Гибридные мостовые конструкции: архитектура, механика и инженерный синтез

Современное мостостроение представляет собой динамично развивающуюся отрасль инженерного искусства, где классические типы несущих систем регулярно модернизируются для решения сложных пространственных задач. Лишь немногие современные мостовые сооружения можно отнести строго к одному классическому типу — балочному, арочному, висячему или вантовому. Подавляющее большинство из них представляют собой гибридные мостовые конструкции, сочетающие элементы различных систем. Неоднородность и комбинированный характер гибридных мостов обеспечивает им оптимальное распределение механических нагрузок, экономию строительных материалов и высокую адаптивность к ландшафтным особенностям.

1. Теоретические основы и типы гибридных мостовых систем. В основе проектирования любых мостовых сооружений лежит задача эффективного перераспределения внутренних усилий: изгибающих моментов, продольных сжимающих и растягивающих сил, а также перерезывающих сил. Гибридная мостовая система — это конструкция, в которой совмещены не менее двух различных несущих схем, образующих единый кинематический и статически неопределимый массив.

Некоторые сооружения изначально проектируются как гибридные с целью оптимизации материалоемкости. Другие же обретают комбинированные черты в процессе эксплуатационной модернизации, усиления аварийных участков или реконструкции, обусловленной возросшими транспортными нагрузками.

Арки и фермы. Классическим примером совмещения арочной механики и сквозных ферменных систем является мост Короля Луиша I над рекой Дору в Португалии (Рис. 1).

Рис. 1. Мост Короля Луиша I (Португалия) — комбинированное сочетание арки и ферм

В этой конструкции стальная двушарнирная арка с решетчатой структурой выступает главным несущим элементом, по верху которого проходит железнодорожное полотно. Нижний ярус представляет собой подвешенную автомобильную дорогу. Верхняя часть сооружения сформирована жесткими стальными фермами со сквозными балками, опирающимися на массивные пилоны. Совместная работа арочного распора и жесткости ферм обеспечивает устойчивость моста при высоких динамических воздействиях.

Арки и балки. Синтез арочных и балочных элементов позволяет рационально распределить моменты и изгибающие силы. Проект инженера Роберта Стефенсона — мост Хай-Левел в Ньюкасле (Великобритания) — демонстрирует комбинированное использование балок из ковкого чугуна и арочных сводов (Рис. 2).

Рис. 2. Мост Хай-Левел в Ньюкасле (Великобритания) — арочно-балочная система Р. Стефенсона

В каждой секции этого двухуровневого моста арка располагается между горизонтальной и вертикальной балками. Данное решение позволило разделить несущие функции: нижний ярус воспринимает местные изгибающие нагрузки от дорожного полотна, а внешняя арка передает общие сжимающие усилия на опорные быки.

2. Эволюция несущих систем: ванты, тросы и коробочные балки. С развитием металлургии и технологий преднапряженного железобетона в мостостроении широкое распространение получили комбинации вант, несущих тросов и пустотелых пролетных строений.

Вантовые системы и пустотелые балки. Пролетное строение современности обязано выдерживать как сосредоточенные вертикальные нагрузки, так и интенсивные изгибающие моменты, возникновение которых обусловлено кинематикой подвесных систем. Наглядным примером служит мост Эрскин в Шотландии (построен в 1971 году) (Рис. 3).

Рис. 3. Мост Эрскин в Шотландии — сочетание вант и сварных пустотелых коробочных балок

В этой конструкции наклонные ванты удерживают мостовое полотно, сформированное из сварных пустотелых коробочных балок. Такая пространственная структура обладает повышенной жесткостью на кручение, что особенно важно для снижения ветрового резонанса и аэродинамической неустойчивости.

«Ненамеренно» гибридные конструкции (эксплуатационная адаптация). В ряде случаев гибридные свойства формируются эволюционным путем в ходе капитального ремонта или усиления сооружения. Ярким примером служил мост Альберта в Лондоне (построен в 1873 году) (Рис. 4).

