Металлические конструкции в транспортном строительстве

Между несущими и стабилизирующими вантами располагаются стойки. Двухпоясные покрытия должны быть преднапряженными: несущие и стабилизирующие ванты должны быть растянутыми, а стойки в схеме «а» также растянутыми, в схеме «б» – сжатыми, в схеме «в» – в средней части – сжатыми, в приопорной части – растянутыми.

а

б

в

Рис. 8.15. Двухпоясные вантовые покрытия:

а– покрытие вогнутой формы; б – покрытие выпуклой формы;

в– комбинированное покрытие

150

Расположение вант на рис. 8.15, а предусматривает два опорных контура и внутренний водоотвод, но зато здесь стойки работают на растяжение и, соответственно, имеют меньшую металлоемкость. Схема, изображенная на рис. 8.15, б, предусматривает только один опорный контур и внешний водоотвод, но при этом стойки работают на сжатие и, соответственно, имеют большую металлоемкость. Схема, изображенная на рис. 8.15, в, предусматривает два опорных контура и внутренний водоотвод, но с меньшей длиной водоотводящей системы. Металлоемкость стоек, несмотря на то, что стойки в средней части работают на сжатие, является минимальной, т. к. существенно уменьшается их длина. Строительная высота постройки (h) при одинаковых стрелах провисания (fco и fho) получается

наибольшей для схемы а и наименьшей для схемы в.

Высота здания (H1) (высота стенового заполнения) получается

наибольшей для схемы а.

Очертание вант должно соответствовать распределению внешней нагрузки: при равномерном распределении очертание делается по квадратной параболе, при распределении нагрузки по треугольнику – по кубической параболе.

Стрелки для несущих и стабилизирующих вант назначаются в пределах (1/8–1/20)l. Шаг стоек определяется размером плит покрытия.

Расчет двухпоясных вантовых покрытий выполняют с помощью программных комплексов. При этом, учитывая геометрическую нелинейность системы, следует использовать пошаговый метод.

8.2.3. Тросовые фермы

Один из вариантов тросовых ферм приведен на рис. 8.16. Все элементы таких ферм изготавливаются из тросов.

Рис. 8.16. Тросовая ферма

151

Тросовые фермы должны быть преднапряженными, пояса и раскосы должны быть предварительно растянутыми, при этом усилие растяжения должно перекрывать сжимающее усилие, возникающее в стержне после приложения внешней нагрузки, на 10–15 %. Узел сопряжения стержней из тросов см. на рис. 8.17.

Рис. 8.17. Узел сопряжения тросовой фермы

Тросовые фермы являются статически неопределимыми (в общем случае пять раз). Если предположить, что опоры тросовых ферм являются неподвижными, и в коньке (по центру пролета) соединить верхний пояс и нижний пояс в один узел, то тросовая ферма становится дважды статически неопределимой. Задача решается методом сил. Усилия в стержнях определяются дважды: от внешней нагрузки и от единичных сил (последовательно каждый раскос заменяется единичной силой).

Далее, сопоставляя усилия от внешней нагрузки и от единичных усилий в раскосах, назначают усилия преднапряжения таким образом, чтобы в сжатых стержнях суммарные усилия от внешней нагрузки и от преднапряжения были растягивающими, а их значения на 15–20 % превышали сжимающие усилия от внешней нагрузки.

По наибольшим усилиям до приложения внешней нагрузки или послеприложения внешней нагрузки подбираются сечения стержней.

8.2.4. Седловидные вантовые покрытия

Схема покрытия в виде седловидной вантовой сетки приведена на рис. 8.18.

152

.

Рис. 8.18. Седловидное вантовое покрытие

Поверхность покрытия в виде седловидной сетки – гиперболический параболоид. Сетка образуется несущими вантами (провисающими) и стабилизирующими (вакуумными). Сетка должна быть преднапряженной. Преднапряжение может быть осуществлено натяжением вант или за счет опускания верхних узлов опорного контура (для осуществления этого процесса нижние узлы опорного контура на время опускания должны быть шарнирными).

