Краткий исторический очерк развития висячих и вантовых мостов. Основные элементы пролетных строений висячих и вантовых мостов

Краткий исторический очерк развития висячих и вантовых мостов

Идея применения гибких растянутых элементов растительного происхождения (лианы, бамбук) для перекрытия рек и ущелий возникла, очевидно, на заре человеческого общества. Достаточно достоверные исторические данные свидетельствуют о постройке таких мостов в Древнем Египте, Юго-Восточной Азии, Центральной и Южной Америке.

Переход от примитивных конструкций висячих мостов к современным системам относится к XVII-XVIII вв. и связан с именами Веррантиуса (Испания), Пойе (Франция) и Финлея (Англия), который получил на свою висячую систему патент.

Первый периодразвития висячих мостов, относящийся к XVIII в., представлен небольшими цепными мостиками:

1741 г., Англия, р. Тисе, пролет l= 21 м,

1785 г., Германия, р. Лаан, пролет l = 38 м,

1796 г., США, l = 29 м и др.

Второй период- XIX в. - характерен широким внедрением новых материалов (чугуна, стали), что дало мощный импульс развитию висячих мостов.

К 1809 г. в Америке было построено около 40 висячих мостов. В 1814 г. в Лондоне сооружен пешеходный мостик пролетом 32 м, цепи которого составлены из плоских звеньев, соединенных болтами. В 1816 г. впервые цепь была заменена проволочным кабелем.

1820 г., Англия, р. Твид, l = 110 м - первый висячий мост под экипажную езду.

1834 г., в г. Фрейбурге французскими инженерами построен один из выдающихся мостов Европы пролетом 265 м. Мост чрезвычайно живописен, он буквально парит над горной долиной.

1883 г., США, Нью-Йорк, Бруклинский мост, l = 486 м, позволил почти вдвое увеличить мировой рекорд по величине пролета. Пример подлинно монументального сооружения: эффект контраста массивных каменных пилонов и ажурной паутины кабелей, вант, подвесок (три плоскости). Наверное, самый популярный мост у поэтов, художников, писателей - достаточно вспомнить стихотворение В.В. Маяковского «Бруклинский мост».

1895 г., Англия, р. Темза - Тауэрский мост-замок, l = 63 м, - своего рода символ Лондона, его достопримечательность, характерной особенностью которой является сочетание среднего разводного пролетного строения и двух боковых - висячих.

Третий период- нынешний век - характерен бурным развитием висячих мостов, использованием достижений науки и техники.

1903 г., США, г. Нью-Йорк, Вильямсбургский мост, l = 488 м.

1930 г., США, г. Детройт, l = 564 м, первый висячий мост, вышедший на первое место среди всех систем мостов по длине пролета, превзойдя Квебекский мост пролетом 548 м (металлическая консольно-подвесная ферма).

1931 г., США, р. Гудзон, l= 1067 м - первый мост, превзошедший километровый пролет, окончательно закрепивший превосходство висячих систем.

1937 г., США, г. Сан-Франциско, мост Золотые Ворота, l = 1280 м, предмет национальной гордости американцев (на праздновании 50-летия моста в 1987 г. собралось 150 000 человек), получил много призов за красоту, особый эффект от оранжевого кабеля на фоне голубого океана.

1965 г., США, г. Нью-Йорк, мост «Верразано-Нерроуз», l = 1298 м - последний американский мировой рекорд, оставшийся рекордом Америки.

1981 г., Великобритания, пролив Хамбер, l = 1410 м, на сегодняшний день - мост № 1 в мире по длине пролета.

Первые висячие мосты в России построены в Петербурге в 1820-1830-е гг.:

1823 г., пешеходный мостик в Екатерингофском парке пролетом 15,2 м;

1824 г., Пантелеймоновский мост через р. Фонтанку у Летнего сада, l = 40 м (разобран в 1905 г. после разрушения соседнего Египетского моста при проходе кавалерийского отряда).