Рис. 4. Мост Альберта в Лондоне — исторический пример поэтапной трансформации в гибридную систему

Первоначально сооружение функционировало как вантовый мост, где пролетное строение удерживалось 32 металлическими стержнями. Спустя десятилетие из-за деформаций и эксплуатационных проблем в конструкцию были добавили стальные цепи (элемент висячего моста). Позже, в 1970-х годах, для снижения критических прогибов и снижения нагрузки на промежуточные мачты по центру пролета возвели дополнительный бетонный пилон. В результате образовалась уникальная «ненамеренная» триада: ванты, цепи и балочная опора.

3. Шпренгельные системы и современные пространственные комплексы. Для перекрытия сверхдлинных пролетов и оптимизации высоты балочной клетки применяются шпренгельные системы. Данный тип конструкции совмещает элементы вантовых и балочных схем, что позволяет уменьшить строительную высоту пролетного строения, увеличить длину пролета (по сравнению с классической балкой) и избежать колоссальных финансовых затрат, характерных для строительства классических вантовых мостов.

Принцип работы шпренгельных мостов. Классифицировать и распознавать такие системы достаточно просто благодаря их характерной кинематической схеме:

1. Первая секция мостового строения опирается непосредственно на мачту и функционирует как жесткая неразрезная балка.
2. Следующая секция удерживается наклонными вантами.
3. Центральная часть пролета подшивается или подвешивается на тросах.

Инновационным примером такой схемы является мост Гантер в Швейцарии (построен в 1980 году), спроектированный инженером Кристианом Менном (Рис. 5). Ванты моста Гантер закомпонованы и скрыты внутри защитных стенок из преднапряженного железобетона, образуя строгий прямоугольный профиль.

Рис. 5. Мост Гантер (Швейцария) — шпренгельная система с преднапряженным железобетоном

Развитием шпренгельной концепции стали сооружения XXI века:

- Мост «Золотые уши» (Golden Ears Bridge, Канада, 2009 год) (Рис. 6) — самый длинный мост шпренгельной системы в Северной Америке. Четырехмачтовая конструкция перекрывает пролет длиной более двух километров.

- Мост Сунниберг (Sunniberg Bridge, Швейцария, 1998 год) (Рис. 7) — сооружение, показавшее еще одно важное преимущество шпренгельной схемы: использование относительно коротких пролетов позволило запроектировать изгнутое в плане мостовое полотно без потери общей пространственной жесткости.

Рис. 6. Мост «Золотые уши» в Канаде — многопролетная шпренгельная конструкция

Рис. 7. Мост Сунниберг в Швейцарии — изогнутое в плане пролетное строение на шпренгелях

4. Масштабные мостовые системы и транзитные комплексы. На современном этапе развитие гибридного мостостроения вышло за рамки отдельных одиночных пролетов. При перекрытии морских проливов и широких заливов инженеры проектируют единые транспортные системы со сложной топологией (Рис. 8).

Рис. 8. Мостовой комплекс Циндао Хайвань (Китай) — многофункциональная система мостов и развязок

Ярким представителем этого класса сооружений является мост Циндао Хайвань (Китай, 2011 год). Это 42-километровое сооружение над заливом порта Циндао признано одним из крупнейших надводных мостовых комплексов в мире. В нем объединены эстакадные балочные секции, вантовые судоходные пролеты, а также сложные многоуровневые транспортные развязки, работающие как единый гидротехнический и конструктивный ансамбль.

Заключение. Гибридные мостовые конструкции представляют собой вершину эволюции транспортного строительства. Сочетая в себе механика-структурные достоинства арок, ферм, балок, вант и висячих систем, они позволяют строить сооружения с минимальной материалоемкостью, высокой сейсмостойкостью и длительным сроком службы. Будущее этой отрасли связано с дальнейшим внедрением высокопрочных композитных материалов, преднапряженного железобетона и умных систем мониторинга напряженно-деформированного состояния конструкций.

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.