Материал портала «ДорИнфо» о защите мостов и современных решениях при строительстве искусственных сооружений
В рамках конференции «Мир Мостов», которая прошла в Санкт-Петербурге в конце апреля, специалисты обсудили современные решения в проектировании и строительстве искусственных сооружений, защиту мостов, а также уникальные решения, применяемые при возведении крупных и малых объектов. Подробнее – в материале «ДорИнфо».
Современные решения для защиты мостов
«Кто проектирует большие мосты, те сталкивались с тем, что от воздействия ветра мосты могут колебаться. <…> За последние 60 лет мы провели много исследований, и на сегодняшний день нам известно, что аэроупругих колебаний существует несколько видов, с некоторыми мы знакомы»
Он рассказал, что существуют такие виды аэроупргуих колебаний как изгибно-крутильный флаттер – нарастающие изгибно-крутильные колебания, вызванные несовпадением аэродинамического центра конструкции (точки приложения аэродинамических сил) с его центром тяжести. Также существует вихревое возбуждение – колебания, возникшие вследствие совпадения собственной частоты конструкции с частотой срыва вихрей, галопирование – автоколебания поперек потока, вызванные отрицательным аэродинамическим демпфированием, бафтинг – аэроупругая неустойчивость, возникающая у конструкции, находящейся в турбулентном потоке, срывной флаттер – крутильные колебания, возникающие вследствие периодического срыва вихрей, дивергенция – статическая аэроупругая неустойчивость, возникающая под действием аэродинамического момента, скручивающего конструкцию.
Колебанию подвержены все элементы искусственных сооружений: пролетное строение, пилоны, своды арки, ванты, жесткие подвески и др. Избежать аэроупругих колебаний конструкции можно, если уделять большое внимание этому вопросу на стадии проектирования.
«Ну, китайцы, я не знаю, как смогли пропустить вихревое возбуждение, и мост их вантовый закачался [мост Хумэнь между городами Гуанчжоу и Дунгуань]. Ну это нонсенс какой-то, такие исследования, в каком-то смысле рутинны. При чем мост качался как с автомобилями, так и без автомобилей. То есть это были очень устойчивые колебания. Хотя с наличием автомобиля колебания пропадает, потому что меняется структура»
Он также добавил, что при проектировании важно не перепутать виды колебаний, потому что у них своя причина происхождения. Колебания зависят от большого количества факторов, и если все параметры свести к критериям погоды и провести эксперимент на модели, то данные исследований будут вполне применимы на натурную модель.
Обычно для сложных мостов испытания проходят в два этапа. Для проведения секционных испытаний вырезается часть пролета и располагается на специальном стенде, а для испытаний уникальных мостов, пилонов, арочных и прочих сооружений подбирают уже полноразмерные и крупные модели. Проверятся, как пролетное строение и отдельные элементы могут колебаться в определенном диапазоне скоростей. Эти модели упругоподобные и состоят из двух частей – металлические стержни внутри и внешняя оболочка с правильным распределением масс инерционных характеристик. Таким образом, модель колеблется так, что можно пересчитать колебания на натурное сооружение.
«Как уменьшить колебания, если их нашли. Важно разрушить вихри, тогда мы уберем причину колебаний. Обычно приходится делать что-то вроде дефлектора, либо обтекателя. Можно запроектировать специальные ребрышки, которые работают лучше, чем обтекатели, потому что они зону отрыва потоков очень хорошо разбивают и убирают эти негативные явления. Все эти обтекатели подбираются под конкретный мост и его характеристики»
Среди объектов, на которых применены обтекатели, уменьшающие амплитуду колебания, – мостовой переход Россия-Китай через реку Амур в Амурской области, Крымский мост.