Некоторые пешеходные висячие мостики того периода сохранились до сих пор: Почтамтский (через Мойку), Банковский и Львиный (через канал Грибоедова).

1836 г., г. Брест-Литовск, первый в России висячий мост на проволочных канатах, l = 89 м.

1847 г., г. Киев, р. Днепр, четырехпролетный мост, l = 134 м, разрушен белополяками в 1920 г.

В XX в. на территории СССР построен ряд висячих мостов весьма больших пролетов под трубопроводы (р. Амударья, l = 660 м; р. Днепр, l = 720 м) и временный мост пролетом 874 м через Волгу под конвейерную линию при строительстве ГЭС. Общие сведения о самых больших висячих мостах мировой практики, в том числе строящихся, приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Самые большие висячие мосты мировой практики

Некоторые сведения о первых вантовых мостах: 1817 г., Англия, пешеходный мост, l = 33,5 м. 1868 г., г. Прага, р. Влтава, l = 146 м, вантовая ферма. 1909 г., Франция, мост Кассагне, l = 156 м, построен инженером Жискляром, именем которого названы вантовые фермы (рис. 1.2, б). Большое внимание строительству мостов с вантовыми фермами уделялось в 1930-1940 гг. в СССР (р. Магана, l = 80 м; р. Сурхоб, l = 120 м; р. Нарын, l = 132 м; р. Заревшан, l = 145 м). Общие сведения о самых больших в мире вантовых мостах приведены в табл. 3.2-3.3.

Таблица 3.2

Самые большие двухпилонные вантовые мосты мировой практики

Таблица 3.3

Самые большие однопилонные вантовые мосты мировой практики

Висячие и вантовые мосты - это передовой рубеж современного мостостроения. Дальнейший прогресс идет по четырем направлениям:

1) развитие теории расчета (учет пространственного характера работы, сложнейших динамических и аэродинамических процессов; оптимизация параметров; широкое внедрение моделирования и т.д.);

2) получение новых материалов (полимеров для канатов, сверхпрочных сталей и бетонов) на основе достижений различных наук;

3) разработка новой технологии монтажа кабелей длиной более 2000 м, сооружение пилонов высотой 200...250 м, фундаментов при глубине моря до 100 м, глубине погружения в грунт до 50 м и т.д.;

4) повышение точности геодезических работ, переходящих в астрономические (например, пилоны висячего моста Хамбер пролетом 1410 м имеют за счет кривизны планеты Земля расстояние между вершинами на 36 мм больше, чем между основаниями).

Основные элементы пролетных строений висячих и вантовых мостов,

их конструкция и материалы

Кабели висячих мостов могут быть двух типов: из витых канатов (рис. 3.1, а-в) и из параллельных проволок (рис. 3.1, г). В практике мостостроения наибольшее распространение получил первый тип кабеля, т.е. из канатов заводского изготовления.

Исходный материал для формирования обоих типов кабеля - высокопрочная стальная проволока диаметром 2,5...7 мм с пределом прочности 1000...1800 МПа. В процессе производства проволоку подвергают термической и холодной (волочение) обработке, что придает ей высокие механические свойства. Одновременно на проволоку наносят антикоррозионное покрытие, чаще всего цинковое.

Сейчас выпускаются канаты трех видов:

1. Витые спиральные канаты одинарной свивки (рис. 3.1, а), образованные из проволок, оси которых имеют в пространстве форму простой спирали, навитой вокруг центральной проволоки. Выпускаются в соответствии с ГОСТ 3062-80, 3063-80, 3064 - 80, максимальный диаметр 27 мм, Е_к=(1,5...1,7)10⁵ МПа. Вследствие малого диаметра и невысокой несущей способности (до 960 кН) данные канаты рационально использовать в мостах небольших пролетов.

2. Витые спиральные канаты двойной свивки (многопрядные) (рис. 3.1, б), которые формируют из спиральных канатов небольшого диаметра (прядей). Одна прядь (сердечник) располагается в центре, а остальные по спиральным линиям. Модуль упругости многопрядных канатов ниже, чем у спиральных: Е_к= (1,3... 1,5) 10⁵ МПа, выпускаются согласно ГОСТ 3067-88, 3068-88, 3081-80, максимальный диаметр 45,5 мм.

