2. Закрытые спиральные канаты.

А. Конструкции канатов.

Принципиальная конструкция закрытого спирального каната показана на рисунке. Спирально расположенные слои Z - образных проволок охватывают сталь­ной сердечник, выполненный из спирального канта. Фа­сонная Z - образная высокопрочная проволока изготавли­вается прочностью до 1570 МПа согласно DIN 779.

Канат отличается от спирального мостового кана­та тем, что имеет замкнутую оболочку из слоев плотно уложенных (зазор 0,3 мм) друг к другу Z - образных про­волок. Слои замыкаются друг с другом, образуя «замки» и практически не оставляют пустот. Проволоки в канате оцинкованы. Полость между проволоками в процессе на­вивки каната заполняется полиуретаном с цинковым на­полнителем, срок подвижности которого задается на пе­риод монтажа канатов. Канаты после монтажа следует окрашивать. Такая конструкция позволяет отказаться от дорогостоящей защиты от коррозии, применяемой для канатов из параллельных проволок. Сечение канатов может быть очень большим. Так, в городе Гильзенкирхен в Германии на заводе Bridon-Thyssen находится установка, позволяющая изготавливать канаты диаметром до 180 мм.

Б. Характеристика канатов.

Закрытый спиральный канат имеет меньший, по сравнению с канатом из парал­лельных проволок модуль деформации. Он обычно составляет 1,6*10⁵ …1,7*10⁵ МПа.

Модуль деформации во многом зависит от шага свивки. Закрыто­му несущему канату присуща физическая нелинейность. Модуль деформации меняется в зависимо­сти от усилия в канате. Чем больше усилие, тем больше модуль де­формации.

Принято, что деформация закрытого несущего каната скла­дывается из трех составляющих:

1 - упругое удлинение проволок в канатах;

2 - упругое удлинение как резуль­тат изменения структуры кана­та «spring effect»;

3 - удлинение от постоянных воз­действий как результат изме­нения структуры каната (вклю­чает ползучесть).

Диаграмма нагружения витого закрытого каната с четырьмя слоями Z - проволок изображена на рисунке. Образец каната диаметром 83 мм с двумя установленными анкерами длиной 5 м, был подвергнут 10 циклам нагружения до расчетного усилия (47,5% разрывного) и разгрузке (5% разрывного). Модуль был практически стабилизирован на втором третьем цикле и в дальнейшем не менялся. Физическая нелинейность в диапазоне нагружений практически отсутствует: модули в диапазоне нагружений 10% от разрывного и 40% от раз­рывного имеют отличие в 1%. Вес каната составляет 42,6 кг/м.

На рисунке показана диаграмма растяжения указанного каната. Канат был доведен до разрушения. На графике видна линейная зависимость удлинения каната в диапазоне нагружений до 50…55% от разрывного. Далее прослеживается нелинейный участок и текучесть проволок. Разрыв первых проволок наступает при усилии 7350 КН, потом опять растет усилие и вновь – разрыв. Минимальное разрывное усилие для этого каната, установленное стандартом производителя, составляет 7140 КН.

На графике также указаны предельные усилия, допускаемые на канат по европейским нормам (Annex F, ENV 1993 - 2) и по отечественным мостовым нормам СНиП 2.05.03 – 84*.

В. Изготовление канатов

Закрытые спиральные канаты изготавливают на заводах. Канаты, которые изго­товлены на устаревшем оборудовании, требуют большого объема работ с ними перед монтажом для стабилизации модуля деформации. Примером может служить работа, проведенная с канатами Южного моста через Днепр в Киеве.

Канаты  62 мм были изготовлены на Волгоградском канатном заводе на ус­тановке, возраст которой около 60 лет. Канаты были изготовлены по техническим ус­ловиям ТУ14-4-1216-82 «Канаты стальные оцинкованные спиральные закрытой конст­рукции». По требованию заказчика проволоки могут быть оцинкованы гальваническим способом по группе ОЖ (250 грамм цинка на м²). Диаметры выпускаемых Волгоград­ским канатным заводом канатов от 32 до 72 мм. Заводом не регламентируются: диа­грамма изменения модуля деформации, величина ползучести, агрегатная прочность и мерная длина. Канаты не имеют специальной защиты от коррозии (внутри канатов на­ходится заводская смазка, которая впоследствии значительно осложняет окраску ка­натов). Поставка канатов осуществляется на барабанах отрезками длиной до 1000 м.

Использование таких канатов в качестве вант для совмещенного под метрополи­тен и автодвижение Южного моста привело к дополнительным проектным и строи­тельным работам. Напряженно-деформированное состояние вантового пролетного строения определяется знанием жесткостей его элементов: вант, балки жесткости и в меньшей мере пилона. Ошибки в оценке модуля деформации канатов могут привести не только к искажению проектного профиля моста, но и к его обрушению. Для опреде­ления фактического модуля деформации и измерения длин канатных элементов были разработаны специальные ТУ-784.МВ-КМ21 «Технические Условия на канаты вант», в которых оговаривалась цепь технологических операций, выполняемых с канатами:

1. Размотка каната с барабана, резка на заготовки длиной по 310 м (канаты поставля­лись на барабанах диаметром 2,2 м; на барабане находилось около 930 м каната).