Также о способах снижения аэродинамической нагрузки рассказал представитель по Северо-Западу ОАО «Завод ПРОДМАШ» Николай Логунов. Он отметил, что современные крупные мостовые сооружения, спроектированные по балочной схеме, как правило, имеют в своей конструкции карнизные обтекатели для снижения ветровых нагрузок и уменьшения амплитуды колебаний от ветра. Обтекатели могут состоять из двух частей – верхней и нижней, между которыми предусмотрен горизонтальный проем по всей длине. Специалисты технического департамента завода совместно с инженерами завода-партнера предложили сделать обтекатель цельным и дать ему более выраженный аэродинамический профиль, схожий с профилем крыла самолета. Так, для строительства моста через Волгу на трассе М-11 «Нева» (Москва – Санкт-Петербург) был изготовлен и разработан дефлектор с обтекателем из композитного материала – стеклопластика, имеющего стальной каркас.
Профиль обтекателя выбран с помощью аэродинамических расчетов и подбирается исходя из ветрового района, имеет унифицированный размер элементов. Секции обтекателя, в сборке длиной по 3 метра, крепятся к пролетному строению моста по всей длине. Блок обтекателя может быть выполнен в цельнокомпозитном варианте без применения металлического каркаса, а окрашивание происходит при изготовлении обтекателя, и не требуется окраска готового изделия.
Мостам также необходима разработка элементов, повышающих сейсмоустойчивость сооружения. Об этих технологиях в рамках конференции рассказал генеральный директор ГК «Стройкомплекс-5» Станислав Шульман. Среди способов сейсмозащиты спикер выделил пассивный и активный методы. В первом случае стремятся к тому, чтобы пролетное строение оставалось на опорах во время землетрясения. Для этого используют упоры, стопоры, противосбросные устройства и жесткую схему работы конструкции. В случае активных методов задействуют специальные опорные части, демпферы, амортизаторы, динамические гасители колебаний и комбинированные конструкции.
«При проектировании сейсмозащиты на участке дороги у моря (Сочинская эстакада), у нас было решение такое – пролетное строение ставится на нормальный шаровой сегмент опорной части. Так, самозащиту мы выполнили с использованием стержневых пружин, в народе их называют «столики». То есть, это вот такая, можно считать, гребенка, и гребенку мы вертикальной нагрузке ни в коем случае не предаем. Кроме того, дополнительно, для снижения воздействия мы установили демпферы»
Опасность для мостов представляет и коррозия. Как отметила руководитель проектного отдела компании ООО «Цинкер» Мария Гагарина, коррозия металла – это враг экономики. Спикер подчеркнула, что ежегодный ущерб от коррозии в странах с развитой промышленностью может составить 3-5 % ВВП. До 20 % могут составлять потери металла в результате коррозийных процессов, также коррозия может быть причиной серьезных аварий на производстве с нанесением ущерба экологии и причинением вреда жизни и здоровью персонала.
Технология цинкирования, по словам Марии Гагариной, является полной альтернативой методу горячего цинкования. Среди минусов последнего способа спикер выделила необходимость специального проектирования с дополнительными затратами, невозможность обработать крупногабаритное изделие, которое не помещается в ванну для горячего цинкования. Кроме того, при применении классических антикоррозийных технологий под воздействием высоких температур металлические конструкции меняют геометрию – крепежные отверстия могут не совпадать при монтаже. Также температурные воздействия приводят к снижению несущей способности металлоконструкций. Горячее цинкование исключает использование специальной стойкости к холоду стали, которая применяется при производстве металлоконструкций в арктических районах. В качестве решения этих проблем спикер назвала использование метода цинкирования – антикоррозийную обработку металлов без использования расплавов и ванн. Цинкирование – процесс покрытия железа или стали слоем цинка для защиты от коррозии путем нанесения цинкующего состава. После нанесения состава образуется защитный цинкерный слой с 96 % содержанием активного стабилизированного цинка. Создается устойчивая гальваническая пара, за счет чего защищается от коррозии черный металл электромеханическим способом.
