типа возводились преимущественно в тех случаях, когда требуемый пролет оказывался слишком великим для традиционной консольной конструкции, но недостаточным для экономически оправданного применения висячего моста. Однако стремительный прогресс в области расчетных методов, материаловедения и технологий натяжения вант кардинально изменил область применения этих сооружений.

Сегодня развитие строительных технологий и инженерной науки позволяет успешно проектировать и возводить вантовые мосты с центральным пролетом, превышающим один километр, что делает их поистине универсальными сооружениями. Ярким примером подобной универсальности является Эресуннский мост (см. Рис. 1), объединяющий Швецию и Данию. Длина основного пролета в его центральной вантовой части составляет 491 метр, а само сооружение обеспечивает совмещенное двухпутное железнодорожное и четырехполосное автомобильное движение, справляясь с колоссальными динамическими нагрузками.

Исторический очерк: первые вантовые сооружения. История применения натянутых тросовых элементов в мостостроении уходит корнями в XIX век, когда инженеры предпринимали первые попытки создания комбинированных несущих систем.

Рис. 2. Конструктивная схема моста Бартон-Крик (США, 1889 г.)

Одним из первых зарегистрированных и задокументированных вантовых сооружений стал мост через реку Бартон-Крик в штате Техас (США), возведенный в 1889 году инженером Н. Н. Раньоном (см. Рис. 2). Конструктивная анатомия данного сооружения содержала ключевые элементы современных вантовых систем:

- Ванты, изготовленные из высокопрочной крученой стальной проволоки;
- Торсионы и тросовые расчалки, соединяющие мостовое полотно с ванатами и предотвращающие опасные крутильные деформации;
- Продольные и поперечные тросы под мостовым полотном, обеспечивающие общую пространственную неизменяемость;
- Поперечные балки, гарантирующие параллельность и геометрическую стабильность сторон моста;
- Жесткое мостовое полотно, воспринимающее проезжую нагрузку.

Геометрические схемы вантовых систем: «веер» и «арфа». В современной мостостроительной практике установились два основных способа пространственного расположения вант относительно пилона и пролетного строения.

Рис. 3. Классические схемы расположения вант: «веер» и «арфа»

1. Схема «Веер» — конфигурация, при которой все несущие ванты сходятся в одной точке (или близко расположенном узле) на вершине центральной мачты (пилона) и расходятся веером к точкам крепления на мостовом полотне (см. Рис. 3). Эта схема оптимизирует угол наклона вант, обеспечивая максимальную вертикальную составляющую несущей силы.

2.Схема «Арфа» — конфигурация, при которой ванты располагаются строго параллельно друг другу и крепятся к мачте на разных высотных ярусах по всей ее высоте (см. Рис. 3). Схема «арфа» visually выглядит более гармонично и обеспечивает равномерное распределение усиливающих усилий по высоте пилона, хотя и требует большего расхода высокопрочной стали из-за меньших углов наклона нижних вант.

Модульность и многопролетные вантовые системы. Несомненным преимуществом вантовой системы является возможность преодолевать практически неограниченные водные и пространственные преграды путем создания многопролетных мостовых сооружений. Хотя предельная длина одиночного главного пролета современных вантовых мостов уступает рекордным пролетам тяжелых висячих мостов, вантовая схема обладает уникальным технологическим свойством: пролетную секцию можно многократно повторять в рамках единой конструкции.

Рис. 4. Многопролетный вантовый мост Тин Кау в Гонконге

Поскольку ванты крепятся непосредственно к пилону, инженерная схема позволяет устанавливать последовательно несколько таких мачт. Ярким доказательством эффективности такой системы служит мост Тин Кау в Гонконге, введенный в эксплуатацию в 1998 году (см. Рис. 4). Пересекая обширное водное пространство, этот мост опирается на три последовательных пилона. Применяемые на нем ванты длиной до 465 метров не только удерживают пролетные строения, но и существенно усиливают продольную устойчивость всей многопролетной системы.

Технология и этапы возведения вантовых мостов. Процесс сооружения крупных современных вантовых мостов представляет собой строго последовательный технологический цикл, минимизирующий воздействие на судоходство и не требующий устройства сложных временных опор.

Рис. 5. Последовательность технологических этапов наведения вантового моста

Строительно-монтажный процесс включает в себя следующие ключевые этапы (см. Рис. 5):

1. Сооружение пилонов и вспомогательных пролетов: На первоначальном этапе возводятся фундаменты, береговые эстакады, вспомогательные пролеты и главная центральная мачта (пилон).

2. Монтаж вантовой системы центральной мачты: На пилоне монтируется специальный монтажный подъемник для подъема и сборки первых секций пролетного строения.

3. Установка временных вант и монтажных тросов: Начинается натяжка первых рабочих вант и закрепление временных тросовых оттяжек для балансировки возникающих усилий.

4. Продление центрального пролета: Производится последовательное уравновешенное навешивание (или надвижка) секций центрального пролета с одновременной натяжкой новых пар вант по схеме «веер» или «арфа».

5. Завершение наведения и демонтаж временных элементов: После смыкания блоков центрального пролета осуществляется окончательная регулировка натяжения вант с помощью гидравлических домкратов, после чего временные тросы демонтируются.

Сравнительная простота и высокая технологичность возведения вантовых мостов дают два определяющих экономико-экологических преимущества: отсутствие необходимости в возведении массивных временных лесов и минимальное вмешательство в судоходный режим подмостового габарита в период проведения монтажных работ.

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.