Расчет вантовых сеток осуществляется с помощью программных комплексов с использованием пошагового метода.

8.2.5. Комбинированные системы

Один из вариантов комбинированной системы, используемой в качестве несущей части покрытия, приведен на рис. 8.19.

Комбинированные системы используются также в качестве пролетных строений мостов. Комбинированная система состоит из балки жесткости 1, подвешенной на вантах. Регулирование усилий в вантах позволяет оптимизировать эпюру изгибающих моментов.

Определение усилий в элементах комбинированной системы осуществляется методами строительной механики.

153

9. ПОДВЕСНЫЕ И ВАНТОВЫЕ МОСТЫ

Висячие мосты. Кто первый соорудил висячий переход над рекой или ущельем – сказать трудно. Известно, что большому мосту через р. Минь в провинции Сычуань (КНР), подвешенному к бамбуковым тросам диаметром более 10 см, перевалило за 1000 лет.

Прообразом современных висячих мостов послужили, быть может, подъемные мосты через каналы у средневековых крепостей и замков, опускавшиеся в горизонтальное положение на цепях. Первым большепролетным мостом, подвешенным на цепях, закрепленных на двух пилонах в виде триумфальных арок, стал мост Ланцхид (50+202,4+50) в Будапеште, построенный в 1839–1849 гг., а в Петербурге, правда меньшего пролета, такой мост работал с 1823 г.

Эти образы и прообразы были воплощены в конкретные висячие конструкции трудами немца по происхождению Д. О. Реблинга (1806–1869), окончившего Политехнический институт в Берлине, а затем эмигрировавшего в США, чтобы посвятить себя там сельскому хозяйству. Однако он занялся сперва реализацией своего изобретения, изготовляя прочные гибкие канаты из тонких стальных проволок, а затем – его внедрением. В 1844–1855 гг. Реблинг построил по своему проекту семипролетный по 50 м акведук, пролеты которого были подвешены к канату диаметром около 18 см. Затем последовали акведуки и мосты висячей конструкции всевозраставших пролетов, в строительстве которых ему уже помогал сын В. О. Реблинг (1837–1926). В 1869 г. отец и сын, опираясь на имевшийся у них опыт и авторитет, взялись за сооружение моста через Ист-Ривер в Нью-Йорке, чтобы соединить Бруклин и Манхеттен, не мешая судоходству по реке. Бруклинский мост Реблингов (287+485+287 м), открытый для движения в 1883 г., – одно из крупнейших событий в истории строительной техники и архитектуры. И может быть, именно о нем написаны строки:

Мост ажурный на фоне неба в линию. Попробуй, вынь его из неба синего – Станет сразу пусто.

Значит, мост этот – искусство.

Центральный 485-метровый пролет вантового моста, проезжая часть которого поднята на 40 м над уровнем воды, подвешена на четырех мощных канатах, каждый из которых сплетен из 5296 про-

155

волок диаметром по 4 мм, закрепленных на мощных каменных пилонах. Фермы жесткости проезжей части и наклонные ванты от вершин пилонов к фермам обеспечивали жесткость моста в вертикальном и из плоскости направлениям, придавали ему красоту и выразительность. Возросшие интенсивность движения и нагрузки вынудили разобрать этот мост, находившийся в отличном состоянии, и заменить его арочным.

Соперничество венгерских и американских строителей продолжалось строительством в 1898–1903 гг. еще одного цепного моста Эржебет (44+290+44 м) в Будапеште, цепи которого впервые закреплены на металлических, а не на каменных пилонах. В том же 1903 г. было закончено строительство еще одного моста через ИстРивер в Нью-Йорке – Вильямсбургского, четыре каната которого закреплены также на металлических пилонах. Главный пролет моста – 486,4 м. Решетчатые пилоны, тяжелые решетчатые фермы жесткости проезжей части этого моста, скверные пропорции размеров тех и других служат примером неудачного архитектурного решения. О таком мосте писать стихи не станут. В 1909 г. закончено строительство третьего висячего и второго кабельного моста через Ист-Ривер в Нью-Йорке – Манхеттенскогого (главный пролет – 448 м) с металлическими пилонами чуть красивее Вильямсбургского. В отличие от первого, Бруклинского, проезжая часть всех этих мостов подвешена к кабелям или цепям вертикальными подвесками.

