Цеховые блоки для работы моста на всём жизненном цикле
Стальные мосты заменяют бетон на пролётах 50–200 м, потому что они легче, быстрее монтируются и проще инспектируются. Ключ — цеховое изготовление: каждый ферменный блок изготовляется, контрольно собирается и проверяется по качеству на заводе, затем транспортируется на площадку для болтовых полевых соединений. Мы построили 748-метровый крытый мост — гибрид здания и моста — и поставили мостовые проекты в Пакистане и Индонезии.
Почему стальные мосты заменяют бетон на пролётах 50–200 м — и почему сборность есть ключ
Для пролётов мостов 50–200 м сталь — не просто альтернатива бетону, а принципиально иной подход к жизненному циклу моста. Бетонный мост этого диапазона пролётов бетонируется на месте или собирается из секций, требуя длительной опалубки на площадке, времени твердения и управления движением. Стальной мост изготовляется в цеху, транспортируется блоками и собирается на площадке болтами за дни, а не недели.
Преимущество цехового изготовления не только в скорости. Оно в контроле качества. В производственном цеху сварка выполняется при контролируемых температуре, влажности и ветре аттестованными сварщиками по процедурам, аттестованным по применимым нормам (AWS D1.5 для автомобильных мостов, AASHTO для проектов США, GB 50205 для китайских проектов). Каждый шов контролируется: визуально, магнитопорошковым методом на поверхностные индикации и ультразвуком на внутреннюю сплошность. Контроль происходит в цеху, где доступ лёгок и исправление недорого, а не на мосту в 30 м над рекой, где доступ требует лесов, а исправление закрывает мост.
Преимущество Транспортная логистика блоков стального моста — конструктивное ограничение, которое должно решаться на инженерной стадии, а не после изготовления. Ферменный блок шириной 3,5 м, высотой 4 м и длиной 20 м весит 15–25 тонн и может перевозиться стандартным бортовым грузовиком по большинству шоссе. Блок шире 4 м требует специальных разрешений; шире 5 м — сопровождения и обследования маршрута; длиннее 25 м — специальной трассировки во избежание крутых поворотов. Наша инженерная команда назначает разбивку на блоки в местах, оптимизирующих одновременно конструктивную эффективность (по возможности в точках нулевого момента) и транспортную логистику (блоки в пределах стандартных разрешений).
Для наших проектов стальных конструкций мостов мы имеем квалификацию генерального подряда в строительстве 1 класса и квалификацию специализированного подряда по стальным конструкциям 1 класса — высшие ступени для мостостроения в китайской системе. Это уполномочивает нас проектировать, изготовлять и монтировать мосты любого пролёта и любой конструктивной классификации, от пешеходных дорожек до автомобильных нагрузок.
Усталостный расчёт, сейсмоизоляция и гибрид здания и моста
Инженерные системы, отличающие проектирование стального моста от проектирования здания, и почему 748-метровый крытый мост не поддаётся обычной категоризации.
Усталостный расчёт под транспортные нагрузки
Мост — динамически нагруженная конструкция. Каждое транспортное средство, пересекающее его, прикладывает подвижную сосредоточенную нагрузку, циклирующую через элементы и соединения конструкции. За 50–100-летний расчётный срок автомобильный мост может испытать 50–200 миллионов циклов нагружения от грузовиков — режим усталостного нагружения, которого не встречает ни одна строительная конструкция.
Усталостный расчёт стальных мостов определяется размахом напряжений в усталостно-критичных деталях и числом циклов. Критичные детали — не сами основные элементы (хорошо проработанный пояс или раскос подобран по прочности, и его усталостный ресурс обычно достаточен). Критичные детали — это соединения: швы, крепящие фасонки к поясам, швы, соединяющие поперечные рёбра со стенками, болтовые группы в полевых стыках и швы у опорных рёбер. Именно в этих местах концентрации напряжений усиливают номинальный размах, и именно там зарождаются усталостные трещины.
Наш подход к усталостному расчёту стальных конструкций мостов следующий:
- Классификация деталей: каждая сварная и болтовая деталь классифицируется по таблицам категорий усталости применимой нормы (AASHTO LRFD табл. 6.6.1.5.3-1, Еврокод 3 табл. 8.1-N или GB 50017). Категория определяет допускаемый размах напряжений для заданного числа циклов.