Многопрядные канаты имеют много пустот между проволоками и прядями, что позволяет им распрямляться при натяжении и увеличивает их деформативность (Е_к - min). Кроме того, образуется большая поверхность проволок, подверженная атмосферным воздействиям. Поэтому для проектирования новых мостов действующий СНиП (п. 4.4) многопрядные канаты не рекомендует. Хотя при условии предварительной вытяжки данные канаты весьма большой несущей способности (до 3800 кН) могут быть применены для временных сооружений.

3. Закрытые канаты по ГОСТ 3090-73, 7675-73, 7676-73, которые формируют с использованием в нескольких наружных слоях фасонных проволок клиновидного и Z-образного сечения (рис. 3.1, в). Закрытые канаты обладают более плотной структурой, слои из фасонной проволоки практически исключают доступ влаги и агрессивных веществ внутрь каната; гладкая поверхность облегчает монтаж и защиту от коррозии, Е_к= (1,6...1,8)10⁵ МПа, максимальный диаметр до 70 мм, несущая способность до 5000 кН.

Для увеличения Е_к канаты всех типов предварительно вытягивают на стенде усилием 50...60 % от разрывного, чтобы за счет снятия неупругих деформаций, уплотнения прядей эта величина стабилизировалась на уровне (1,75...1,85)·10⁵ МПа. Для невытянутых канатов полная относительная деформация ползучести составляет 1,5...2,0 мм на 1 м, а для вытянутых канатов - уменьшается до 0,3...0,5 мм.

В висячих мостах особо больших пролетов (700...1400 м) применяют кабель из параллельных проволок (рис. 3.1, г), уложенных по схеме 1+6+12+18... с увеличением числа проволок в каждом последующем слое. По длине кабеля через 3...5 м пучки обвязывают оцинкованной проволокой диаметром 1,5 мм.

За счет отсутствия раскручивания кабели из параллельных проволок обладают высокой продольной жесткостью (Е_к достигает 2·10⁵ МПа). Так как проволоки расположены по линиям, повторяющим очертание оси кабеля, в них не возникает дополнительных напряжений, как в витых канатах, что позволяет лучше использовать прочность проволок. По этой же причине в местах заделки пучков в анкерные стаканы усталостная прочность выше, чем у канатов.

Ванты могут быть двух видов:гибкими или жесткими. Гибкие ванты изготовляют аналогично кабелям висячих мостов из спиральных, многопрядных или закрытых канатов или из параллельных проволок (рис. 3.1, а-г).

Учитывая прямолинейность вант, наиболее рационально их проектировать из пучков параллельных проволок.

Жесткие ванты представляют собой либо стальные стержни большого диаметра, либо канаты или пучки проволоки, окруженные железобетонной оболочкой (рис. 3.1, д). Для устранения трещин в бетоне его предварительно напрягают так, чтобы при любых значениях растягивающего усилия в ванте он оставался сжатым. Жесткие ванты наиболее целесообразны в железнодорожных мостах, они имеют большую осевую жесткость ЕА_в , что уменьшает вертикальные прогибы.

Важнейшей частью кабеля и ванты являются концевые крепления или анкеры,которые обеспечивают взаимосвязь канатных элементов с другими частями сооружения - пилонами, балками жесткости, фундаментами. В настоящее время широко распространены анкерные стаканы с цилиндрической или конической полостью, в которой расплетенный конец каната заливается сплавом цветных металлов (рис. 3.1, е).

Пилоны висячих и вантовых мостовпроектируются железобетонными или металлическими.

Опыт проектирования и строительства мостов показывает, что в общем случае можно рекомендовать при пролетах более 300...350 м металлические пилоны, а при меньших пролетах чаще всего экономичнее оказываются пилоны из железобетона. Преимущество металлических пилонов - в индустриальности изготовления и удобстве монтажа. Железобетонные пилоны могут быть сборными из готовых блоков или монолитными.