Новый цепной мост, на этот раз через Рейн в Кельне (92+184,5+92,2 м), построенный в 1915 г., хоть и во многом похож на мост Эржебет в Будапеште, но отличается стройностью архитектурной формы металлических, хотя тоже арочных, пилонов, а также тем, что нагрузка от цепей передана на балки жесткости, а не на специальные фундаменты с башнями-противовесами над ними.

Поляк по происхождению Р. Иоджеевский, ставший затем гражданином США, после нескольких крупных мостов построил в 1926 г. самый тогда большепролетный кабельный мост через р. Делавар

вФиладельфии. Рекордный средний пролет 534 м, стальные упругие пилоны высотой 114 м, вертикальные подвески и изящные фермы жесткости – все пропорции этого моста поставили его в ряд наиболее красивых мостов мира.

После ряда цепных и кабельных мостов различных пролетов

в1931 г. кабельный мост Георга Вашингтона через Гудзон в Нью-

156

Йорке преодолел километровый пролет: 198+1068+198 м. Чуть более 80 лет понадобилось для того, чтобы увеличить в 5 раз пролет первого висячего (цепного моста) через Дунай. Интересно, сколько пройдет лет после 1931 г, пока будет перекрыт двухкилометровый пролет. Есть проект моста через Мессинский пролив, главный пролет которого равен 3300 м. Еще грандиознее проект моста через Гибралтарский пролив. Пока первенство держит мост через залив Хамбер в Англии: 1400 м.

В 1933–1937 гг. по проекту И. Штрауса построена одна из достопримечательностей Америки – автодорожный мост через пролив Золотые ворота, соединяющий залив, на берегах которого расположен Сан-Франциско, с Тихим океаном. Пролеты этого моста – 343+1280+343 м. Высота его пилонов – 227 м. Тончайшие по сравнению с пилонами и фермами жесткости кабели и подвески, удачно выбранный по контрасту с водой и небом оранжевый цвет моста, его пропорции эффектны и целесообразны; мост награжден «за красоту» Американским институтом стальных конструкций.

После еще нескольких кабельных мостов: через оз. Мичиган

(584,6+1158+584,6 м), 1957 г.; в Нью-Йорке (370+1299+370 м), 1964 г.;

через Тахо у Лиссабона (98,6+483,4+1012,9+483,2+99 м), открытого для движения в 1966 г.; и моста через Босфор (231+1074+255 м), в 1973 г. – произошел возврат к вантовым мостам. Первый мост из Европы в Азию через Босфор построен Дарием в 500 г. до н. э. Он был понтонным из кораблей. Нынешний – кабельный, пилоны которого стоят на берегу, поднятые на 165 м над уровнем моря. Кабели из 12 пучков по 548 проволок диаметром 5 мм. Они свиты на месте по методу, разработанному в США еще 90 лет назад. Проезжую часть поддерживают 118 подвесок. При проектировании этого моста учтена сейсмичность в 10 баллов и ветер 100 км/ч. Есть по меньшей мере три причины возвращения к вантовым мостам: они проще в производстве работ; архитектурно более выразительны; ванты обжимают балки проезжей части, что позволяет выполнять их железобетонными предварительно-напряженными.

Пилоны современных вантовых мостов располагают по бокам проезжей части, но не соединяют вверху поперечинами, а строят их ˄-образными, пропускающими проезжую часть между ногами пилонов, или размещают их и по оси проезжей части, могут ограничиваться даже одним пилоном на одном из концов моста. Ванты рас-

157

полагают радиально расходящимися от вершин пилонов. Делают их и параллельными по системе «арфа».

Однако пролеты вантовых мостов скромнее, чем кабельных: пока перекрыт «всего» 320-метровый пролет.

