Металлические конструкции в транспортном строительстве

Значительный вклад в теорию и практику строительства мостов в XIX в. был сделан выдающимися русскими инженерами и учеными Д. И. Журавским, С. В. Кербедзом, Л. Д. Проскуряковым, Ф. С. Ясинским.

Вконце IX в. были построены висячий Бруклинский мост с пролетом 486,5 м в США по проекту инж. Реблинга (1883 г.) и неразрезной консольный Фортский мост с пролетом 521 м в Англии по проекту инженеров Фаулера и Беккери (1890 г.).

Дальнейшие успехи в области мостостроения в XX в. связаны

сразработкой новых конструктивных форм мостов, увеличением пролетов, введением в мостостроение сварки и использованием легированных сталей, обладавших наиболее высокими механическими и технологическими характеристиками.

Впервой половине XX столетия в США начали строить мосты

ссамыми большими пролетами. Нью-Йорк, разобщенный широкими водными путями, испытывал потребность в постройке мостов с широкими пролетами. Более 20 лет Бруклинский мост удерживал титул самой большепролетной конструкции в мире. Мост Williamsburg

спролетом 487,5 м, построенный в 1903 г., ненамного превысил рекорд Бруклинского моста. На висячем мосту Williamsburg впервые использовались стальные пилоны. Построенный в 1909 г. Мост Manhattan хотя и уступал своим двум знаменитым предшественникам по величине перекрываемого пролета, но его пилон являет собой образец архитектурного искусства. Кроме того, на мосту была использована самая гибкая на тот период времени балка жесткости.

Опыт, накопленный американскими инженерами при строительстве мостов в Нью-Йорке, широко использовался в других регионах Америки. Так, например, в 1942 г. был построен мост Bear Mountain, перекрывший пролет 497 м. Двумя годами позже на мосту Camden через реку Делавр (Delawar) в Филадельфии был перекрыт пролет 533 м. Мост, предназначенный для пропуска поездов и автомобилей, имел ширину 39 м. Но спустя еще три года мост Ambassador в Дейтройте, перекрыв пролет 564 м, превысил абсолютный рекорд, принадлежавший консольному мосту в канадской провинции Quebec.

В1931 г. Было открыто движение по мосту George Washington. Мост с решетчатой фермой жесткости перекрывал пролет 1067 м. Высота его пилонов составляла 183 м.

10

Предполагалось, что решетчатый пилон должен был выполнять функцию арматурного каркаса. Но впоследствии от идеи бетонирования пилона отказались.

На изготовление четырех кабелей моста потребовалось 172 000 км проволоки. Первоначально предполагалось устроить два уровня с восьмью полосами проезда. Ферма массой 56 000 т имела высоту 3 м и обеспечивала мосту достаточную жесткость. Второй уровень проезда был устроен в 1962 г.

Строительство большепролетных висячих мостов сопряжено со значительными экономическими затратами и предполагает решение сложных технических проблем, поэтому их строительство предопределяется особыми условиями. Такие условия имели место на западном побережье США в проливе Golden Gate между СанФранциско и полуостровом Marin. Для пролива Golden Gate характерны штормовые океанские течения и частые туманы.

Проект моста разработал Йозеф Штраусс (Joseph Strauss), который еще в 1917 г. предложил перекрыть пролив консольно-подвес- ной системой. Консультантом по проекту был Ирвинг Морроу, использовавший в дизайне моста элементы стиля арт-деко.

Сложные метеорологические условия, высокая сейсмичность, интенсивное судоходство, требующее беспрецедентной высоты подмостового пространства, стремление добиться высочайшего эстетического эффекта предопределили потребность применения висячей системы. Возвышающиеся над морской гладью пилоны подчеркивали грациозность моста. Даже в паводок они возвышались на 227 м над водой. Ферма жесткости, более узкая, чем у моста George Washington, размещалась над невообразимой до того времени высоте. Главный пролет моста длиной 1280 м в течение 20 лет был самым большим пролетом в мире. Каждый кабель диаметром 91 см состоял из 27 572 проволочек, предварительно уложенных в 61 жилу по 452 проволочек в каждой. Подвески моста установлены с интервалом 15 м. Работы начались в 1933 г. В береговые анкерные опоры было уложено 50 000 т бетона. Опора под пилон, расположенная со стороны Сан-Франциско на расстоянии 335 м от берега, сооружена на тридцатиметровой глубине – фактически в океане. Для связи со строящейся опорой была установлена временная эстакада. В августе 1935 г. строители приступили к прядению кабеля, а уже 27 мая 1937 г. по мосту прошли первые 20 000 пешеходов. Вскоре было открыто и ре-

11

гулярное движение. Мост, пропускающий ежедневно 120 500 автомашин, стал символом не только Сан-Франциско, но и всей Америки.