Рис. 3.2. Вид пилонов с фасада моста

Пилоны могут быть гибкими (рис. 3.2, а) или жесткими (рис. 3.2, б) по их работе вдоль оси моста. Жесткие пилоны не имеют широкого распространения, поэтому далее рассматриваются только гибкие пилоны.

В редких случаях по архитектурным соображениям возводят пилоны, наклоненные в сторону реки или берега, например, известный мост в г. Братиславе (Словакия).

Гораздо разнообразнее конструкция пилонов в поперечном сечении моста (рис. 3.3). Выбор той или иной схемы определяется тремя факторами: длиной пролета (а следовательно, высотой пилона и величиной усилия в нем), шириной моста, количеством плоскостей вант.

Простейшими схемами пилонов являются одностоечные (рис. 3.3, а) и двухстоечные (рис. 3.3, б), которые применимы при небольших длинах пролетов.

Рис. 3.3. Вид пилонов в поперечном сечении моста

При увеличении пролета и ширины моста основу пилонов составляет рама, имеющая значительно большую устойчивость. Различают П-образные - с вертикальными стойками (рис. 3.3, в, г) и А-образные - с наклонными стойками (рис. 3.3, д, е) пилоны, которые имеют множество модификаций. В последние годы в области проектирования пилонов отмечается поиск новых форм повышенной архитектурной выразительности (рис. 3.3, ж, з).

Поперечные сечения стоек пилонов определяются, в основном, материалом и действующими в нем усилиями. Для железобетонных пилонов характерны прямоугольные сплошные или двутавровые (для малых пролетов - рис. 3.4, а, б) сечения. В мостах больших пролетов стойки железобетонных и металлических пилонов выполняют коробчатого сечения (рис. 3.4, в, г).

Для обеспечения общей и местной устойчивости элементов металлических пилонов ставятся поперечные диафрагмы и продольные ребра (рис. 3.4, г). Внутри пустотелых стоек пилонов размещают лестницы или лифты для обследования конструкций.

Рис. 3.4. Поперечные сечения стоек пилонов

Для небольших пешеходных и трубопроводных мостов целесообразны стойки пилонов из стальных труб, обладающих малой металлоемкостью и хорошей обтекаемостью.

При стремлении к наиболее полному использованию расчетных сопротивлений материалов по всей высоте пилона его поперечное сечение проектируют переменным по высоте, уменьшающимся снизу вверх. Это особенно целесообразно для вантовых мостов, имеющих прикрепление вант в различных по высоте точках пилона (см. рис. 1.7, в-ж).

Важный узел - пересечение пилона с балкой жесткости. Для двухстоечных и П-образных пилонов наиболее характерно расположение стоек с двух сторон балки жесткости (рис. 3.3, б, г). В этом случае на подферменную площадку опираются как балка жесткости, так и стойки пилона.

Для А-образных пилонов часто применяют опирание балки жесткости на ригель пилона (рис. 3.3, д, е) - это придает мосту воздушность: балка жесткости при виде на фасад как бы парит над массивной опорой, не касаясь ее.

В редких случаях, при небольшой нагрузке, пилон может опираться на балку жесткости, которая передает это давление через свои опорные части на опору (рис. 3.3, а).

В большинстве случаев стойки пилонов жестко защемляют в конструкции опоры или балки жесткости. Шарнирное опирание стоек чаще используют при их монтаже с последующим заглушением шарниров. Но при этом необходимо иметь в виду, что жесткая заделка стоек пилонов приводит к увеличению изгибающих моментов в их основании, что не всегда рационально по расходу материалов.

Балки жесткости в висячих и вантовых мостахвыполняют несколько важнейших функций: непосредственно воспринимают временную нагрузку и усилия от нее передают на кабель или ванты; работают в составе всей висячей (вантовой) системы, увеличивая ее жесткость в вертикальной плоскости; воспринимают распор во внешне безраспорных конструкциях; изгибаются под действием поперечных горизонтальных нагрузок и передают их на опоры.

