Виадук Мийо - вантовый дорожный мост

Что касается аппаратуры, то виадук, конечно, не остался без различных приборов. Опоры, полотно, пилоны и ванты, все снабжены большим количеством датчиков. Они были задуманы для того, чтобы отслеживать малейший сдвиг виадука и оценивать его устойчивость по истечении времени износа. Анемометры, акселерометры, уклономеры, температурные датчики и т. д. — все они входят в набор используемых измерительных приборов.

12 оптико-волоконных тензометров были размещены у подошвы опоры Р2. Будучи самой высокой опорой виадука, она подвергается самой большой нагрузке. Эти датчики улавливают любой сдвиг от нормы на микрометр. Другие тензометры, уже электрические, были размещены на вершинах опор Р2 и Р7. Эта аппаратура способна делать до 100 замеров в секунду. При сильном ветре они позволяют постоянно наблюдать за реакцией виадука на исключительные погодные условия. Акселерометры, расположенные в стратегически важных пунктах полотна, контролируют колебательные явления, которые могут повлиять на металлические конструкции. Расположение полотна на уровне устоев наблюдается вплоть до миллиметра. Что касается вант, они тоже оборудованы аппаратурой, и за их старением идёт тщательное наблюдение. Более того, два пьезоэлектрических датчика собирают разнообразные данные, касающиеся трафика: вес машин, средняя скорость, плотность потока движения и т. д. Эта система способна различать 14 разных типов машин.

Конструкция

Как правило, мосты состоят из пролётных строений и опор. Пролётные строения служат для восприятия нагрузок и передачи их опорам; на них может располагаться проезжая часть, пешеходный переход, трубопровод. Опоры переносят нагрузки с пролётных строений на основание моста.

Пролётные строения состоят из несущих конструкций: балок, ферм, диафрагм (поперечных балок) и собственно плиты проезжей части. Статическая схема пролётных строений может быть арочной, балочной, рамной, вантовой или комбинированной; она определяет тип моста по конструкции. Обычно пролётные строения прямолинейны, однако в случае необходимости (например, при постройке эстакад и дорожных развязок) им придают сложную форму: спиралеобразную, кольцевую, и т. д.

Формы опор могут быть весьма разнообразными. Промежуточные опоры называются быками, береговые — устоями. Устои служат для соединения моста с подходными насыпями.

Материалами для мостов служат металл (сталь и алюминиевые сплавы), железобетон, бетон, природный камень, дерево.

По конструкции мосты делятся на:балочные, распорные и комбинированные.

Балочные — самый простой вид мостов. Предназначены для перекрытия небольших пролётов. Пролётные строения — балки, перекрывающие расстояние между опорами. Основная отличительная особенность балочной системы состоит в том, что с пролётных строений на опоры передаются только вертикальные нагрузки, а горизонтальные отсутствуют. Балочные мосты разделяют на следующие типы:

Разрезная система — состоит из ряда балок, причём одна балка перекрывает один пролёт. Система статически определима и может применяться при любых типах грунтов. Недостатки: большое количество деформационных швов и обязательное наличие двух опорных частей на каждой промежуточной опоре.

Неразрезная система — одна балка пролётного строения перекрывает несколько пролётов или сразу все. Таким образом, пролётное строение неразрезной системы рассчитывается как многоопорная статически неопределимая балка с использованием метода сил, метода перемещений или других методов расчёта статически неопределимых систем, применяемых в строительной механике. Неразрезная система хороша меньшим, чем в разрезной, количеством деформационных швов и меньшей строительной высотой. Недостаток такой системы — чувствительность к грунтам.

Консольная система — состоит из двух типов балок. Одни балки опираются на две опоры и имеют консольные свесы. Другие балки называются подвесными, поскольку опираются на соседние балки. Соединение балок осуществляется при помощи шарниров. Достоинством консольной системы является её статическая определимость, а следовательно, лёгкость расчёта и нечувствительность к грунтам. К недостаткам системы можно отнести большое количество и сложность устройства деформационных швов шарнирного типа, а также нарушение комфортности проезда в зоне шарниров. В настоящее время мосты такой системы сооружаются редко.

Температурно-неразрезная система — состоит из двухопорных балок, объединённых в цепь с помощью верхней соединительной плиты. Под действием вертикальных нагрузок такая система работает как разрезная, а под действием горизонтальных — как неразрезная. Её достоинством является меньшее количество деформационных швов, а недостатком — обязательное наличие двух опорных частей на каждой промежуточной опоре.