Мост был выкрашен оранжево-красной краской, содержащей в себе свинцовый компонент, что делало его более заметным в туманную погоду. Но в условиях повышенной влажности краска постепенно разлагалась, оказывая на окружающую среду вредное воздействие. Несколько участков моста выкрасили в серый цвет, но это отступление от традиции поддержки не нашло. В настоящее время идет поиск оптимальных решений по применению безвредных соединений.

В1957 г. в штате Мичиган был построен мост Mackinac Straits. Мост состоял из среднего 1154-метрового пролета и двух крайних суммарной длиной 549 м. Общая длина моста от одной анкерной опоры до другой составляла 1626 м. Это позволяло мосту в течение 36 лет быть самым длинным пролетным строением в мире.

В1964 г. в Нью-Йорке был построен мост Verrazano Narrows, побивший множество рекордов. Имея самый большой пролет в мире, мост являл собой образец простоты и надежности. Платформа ездового полотна поддерживалась четырьмя кабелями (общая длина проволок составляет 56 000 км). Длина главного пролета – 1298 м. 12 полос для автомобильного транспорта размещались на двухъярусной платформе шириной 30 м, расположенной на 66-метровой высоте над водной поверхностью. Высота фермы жесткости – 7,3 м, что составляет 1:178 часть от перекрываемого пролета. Вес стальных конструкций – 144 000 т.

Огромные 207-метровые пилоны подкупают своей простотой

имощью, что способствует ощущению уверенности. Мост Verrazano Narrows явился эффектным завершающим аккордом столетнего превосходства США в области строительства висячих мостов. Из большепролетных мостов, построенных в других странах, следует отметить второй Фортский мост в Шотландии.

Виюне 1998 г. в Дании был построен самый большой в Европе висячий мост через пролив Great Belt.

Центральная часть моста перекрывает пролет 1624 м, два боковых пролета имеют длину по 535 м. Подмостовое пространство перехода обеспечивает судовой ход шириной 750 м и высотой 65 м. Размеры моста столь велики, что иллюстрация в формате страницы не позволяет выявить его конструктивные особенности. Поэтому рассмотрим его по отдельным фрагментам.

12

Пилон возвышается над водой на 254,1 м. Подошва фундамента опоры под пилон расположена на отметке минус 21 м относительно поверхности воды. Ширина фундамента по фасаду – 35 м, поперек оси моста – 7,1 м. Ширина анкерной опоры по фасаду – 121,5 м, поперек – 54 м.

Монтаж балки жесткости осуществлялся с помощью плавучих кранов укрупненными коробчатыми блоками.

Примечательным являлся тот факт, что мост буквально поставлен на морское дно. Под опорами моста нет ни одной сваи. Фундаменты опор опираются на предварительно выровненное, естественное основание.

Окончание XX века мировое мостостроение ознаменовало строительством уникального моста AKASHI KAIKYO BRIDGE (AKB) в Японии. Мост AKB с тремя пролетами и двухуровневой фермой жесткости имеет длину 3910 м. Центральный пролет – 1990 м.

AKB превзошел на 580 м мост Humber в Англии (с центральным пролетом – 1410 м) и стал самым длинным висячим мостом в мире.

Первоначальный проект AKB предполагал устройство железнодорожных линий, но в 1985 г. правительством было принято решение по использованию его только для автомобильного движения. В апреле следующего года были начаты различные исследования и предварительные технические процедуры. Фактически строительство началось в мае 1988 г. и продолжалось, как и ожидалось, десять лет. За это время в строительство моста были вложены колоссальные средства, поэтому и сегодня проезд по мосту стоит 27 USD.

Пролив Akashi имеет ширину приблизительно 4 м, максимальную глубину 110 м и максимальную скорость водного потока 4,5 м/с. С древних времен пролив является областью интенсивного рыболовства. Кроме того, это важный водный путь, по которому проходит более 1400 судов в день. В соответствии с международными нормами морского судоходства безопасная ширина фарватера должна составлять не менее 1500 м.

Значительная длина центрального пролета делает структуру более восприимчивой к влиянию ветрового потока – его аэродинамическому воздействию. Поэтому проблема обеспечения аэродинамической устойчивости становится наиболее важной для проекта.

Для гарантии аэродинамической стабильности проектируемого моста была построена и испытана модель в масштабе 1:100. Ведь

13

такой супер-структуре предстоит противостоять ветровому потоку в проливе со скоростью 80 м/с.

Два типа землетрясений учитывалось в проектировании моста. Первый – 8,5 баллов по шкале Рихтера (Richter), возникающий в недрах океанского дна на расстоянии 150 км от моста.

Второй – землетрясение с текущим циклом 150 лет в пределах радиуса 300 км.