- Расчёт размаха напряжений: для каждой усталостно-критичной детали размах напряжений рассчитывается по анализу конструкции под усталостной нагрузкой от грузовика (расчётный грузовик с заданными расстояниями осей и весом, приложенный в нескольких положениях для максимизации размаха в детали).
- Накопление повреждений по правилу Майнера: усталостное повреждение от грузовиков разного веса накапливается по правилу Майнера, которое суммирует отношение повреждений (фактические циклы / допускаемые циклы) по всем весовым категориям грузовиков. Накопленное повреждение должно быть менее 1,0 на расчётном сроке службы.
- Улучшение детали: там, где усталостная способность детали недостаточна, деталь перепрорабатывается: швы переориентируются для снижения концентрации напряжений, зачистка перехода швов снижает коэффициент концентрации, либо болтовые стыки заменяют сварные в местах с высоким размахом напряжений.
Сейсмоизолирующие опоры
В сейсмических зонах пролётное строение моста (стальная ферма или балка) должно быть изолировано от опорной части (промежуточных опор и устоев), чтобы предотвратить передачу повреждающих сейсмических сил. Изоляция достигается сейсмоизолирующими опорными частями — устройствами, размещёнными между пролётным строением и опорами, которые развязывают горизонтальное движение грунта от горизонтального движения настила моста.
Мы прорабатываем три типа сейсмоизолирующих опорных частей, выбираемых по сейсмической опасности моста, пролёту и функциональным требованиям:
- Резиновые опорные части: слои резины, переложенные стальными прокладками. Резина даёт горизонтальную податливость (позволяя мосту смещаться относительно опор), а стальные пластины — вертикальную жёсткость (неся постоянные и временные нагрузки моста). Подходят для зон низкой и умеренной сейсмичности.
- Свинцово-резиновые опорные части (LRB): свинцовый сердечник вставляется в резинометаллическую опорную часть. Сердечник течёт при сейсмическом перемещении, рассеивая энергию гистерезисным демпфированием. Подходят для зон умеренной и высокой сейсмичности. LRB снижает сейсмическую силу, передаваемую в опорную часть, на 40–60% по сравнению с неизолированным мостом.
- Маятниковые фрикционные опорные части (FPB): скользящая опорная часть с криволинейной вогнутой поверхностью. Настил моста скользит по криволинейной поверхности при землетрясении, а кривизна даёт возвращающую силу, возвращающую мост в центрированное положение. Трение между скользящими поверхностями обеспечивает рассеяние энергии. Подходят для зон высокой сейсмичности и длиннопролётных мостов, где требуется большая перемещаемость.
Проект опорной части — не просто спецификация устройства: он интегрируется в расчёт конструкции. Жёсткость и демпфирование опорных частей моделируются в сейсмическом анализе моста, а сниженные сейсмические силы в пролётном строении и опорах используются для оптимизации сечений элементов. Мост с сейсмоизолирующими опорными частями имеет более лёгкие элементы пролётного строения и меньшие элементы опор, чем неизолированный мост того же пролёта: система изоляции окупает себя за счёт экономии конструкций.
748-метровый крытый мост: гибрид здания и моста
Наш проект крытого моста 748 м представляет конструктивный тип, не поддающийся обычной категоризации. Это мост — он несёт пешеходов через реку или долину, — но одновременно здание, с кровлей, стенами и закрытым внутренним пространством. Конструкция должна сопротивляться не только мостовым нагрузкам (движение, ветер на настиле), но и нагрузкам здания (ветер на стенах и кровле, снег на кровле, сейсмическая масса ограждения).
Инженерная задача крытого моста — взаимодействие между конструкцией моста и ограждением здания. Фермы моста несут нагрузку настила и сопротивляются горизонтальным силам от ограждения. Ограждение — кровля, стены, торцевые фронтоны — добавляет ветровую площадь, под которую фермы моста в конфигурации открытого настила не рассчитывались. Верхний пояс фермы, который в обычном мосте есть сжатый элемент, несущий нагрузку настила, становится элементом совместного сжатия с изгибом, несущим и нагрузку настила, и ветровую нагрузку от стены над ним.