2. Установка постоянных анкеров (без заливки их внутренней полости компаундом) по концам отрезка.

3. Троекратная вытяжка каната по ступеням нагружений - 50, 100, 350, 800, 1 000,1 200, 1 500 и 1 750 КН. На первом цикле нагружений при усилии 1750 КН выдержка каната течение 1 часа. Ступени разгрузки - 1 750, 1 500, 1200, 1 000, 800, 350 и 100 КН.

4. Разметка длин канатов выполняется на четвертом цикле нагружения при усилии в1000 КН на этапе разгрузки от 1 200 до 1 000 КН. Перед разметкой сопоставляются удлинения на ступенях нагружения 800-1000 КН и 1 000-1 200 КН с удлинениями на тех же ступенях третьего цикла. При их несовпадении более чем на 0,5% четвер­тый цикл доводится до 1750 КН, а разметка выполняется на пятом.

5. Сматывание размеченного отрезка на барабан для хранения.

6. Размотка с барабана отрезка длиной 310 м; резка его на мерные длины и установка анкеров и несъемных деталей.

7. Соединение канатов в цепь (с использованием резьбы в торцах анкеров) и вытяжка усилием 1 750 КН для обтяжки поставленных анкеров.

8. Заливка анкеров, объединение канатов в цепь и обтяжка цепи усилием 2050 КН. (От последнего требования впоследствии отказались).

9. Сматывание канатов на барабан с последующей подачей под покраску несъемных деталей и далее монтаж.

Как видно, комплекс работ по стабилизации механических свойств канатов и измерению их длин потребовал больших материальных (стоимость стенда, машин и электронного силоизмерительного оборудования) и временных затрат. Работы выпол­нялись более года. В результате выполненной работы была достигнута точность изме­рения длин 1/20 000 и установлен модуль деформации при разных усилиях в канате с точностью до 1%. Фактический усредненный модуль деформации при усилии в 1 МН составил 1,7*10⁵ МПа, а его разброс по отдельным бухтам доходил до 4%.

Кроме этого, был выполнен комплекс геодезических работ по определению фак­тического положения узлов анкерения сооруженного пилона, надвинутой в проектное положение стальной балки жесткости и смонтированной железобетонной противовесной части. В результате были определены расчетные пакеты подкладных под анкера шайб. В дальнейшем при монтаже и опускании балки жесткости длины канатов не ре­гулировались. Выполненный комплекс работ обеспечил совпадение расчетного и фак­тического напряженно-деформированных состояний вантовой схемы от постоянных нагрузок. Отличие в высотном положении балки жесткости вантового 270-метрового пролета, имеющей строительный подъем более 2 м, составило около 5 см. При загружении моста временными нагрузками перемещения балки жесткости и отклонения пи­лона практически полностью соответствовали расчетным.

Для современных витых канатов, выпускаемых, например, в Германии, не тре­буется выполнять описанные процедуры. На заводе канаты изготавливают мерной длины с анкерами. Измерение длины каната может быть выполнено при усилии до 2 000 КН с точностью 1/20 000. Допуск на отклонение модуля деформации составляет ±4%. На канатах устанавливаются анкера с горячей заливкой проволок. Канаты за­щищены от коррозии горячей оцинковкой проволок и введением в полость каната цинконаполненного полиуретана. Срок твердения состава задается исходя из продол­жительности монтажа. Завод предоставляет следующую информацию о канате:

1. Длина изготовленного каната, измеренная с точностью 1/20 000 и приведенная к температуре 20°.

2. Величина продольной ползучести - около 0,15 мм/м.

3. Величина подвижки проволок в анкерах при заданном усилии (до 3 мм при разрыве каната).

4. Диаграмма изменения модуля деформации на циклах нагружения-разгрузки (при за­казе испытаний).

5. Агрегатная прочность каната.

В. Монтаж канатов.

Процесс монтажа вант из закрытых спиральных канатов менее трудоемок, чем канатов из параллельных проволок. Это вызвано способностью закрытого спирального каната перегибаться на относительно небольшом диаметре. Наиболее прост способ, при котором канат заводится в анкерные устройства на пилоне, сматываясь с барабана, установленного на пролетном строении. Заводимый верхний конец каната может быть поднят с помощью лебедки или крана. Нижний конец каната, который заводится в балку жесткости или устой, подтягивается к узлу анкерения с помощью лебедки, а ес­ли усилие большое, то на последнем этапе используют домкрат.