Наиболее мощное зарегистрированное землетрясение с эпицентром в Hanshin составляло 7,2 баллов по шкале Рихтера.

Фундаменты двух главных пилонов AKB воспринимают приблизительно 100 000 т давления. С учетом естественных условий на участке моста фундаменты заложены на глубине 60 м ниже уровня моря. Из-за сильного водного потока им придана круглая форма (диаметр одного фундамента составляет 80 м, другого – 78 м). Эта форма, как оказалось впоследствии, была наиболее устойчивой и оптимальной для строительства.

При сооружении моста использовались новые технологии, новые материалы и разнообразное высокотехническое оборудование.

Стальные фермы оболочек фундамента изготавливались на заводе. Оболочки фундаментов пилонов собирались на строительной площадке и буксировались к месту погружения.

Для сооружения анкерной опоры, расположенной на острове Авайджи (Awaji), использовался метод монолитной «стены в грунте». Стена формировалась на глубине 65 м.

В пространство, ограниченное стенкой, уложено приблизительно 380 000 м3 бетона. Это самое большое в мире основание для опоры.

Главные пилоны AKB должны быть достаточно прочными и гибкими для обеспечения передачи приблизительно 100 000 т давления через седловидные опорные части, установленные на вершинах пилонов. При проектировании пилонов они были разделены на 30 участков так, чтобы максимальный вес материалов, составляющих каждый участок, не превышал 160 т. Стальные сварные блоки пилонов были изготовлены на заводе с высокой точностью углов сопряжения и собраны на болтах на участке строительства. Стальные компоненты главных пилонов были изготовлены с высоким уровнем (степенью) точности и соединены вместе на участке строительства. Установленная точность в угле отклонения от вертикали каждой башни при ее сборке составляла 20 с.

14

Пилоны AKB выше, чем пилоны любого другого когда-либо построенного висячего моста. Следовательно, ветер возбуждает колебания, которыми было трудно управлять при специфических комбинациях направления ветра и его скорости. Поэтому как при строительстве, так и после его завершения использовались различные контрмеры, включая установку TMDS (настроенные массовые демпферы).

При монтаже применены кабели полной заводской готовности из стальной высокопрочной проволоки (RS = 180 кг/мм2). Полная длина использованных проволок – 300 000 км. Каждый кабель включал 290 прядей, состоящих из 127 отдельных покрытых цинком стальных проволок диаметром 5,23 мм. Монтаж кабеля осложнялся большими приливами и отливами, скоростью воды (от 8 до 9 узлов) и интенсивным морским движением, поэтому при монтаже кабеля использовался вертолет, чему предшествовали специальные тренировки.

Общий объем высокопрочной стали для балки жесткости моста составил приблизительно 90 000 т. Монтаж сверхукрупненных блоков весом 30 000 т осуществлялся с применением плавучего крана огромной грузоподъемности.

Области применения металлических конструкций:

1.Каркасы производственных зданий (колонны поперечных рам, ригели в виде ферм или балок), технологические конструкции (подкрановые конструкции, балочные площадки), элементы фахверка (горизонтальные и вертикальные связи); несущие и ограждающие элементы покрытий.

2.Транспортерные галереи (стойки, пролетные конструкции).

3.Пролетные строения мостов.

4.Листовые конструкции (резервуары, газгольдеры, бункеры, трубопроводы, сосуды нефтегазохимической промышленности).

5.Покрытия большепролетных общественных зданий.

6.Каркасы высотных зданий (небоскребов).

7.Металлические конструкции грузоподъемных кранов, экскаваторов.

8.Металлические конструкции гидротехнических сооружений.

9.Радиотелескопы, антенны космической связи.

10.Формы для изготовления железобетонных конструкций.

Основными преимуществами металлических конструкций являются:

15

1.Легкость (масса металлических конструкций примерно на порядок меньше аналогичных конструкций, изготовленных из железобетона).

2.Транспортабельность (возможность членить конструкции на отправочные марки, металлические конструкции лучше воспринимают динамические нагрузки, неизбежные при транспортировке).

3.Высокая технологичность как в процессе изготовления, так

имонтажа (металл можно гнуть, резать; соединения можно осуществлять с помощью сварки, болтов, заклепок, саморезов).

4.Высокая однородность и изотропность по сравнению с железобетоном и деревом, что в большей степени соответствует расчетным предпосылкам.

5.Непроницаемость, которая в большей степени соответствует требованиям к сосудам для хранения жидкостей и газов.

6.Большая стабильность свойств (особенно у сплавов алюминия).

7.Более простое усиление металлических конструкций по сравнению с конструкциями из железобетона и дерева.

8.Высокая приспособленность для крепления технологического оборудования.