Распорные системы отличаются от балочных тем, что, нагрузки, передаваемые с пролётных строений на опоры, имеют не только вертикальную, но и горизонтальную составляющую, называемую в строительной механике распором. Выделяют несколько разновидностей распорных систем, довольно сильно отличающихся друг от друга:

Рамная система - состоит из рам, стойки которых выполняют роль опор, а ригели - роль пролётных строений. По форме рамы могут быть Т-образными, П-образными, а также иметь две наклонные стойки и консольные свесы (специального названия не имеют). Достоинствами рамной системы являются небольшая строительная высота и увеличенное по сравнению с балочными системами подмостовое пространство. Всё это делает рамные конструкции удобными для путепроводов и эстакад. Также данная система может быть применена в горных условиях из-за того, что там в силу особенностей рельефа нельзя понизить уровень проезда. Недостатками рамной системы являются сложность строительства и чувствительность к грунтам. Такие системы в настоящее время малоприменимы из-за дороговизны и специфичности.

Висячие — мост, в котором основная несущая конструкция выполнена из гибких элементов (канатов, цепей и др.), работающих на растяжение, а проезжая часть подвешена. Этот вид представляют все крупнейшие по длине и высоте пролёта мосты мира.

Вантовые — разновидность висячих мостов: роль основной несущей конструкции выполняет вантовая ферма, выполненная из прямолинейных стальных канатов. Ванты прикреплены к пилонам - высоким стойкам, монтируемым непосредственно на опорах. Пилоны в основном располагаются вертикально, но не исключено и наклонное их расположение. К вантам крепится балка жёсткости, на которой располагается мостовое полотно. Ванты располагаются под углом наклона к горизонтали не менее 30 градусов, так как в противных случаях в них возникают большие усилия, и жёсткость сильно уменьшается. Балку жёсткости лучше выполнять коробчатого сечения, поскольку это улучшает её работу на кручение от временных нагрузок и от действия ветра. Наиболее часто вантовая система применяется при перекрытии глубоких рек и в городских условиях.

Арочные — основными несущими конструкциями являются арки или своды. Арка - криволинейный брус, у которого поперечный размер меньше высоты. Свод - криволинейный брус, у которого ширина сечения значительно больше высоты. Арочные мосты могут быть с ездой поверху, понизу и посередине. Опоры арочных мостов всегда массивные, поскольку должны быть рассчитаны и на восприятие распора. При больших пролётах арки всегда экономичнее балочных конструкций, но только в отношении пролётных строений. Из-за большого развития опор в поперечном сечении мост арочной системы дешевле балочного только при высоте опор до 2 м. Арочные мосты характерны для горных условий, поскольку позволяют перекрыть больший пролёт, чем балки, а в условиях горного рельефа сооружение дополнительных опор не оправдано. Также специфическая область применения арочных мостов обусловлена тем, что они требуют большого подмостового пространства, особенно с ездой поверху, что приводит к удорожанию и усложнению строительства насыпей подходов, которые могут достигать высоты 20 м; возрастает вероятность оползней на таких насыпях в начальный период их эксплуатации. Часто арочные мосты строят в городских условиях из соображений красоты.

Понтонные, или наплавные — временные мосты на плавучих опорах.

Краткие исторические сведения о металлических мостах

Люди с незапамятных времён использовали в своей практической деятельности железо. Учёными доказано, что первые железные изделия выполнялись из метеоритного железа. За две тысячи лет до нашей эры в Азии начали получать железо из руды. Оно в то время выплавлялось в малых объёмах и в строительстве использовалось редко. По прочности железо мало выигрывало у бронзы, зато последняя практически не разрушалась от атмосферных воздействий. Если говорить о мостах, то впервые железо использовалось во вспомогательных элементах, например, для изготовления цепей в подъёмных мостах крепостей.

К концу XVIII в. научились получать достаточно дешёвый чугун, но вначале из него делали в основном рельсы. Первым крупным чугунным сооружением стал арочный мост, построенный в 1779 г. через р. Северн в Колбруке (Англия). Арка со стрелой 15 м перекрывала пролёт 32 м. Мост возведён из предварительно изготовленных элементов всего за 3 месяца. На его сооружение было израсходовано около 380 т чугуна. Примечательно, что уже в то время чугунный мост оказался дешевле каменного, если бы таковой был построен в этом месте.

Постепенно качество чугуна улучшалось, а следовательно, и увеличивались пролёты мостов. В 1814 г. инженер Ренни построил в Лондоне через р. Темзу Саутверский мост пролётом 73 м. Но ещё в 1801 г. инженеры Телфорд и Дуглас, используя идею Томаса Пейна о строительстве арочных мостов из клиновидных элементов, разработали проект моста, который бы позволил перекрыть Темзу одним 200-метровым пролётом со стрелой подъёма 22 м. К сожалению, этот проект не был реализован.

Чугунные мосты строили и в России. В 1850 г. по проекту С.В. Кербедза построен большой семипролётный арочный мост через р. Неву с пролётами 45…47 м.