Процесс применения технологии делят на этапы. На первом – подготавливают поверхность: проводят абразивную и механическую очистку. Затем готовят состав, который замешивают миксером или с помощью дрели с насадкой. На третьем этапе для нанесения используют кисть, валик, воздушный или безвоздушный распылитель. После проводят послойную сушку по 30-60 минут согласно ГОСТ 19007-73, а затем с помощью толщиномера измеряют полученное покрытие.
Технологию уже применили на объектах, в частности, на мосту через реку Толмачевка на трассе в Володарском районе Астраханской области. Бюджет на мероприятия составил более 1 млн рублей. Специалисты провели защиту конструкций моста с помощью цинкирующего состава. Также технологию применили на Восточном выезде из Уфы.
Примером проектирования противокарствой защиты мостов поделился исполнительный директор компании ООО «Геозол проект» Павел Чернышев. Специалист рассказал о применении методов на пятом этапе трассы М-12 «Восток» на участке в Нижегородской области. При предварительном осмотре территории была выявлена карстовая опасность, в связи с чем потребовалось выполнить проект защиты для дороги и 19 искусственных сооружений. На территории наблюдалось интенсивное развитие карста: грунты, гипсы, известняки. В части технических решений противокарстовой защиты земляного полотна было предложено применить армирование дорожного покрытия геотекстилем, а также устроить железобетонные плиты в теле насыпи. Защита искусственных сооружений предусматривала ввод в покровную зону и в зону карстующихся пород инъекции специальных составов.
«Все искусственные сооружения в составе трассы находились на свайном основании, либо прямых, либо из буронабивных или забивных свай. Для всех сооружений в стадии прохождения экспертизы были разработаны два типа защиты: первый – увеличение количества свай и площади подошвы, а второй – там, где это было либо технически, либо экономически выполнимо, применялось закрепление карстующих пород для исключения образования полостей под опорой»
Современные решения при строительстве мостов
В рамках конференции также обсуждались актуальные решения при строительстве мостов. В частности, было уделено внимание возведению моста через реку Томь на строящемся Северо-Западном обходе г. Кемерово. Об особенностях монтажа пролетного строения моста рассказал главный инженер проекта компании АО «Институт Стройпроект» Денис Медведев. Мост через Томь, по словам специалиста, является самым крупным и сложным объектом в составе обхода. Пролет переправы представляет из себя классическое строение с двумя коробчатыми балками и ортотропной плитой проезжей части. Высота опор над уровнем воды составляет порядка 27 метров.
При монтаже пролета применяют конвейерно-тыловую сборку с последующей надвижкой. Технология является наиболее удобным и простым решением, а также правильным способом сооружения пролетного строения над водными препятствиями, автомобильными и железными дорогами, когда затруднена возможность производства работ непосредственно в месте пересекаемого препятствия. Сама надвижка – сложная и достаточно технологически трудная система, которая требует контроля большого количества факторов. На одном из берегов сооружается стапель и постоянные опоры оборудуются специальными накаточными устройствами. Пролетное строение на своей передней части оборудуется специальным устройством, которое называется аванбек. Оно позволяет плавно заезжать на накаточное устройство постоянных опор.
«По сборочному стапелю у нас происходит толкание в торец пролетного строения с помощью перемещаемой опоры. Как было сказано, есть несколько вариантов надвижки – либо тянем, либо толкаем. Сборка пролета осуществляется на 127-метровом стапеле с помощью грузового крана. Он имеет только один недостаток – собственно, необходимость иметь грузовой кран»
Промежуточная опора представляет собой, так называемую, подводную часть, общую часть и две стойки, которые при производстве оборудуются специальными накаточными конструкциями длиной 4 метра и поперечными балками, которые необходимы для обслуживания надвижки. Второй надстрой оборудован смотровыми ходами, поэтому вместе с монтажом пролетного строения и надвижкой специалисты строили опоры, окрашивали конструктивные элементы и прокладывали коммуникации. Подобный способ позволил комбинировать работы и сократить сроки производства.