Балки работают на изгиб и сжатие (растяжение) от вертикальной и горизонтальной нагрузок, на кручение от внецентренно приложенной нагрузки и от аэродинамических воздействий.

По виду материалов балки жесткостипроектируют металлическими, железобетонными и сталежелезобетонными (рис. 3.5, 3.6). Для висячих мостов целесообразны металлические балки, как более легкие, что приводит к снижению веса кабеля, пилонов и анкерных опор.

Для вантовых мостов чаще применяют, особенно при пролетах 100...250 м, железобетонные балки, которые хорошо воспринимают большие сжимающие усилия от вант (рис. 3.6). Но при пролетах 250...450 м, как правило, более экономичными оказываются металлические балки. Что касается сталежелезобетонных балок жесткости, то в последнее время они завоевывают все большее признание: для висячих мостов - в целях экономии металла; для вантовых мостов - как более технологичная конструкция по сравнению с железобетонной и не уступающая ей по жесткости (рис. 3.5, б).

Рис. 3.5. Конструкции металлических и сталежелезобетонных балок жесткости:

1 - плоскость вант (кабеля); 2 - поперечные балки

Рис. 3.6. Конструкции железобетонных балок жесткости:

1 - плоскости вант (кабеля); 2 - консольная балка-диафрагма;
3 - распределительная ферма

По характеру работы в составе пролетного строения балки можно классифицировать на раздельные и общие (см. рис. 3.5). Раздельные балки представляют собой элементы, расположенные в нескольких плоскостях и объединенные поперечными балками небольшой жесткости (рис. 3.5, а-в). Вместе с плитой проезжей части они образуют открытые снизу конструкции с относительно малой крутильной жесткостью.

Общая балка жесткости (рис. 3.5, г-е) представляет собой единый элемент, поддерживаемый вантами или подвесками и обладающий большой крутильной жесткостью. Балка данного типа работает как пространственная конструкция в отличие от раздельных балок, работающих в одной плоскости.

Общая балка жесткости может состоять из сплошностенчатых балок или ферм, объединенных в пространственную конструкцию не только ортотропной плитой проезжей части, но и нижними продольными связями или нижней ортотропной плитой (рис. 3.5, д).

Ортотропная плита обычно состоит из листа настила, продольных ребер и поперечных балок. Кроме функций проезжей части (восприятие местной временной нагрузки от колес или гусениц и передача ее главным балкам) ортотропная плита выполняет также функции верхнего пояса балки жесткости и верхних продольных связей.

На рис. 3.5, д показана конструкция с двумя ярусами проезжей части (один автомобильный, другой - железнодорожный), что находит применение в висячих мостах сверхбольших пролетов (более 800...1000 м).

Решение вопроса аэродинамической устойчивости мостов больших пролетов привело к использованию коробчатых балок улучшенной обтекаемости (рис. 3.5, е) и замене балок со сплошной стенкой на фермы жесткости (например, в конструкции, показанной на рис. 3.5, д, целесообразно применить фермы, учитывая большую высоту элемента).

Железобетонные балки жесткости также можно разделить на два типа - раздельные (рис. 3.6, а) и общие (рис. 3.6, б). Но, кроме того, их подразделяют еще на четыре класса по характеру передачи усилий от вант или подвесок на балку жесткости.

С этой точки зрения, более простыми являются конструкции, у которых плоскости вант (кабеля) совпадают с осями главных балок - класс А (рис. 3.6, а) или со стенками балки жесткости - класс Б (рис. 3.6, б).

Сложнее обстоит дело с конструкциями, у которых плоскость вант (кабеля) не совпадает с осями главных балок и стенок: класс В (рис. 3.6, в) и класс Г (рис. 3.6, г). В этих случаях требуется устройство дополнительных элементов - жестких консольных балок-диафрагм (рис. 3.6, в) или распределительных ферм (рис. 3.6, г).