Длина моста 748 м означает, что температурное расширение — главное проектное обстоятельство. Стальной мост длиной 748 м при перепаде 60°C расширяется примерно на 540 мм на свободном конце — что воспринимается температурными швами в каждом разрыве пролёта. Закрытое ограждение, однако, смягчает диапазон температур: закрытый интерьер испытывает меньшее изменение температуры, чем открытый мост, снижая потребность в температурном перемещении. Это одно из конструктивных преимуществ типологии крытого моста: ограждение, добавляющее ветровую нагрузку, одновременно снижает температурные напряжения.
Для крытого моста мы применили модульную ферменную систему: мост разделён на конструктивные модули 40–60 м, каждый изготовлен в цеху, транспортирован и собран болтами на площадке. Модульные разрывы совпадают с местами температурных швов, так что каждый модуль термически независим. Болтовые полевые стыки проработаны как шарнирные соединения (передающие сдвиг, но не момент), позволяя каждому модулю шарнирно работать при температурном перемещении и неравномерной осадке.
От цеха к площадке: как возводится стальной мост
Цеховое изготовление и контрольная сборка
Каждый ферменный модуль изготовляется на нашем заводе в Сюйчжоу: элементы поясов режутся на расчётную длину на автоматизированных линиях, фасонки вырезаются на ЧПУ по проектной геометрии, элементы решётки подгоняются и свариваются по аттестованным процедурам. Каждый шов контролируется визуально, магнитопорошковым и ультразвуковым методами. Готовый модуль контрольно собирается в цеху — привинчивается к своему сопрягаемому модулю на плоской сборочной площади для проверки соответствия геометрии полевого соединения проекту. Любое расхождение исправляется в цеху, где стоимость исправления минимальна.
Транспортировка и обследование маршрута
Транспортировка модулей планируется в координации с обследованием маршрута. Для отечественных проектов модули в пределах стандартных разрешений (ширина менее 4 м, длина менее 25 м, вес менее 30 тонн) перевозятся стандартным бортовым транспортом. Негабаритные модули требуют специальных разрешений, сопровождения и обследования маршрута, проверяющего несущую способность мостов, габариты по высоте и радиусы поворота по пути. Для зарубежных проектов модули контейнеризуются или отгружаются как генеральный груз, а время морской перевозки учитывается в графике проекта.
Полевой монтаж
На площадке модули устанавливаются краном и привинчиваются к ранее смонтированному модулю. Для мостов над водой может применяться метод надвижки: модули собираются на одном берегу и надвигаются через пролёт гидравлическими домкратами, с направляющей носовой частью на переднем крае для консольного перекрытия пролёта до следующей опоры. Для мостов над землёй модули могут подниматься краном прямо на опоры или монтироваться с использованием временных лесов.
Установка опорных частей и финальная регулировка
Сейсмоизолирующие опорные части устанавливаются на оголовки опор до опускания мостового модуля. Опорные части позиционируются на проектную отметку, а мост выводится на проектную линию и уклон. Затем опорные части замоноличиваются, фиксируя геометрию моста. Для маятниковых фрикционных опорных частей скользящая поверхность защищается временным фиксатором, который снимается после завершения моста, когда опорная часть готова работать в режиме сейсмоизоляции.
Мостовые проекты, которые мы уже поставили
Гибрид
Крытый мост 748 м
Гибридная конструкция здания и моста, объединяющая инженерию пешеходного моста с проектированием закрытого ограждения. Модульная ферменная система с цеховыми блоками и болтовыми полевыми соединениями. Температурное расширение проработано на диапазон 60°C.
За рубежом
Мост Карот в Пакистане
Проект стального моста в Пакистане с цеховыми блоками, транспортированными за рубеж и смонтированными на площадке. Система сейсмоизолирующих опорных частей под сейсмическую опасность региона.
За рубежом
Мост Тарбела в Пакистане
Поставка и изготовление стальных конструкций для мостового проекта в Тарбеле, Пакистан. Усталостный расчёт под транспортные нагрузки и цеховые модульные ферменные блоки для международной перевозки.
Планируете проект стального моста?
Пришлите тип моста (автомобильный, пешеходный, крытый), требуемый пролёт, сейсмические данные площадки и спецификацию транспортных нагрузок. Наша инженерная команда ответит в течение 24 часов с рекомендацией конструктивной системы, планом изготовления и транспортировки и бюджетной котировкой — на базе подрядной квалификации 1 класса и опыта зарубежных мостовых проектов.
Эл. почта: market@permanentsteelstructure.com