После консультаций дорожники пришли к выводу, что на объекте необходимо задействовать накаточное устройство. Грузоподъемность устройства должны быть порядка 1 тыс. тонн. В процессе надвижки отказались от дополнительных усложняющих систем – таких как, например, система контроля реакций. Накаточное устройство длиной 4 метра и грузоподъемностью 1 тыс. тонн, а также узел напирания позволяет устройству наклониться и перемещаться в зависимости от того, когда аппаратура наезжет. Стапель оборудован перемещающими элементами или же, как их назвал спикер, скользуном. Мостовая часть со сборочной площадки перемещается на скользуны, и «скользит» по пути. На объекте таких скользнув у компании четыре на 120 метров. Их местоположение рассчитано так, что устройства саморазгружаются в процессе того, как торец продвигается к постоянной опоре.
«Как же мы толкаем? Есть специальная система, которая состоит из распределительной балки, которая крепится к главной балке пролетного строения с перемещаемым упором, который двигается по пути скольжения и гидроцилиндром. В данном случае у нас есть шесть гидроцилиндров, мощностью 300 тонн, то есть суммарная сила толкания у нас 1,8 тыс. тонн»
Масса аванбека – 120 тонн. Его угол наклона подобран специальным образом для сборки пролетного строения. Также он имеет сход с передней части, чтобы плавно наезжать на накаточное устройство опор.
На конференции также обсудили технические решения при строительстве первого в России автомобильного моста из алюминия – переправы через реку Линда в Нижегородской области. Об особенностях объекта и перспективах строительства подобных сооружений рассказал начальник ООО «Мостовая инспекция» Вадим Ким. По словам спикера, алюминий – это материал с уникальными характеристиками. Он отличается низким удельным весом, пластичностью и вместе с тем прочностью, ему не страшны ни коррозия, ни низкие температуры. Эти свойства алюминия, а также функциональность, легкость, металлоемкость, конкурентоспособность на жизненном цикле вызывают особый интерес у мостостроителей. В последние три года в Москве, Нижнем Новгороде, Красноярске, Туле и других городах установлено несколько пешеходных мостов из алюминия.
Переправа через реку Линда построена в городе Бор на дороге «Толоконцево – Могильцы» и была открыта в конце 2023 года. При изготовлении главных балок пролетов моста удалось применить уникальный вид сварки – сварка трением с перемешиванием. Кроме того, была продумана технология изготовления элементов коробчатого сечения, заварено и испытано огромное количество образцов сварных соединений, обучены операторы и сварщики, обеспечен контроль качества изготовления мостовых алюминиевых конструкций.
При строительстве алюминиевого моста специалисты столкнулись с рядом проблем. Так, по словам спикера, на данный момент отсутствует нормативная база для проектирования автодорожных мостовых конструкций из алюминиевых сплавов и для заводского изготовления алюминиевых пролетных строений. В ходе доклада специалист также отметил, что конструкции моста подвержены деформациям: грибовидность, перекос полок, саблевидность и коробление. Исправить эти дефекты газопламенным методом, который применяется для стальных конструкций, невозможно. Поэтому допуски деформации на алюминиевом сооружении должны быть отличными от аналогичных допусков для стальных конструкций.
«Кроме того, уже ясно, что некоторые конструктивные особенности должны быть учтены. Например, размер обрезов для крайних отверстий в алюминиевых конструкциях, которые отличаются от аналогичных размеров стальных конструкций мостов. Не решен вопрос с изготовлением высокопрочных болтов для мостов из алюминиевых сплавов. Применение болтов из стали 40Х для алюминиевых мостов также не изучено. Вопрос о покраске конструкций пока не стоит, но, возможно, фасадные части конструкции, которые будут эксплуатироваться в городских условиях, лучше красить»
Он также подчеркнул, что ввиду несовершенства нормативной базы специалисты службы качества предприятия совместно с «Мостовой инспекцией» разработали стандарт предприятия по контролю качества мостовых алюминиевых конструкций, в котором учли все необходимые контрольные операции в соответствии с требованиями проекта.