Но чугун обладает одним очень серьёзным недостатком – он слабо сопротивляется растяжению, поэтому его применение возможно только в арочных мостах. В XIX в. чугун в мостостроении постепенно вытеснили пудлинговое железо и сталь. Это были практически новые материалы, хорошо работающие как на сжатие, так и на растяжение, что открывало возможности создания новых конструктивных форм пролётных строений. Большое развитие получили балочные и висячие системы.

В 1823 г. в Петербурге был построен Пантелеймоновский мост висячей конструкции с пролётом 37 м. Но уже в 1826 г. Тельфорд при строительстве висячего моста через Менейский пролив перекрыл пролёт 176 м. В Будапеште на мосту через р. Дунай в 1840 г. был перекрыт пролёт 200 м. Там же в начале XX в. построен цепной мост пролётом 316 м.

В 1815 г. при строительстве висячих мостов начали применять проволочные канаты. Особое распространение они получили в США. Джон Реблинг при сооружении Ниагарских висячих мостов в 1850 г. перекрыл пролёт 317 м, а в 1869 г. – 385 м. В 1876 г. по его проекту был построен вошедший в историю мирового мостостроения знаменитый Бруклинский мост пролётом 486 м в Нью-Йорке через Ист-Ривер.

Используя более совершенные материалы, современные технологии проектирования и строительства, в конце минувшего века в Японии построен висячий мост, перекрывший пролёт 1990 м.

Появление более качественной мартеновской стали позволило соорудить в Шотландии в 1889 г. через р. Форт железнодорожный консольный мост с двумя пролётами по 521 м. В месте мостового перехода глубина воды достигала 65 м. На размещение опор, а следовательно, и на схему моста повлияло расположение островов в створе мостового перехода. Полная длина моста – 2470 м, высота консольных ферм над промежуточными опорами – 100 м. До 1917 г. этот мост перекрывал самый большой пролёт в мире.

Вершина инженерного творчества Эйфеля в области мостостроения – виадук Garabit, построенный в 1884 г. через долину реки Truyere на юге Франции. Полная длина виадука – 564 м. Русло реки перекрыто серповидной двухшарнирной аркой пролётом 165 м . Железнодорожный проезд на мосту расположен на высоте 122 м над водной поверхностью реки.

Отказавшись от чугуна, мостостроители не отка-зались от сооружения арочных мостов. В 1917 г. в Нью-Йорке был построен Хелльгетский арочный мост пролётом 298 м через р. Ист-Ривер. Поражает своей грандиозностью и элегантностью мост в Сиднейской гавани пролётом 503 м, построенный в 1932 г.

В последние десятилетия находят применение вантовыемосты, завораживающие простотой своих линий и элегантностью. Что касается рекордного пролёта среди вантовых мостов, то в настоящее время рекорд принадлежит мосту Татара (Япония) – 890 м.

Со времени появления первого металлического моста идёт постоянная борьба за экономию металла для несущих мостовых конструкций. В целях экономии металла в настоящее время находят широкое применение композитные мосты, конструкции которых выполнены из разных материалов.

В последние десятилетия практически на всех металлических мостах с железобетонной плитой проезжей части последняя объединена в совместную работу со стальными несущими конструкциями.

Идея применения разнородных по своим свойствам материалов не нова. Ещё в середине XIX в. строили мосты с чугунно-железными коробчатыми балками. Верхние пояса таких балок выполняли из чугуна, а нижние – из железа. Пояса соединялись между собой железными листами. В дальнейшем идея строительства чугунно-железных мостов распространилась и на решётчатые фермы, в которых сжатые элементы выполняли из чугуна, а элементы, в которых возможно появление растягивающих напряжений – из железа. Однако, это предложение не нашло сколько бы значимого распространения, но идея создания композитных конструкций в настоящее время не потеряла своей актуальности.

Строительство мостов

Первым (и самым дорогим — до 50 % расходов от общей стоимости строительства) этапом в построении моста является возведение опор. Опоры сооружаются в открытых котлованах или путём погружения в грунт свай, опускных колодцев, кессонов, сборных оболочек. Сваи (в основном, железобетонные) используются, главным образом, при строительстве малых и средних мостов. Они погружаются в грунт при помощи дизельных молотов и электрических вибропогружателей. При возведении больших мостов используются в основном сборные оболочки диаметром до 3 метров.

Пролётные строения обычно устанавливают на опоры монтажными кранами. При строительстве больших мостов пролётное строение нередко собирают на берегу и затем перемещают (надвигают) по опорам с одного берега на другой. Навесной метод установки предполагает наращивание конструкции от опоры моста в его пролёт. При этом применяется навесной монтаж с помощью крана, двигающегося по уже построенной части (для металлических пролётных строений) или же навесная сборка с изготовлением отдельных элементов на заводе и последующей транспортировкой их к объекту (для железобетонных).