Первый большой вантовый мост построен в 1956 г. через Фиорд Стромзунд в Швеции. Наиболее красивы и инженерно совершенны Северинский мост через Рейн в Кельне, в Гамбурге и через Дунай в Братиславе. Поиски и находки в их проектировании заслуживают внимания.

Первоначальный проект кабельного моста в Кельне был отвергнут, так как его высокие пилоны, кабель и подвески портили бы обозрение панорамы города, мешали виду на Кельнский собор – знаменитый средневековый памятник готической архитектуры. Принят и исполнен в 1955–1959 гг. проект Г. Ломера, предложившего новое тогда решение моста с одним ˄-образным 85-метровым пилоном, сдвинутым к противоположному от собора берегу. Острый силуэт пилона дополняет стройность шпилей и уравновешивает массу объема собора на другом берегу Рейна. Шесть пар радиальных вант, расходящихся по обе стороны от пилона, образуют благодаря его форме геометрически неизменяемую устойчивую конструкцию над основными пролетами моста 301,67+150,68 м.

Стройные, малой высоты линии тротуаров, отбрасываемая ими тень зрительно уменьшают 4,75-метровую высоту балок жесткости проезжей части: внимание привлекает только узенькая легкая полоска стальной накладки, закрывающей торцы тротуарных консолей. Мост от этого кажется еще изящнее.

Вантовый мост им. Словацкого народного восстания через Дунай в Братиславе – еще одно новое слово в истории мостостроения. И тут на этот раз А-образный 87-метровый пилон сдвинут в противоположную от высокого берега сторону, но впервые наклонен от основного 303-метрового пролета, поддерживая его радиальными вантами, шаг которых возрастает по мере удаления от пилона. В ногах пилона лестница и лифт, поднимающиеся к его верхней части, где размещен ресторан. Из окон открывается вид на панораму Братиславы над Дунаем. Скрытая от зрителя качающаяся опора над балками моста не мешает видеть главный пролет, что лишний раз подчеркивает легкость и динамичность моста.

158

В1823 г. построен в Петербурге в Екатерингофском парке первый висячий пешеходный мостик над каналом. Построен П. П. Базеном, до нашего времени не сохранился.

Втом же 1823 г. В. А. Христиановичем по проекту Г. Третера построен цепной Пантелеймоновский мост через Фонтанку у Летнего сада пролетом 43 и шириной 11 м. В 1826 г. построен 55-мет- ровый Египетский мост по проекту Христиановича. В 1825–1826 гг. построены еще три цепных моста: Почтамтский, Львиный и Банковский. Два последних украшают фигуры львов и грифонов, выполняющих роль пилонов: цепи, пропущенные через рты и тела фигур, заанкерены под их постаментами. Египетский мост разрушился от колебаний, вошедших в резонанс с мерным шагом проходившего по мосту в 1905 г. эскадрона гвардейской кавалерии. Пантелеймоновский был разобран и заменен арочным (мост Пестеля) под новые нагрузки.

В1854 г. по проекту Виньоля построен был в Киеве единственный в своем роде мост с шестипролетными неразрезными цепями.

В1920 г. он был разрушен отступавшими белополяками, в 1925 г. – восстановлен четырехпролетным 36+143+143+36 м с неразрезанными цепями по проекту Е. О. Патона, а в годы Отечественной войны вновь был разрушен. Теперь вместо него цельносварной балочный мост Патона, открытый для движения в 1952 г.

В1936–1938 гг. в невиданно короткие сроки построен цепной Крымский мост 47,75+168+47,75 м (арх. А. В. Власов, инж. Б. П. Константинов и др.). Цепи этого моста по традиции набраны из стальных пластин длиной 5–7 м на ребро. Его изящные пропорции и формы – украшение Москвы.

В1963 г. построен вантовый мост 65,85+144+65,85 м через гавань Днепра в Киеве с радиальным расположением вант и с железобетонными обжатыми балками жесткости. Затем следуют вантовые мосты через Шексну в Черновцах, через Даугаву в Риге пролетом

312 м и др.

159