9.Себестоимость, в значительно меньшей степени зависящая от массовости изготовления.

10.Возможность полной утилизации металлических конструкций. К недостаткам металлических конструкций следует отнести низ-

кий предел огнестойкости (0,25–0,4 часа для стальных конструкций и 0,05–0,07 часа для конструкций из сплавов алюминия) и подверженность обычных нелегированных сталей коррозии.

Требования к металлическим конструкциям:

1.Соответствие заданным условиям эксплуатации.

2.Надежность и долговечность.

3.Минимальная стоимость по расходу металла при изготовлении, монтаже и эксплуатации.

4.Технологичность и транспортабельность.

16

1. МЕТАЛЛЫ ДЛЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

1.1. Основные свойства металлов

Для изготовления металлических конструкций используются преимущественно стали и в редких случаях сплавы алюминия. Сталь – это железоуглеродистый сплав, основными элементами которого по степени влияния являются железо и углерод. Сплавы алюминия, применяемые в металлических конструкциях, изготавливаются на основе алюминия и одного или нескольких легирующих элементов.

Материалы, используемые для изготовления металлических конструкций, должны обладать следующими свойствами: сопротивлением статическим и динамическим воздействиям, пластичностью, сопротивлением расслоению и свариваемостью.

Сопротивление статическим воздействиям характеризуется пределом пропорциональности, пределом текучести и временным сопротивлением. На рис. 1.1, где приведена зависимость между напряжениями (σ) и относительными деформациями (ε) при растяжении образца, указанные характеристики обозначены соответственно: σp, σy, σu.

Рис. 1.1. Диаграммы «напряжение – деформация»:

а– для малоуглеродистой стали; б – для низколегированной стали;

в– для сплава алюминия

Предел пропорциональности – это наименьшее напряжение, при котором нарушается линейная связь между напряжениями и деформациями. Предел текучести может быть физическим (для низкоуглеродистых сталей) и условным.

17

Физический предел текучести – это наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без увеличения растягивающих напряжений. На рис. 1.1, а физическому пределу текучести соответствует «площадка текучести» (горизонтальная часть диаграммы «напряжение – деформация»). Условный предел текучести (σ02) – это напряжение, при котором остаточное удлинение образца составляет 0,2 %. Условный предел текучести используется для металлов, диаграмма которых не имеет «площадки текучести» (рис. 1.1, б и в).

Сопротивление динамическим воздействиям характеризуется ударной вязкостью, которая определяется как отношение работы, расходуемой для ударного излома образца, к поперечному сечению образца в месте излома.

Пластичность (max) характеризуется отношением приращения

расчетной длины образца после его разрыва к первоначальному значению расчетной длины. Сопротивление расслоению определяется наименьшим диаметром стержня, вокруг которого образец загибается на 180° без появления трещин.

Свариваемость – это свойство металла образовывать сварные соединения без снижения его механических характеристик. Свариваемость определяется химическим составом стали.

Например, повышенное содержание углерода, ухудшает свариваемость.

1.2.Химический состав сталей

Всталях на долю железа приходится 90–98,5 %, а доля углерода составляет 0,09–2 %. Кроме указанных элементов в сталях присутствуют кремний, марганец, медь, хром, никель, фосфор и сера. Влияние химических элементов на свойства стали указано в табл. 1.1.

18

Окончание табл. 1.1

Примечания: Знак + обозначает увеличение (улучшение); «+» – значительное увеличение; – означает уменьшение (ухудшение); «–» – значительное уменьшение.

Фосфор и сера относятся к вредным примесям: фосфор делает сталь «хладноломкой», склонной к хрупким разрушениям при отрицательной температуре, а сера – «красноломкой», склонной к образованию трещин при высокой температуре, например, при сварке. В то же время вредные примеси могут оказывать и положительное влияние: фосфор значительно повышает коррозионную стойкость стали, а сера облегчает обработку стали резанием. Присутствие фосфора и серы в составе стали обусловлено химическим составом руды. Кроме фосфора и серы, на свойства сталей отрицательно влияют кислород и азот. Однако азот (символ этого элемента – буква «А») в химически связанном состоянии с алюминием, титаном, ванадием (символ – «Ф») и ниобием (символ – «Б») используется для улучшения свойств стали.

При этом содержание азота, как правило, не превышает 0,03 %. В состав легированных сталей специально вводят химические элементы, улучшающие те или иные свойства. Для этой цели, кроме ранее названных элементов, используют алюминий, вольфрам, марганец, медь, молибден, никель, титан, хром и фосфор (для повыше-

ния коррозийной стойкости).

1.2.1. Структура стали

Структура – порядок расположения частиц (атомов, молекул), а также их группировки в более крупные скопления (кристаллы, зерна).

19