Рис 1.  Мост "Золотые Ворота" ( Golden Gate Bridge )
.
 

 Проторённые пути удобны и безопасны, но интересны - новые

Строительство мостов в последние десятилетия приобрело невиданный размах. Как никогда ранее, по всему миру строятся всё новые и новые мосты -  всё длиннее и всё выше, всё оригинальнее и всё технически совершеннее.
Искусство и наука возведения мостов достигли сегодня удивительного уровня развития. И обывателей, и специалистов ныне удивляют и восхищают не только размеры перекрываемых пространств, изысканность и разнообразие применяемых технических решений, но и сильно сократившиеся сроки строительства мостов. Зачастую, всего за несколько месяцев, совершенно на пустом месте, возникают поразительные, прекрасные и технически совершенные мостовые сооружения.
Статические схемы мостов разнообразны и, в каждом конкретном случае, в соответствие требованиям к будущему мосту, условиям его строительства и эксплуатации, а так же другим показателям, мостостроители определяют для моста наиболее эффективную и рациональную схему ( рис 2).


 Рис 2.  Статические схемы мостов:  а - балочная (с неразрезной балкой); б - арочная;
в - комбинированная; г — рамная; д - висячая; е — вантовая.
1 - арка; 2 - надарочное строение; 3 — подвеска; 4 - затяжка; 5 - ригель; 6 - наклонная стойка;
7 - кабель; 8 - балка жёсткости; 9 - пилон;  10 - анкерная опора; 11 - ванты.



Но самыми эффектными мостовыми сооружениями в наши дни являются, пожалуй, большепролётные висячие и вантовые мосты [1]. Вероятно, найдётся совсем немного людей, кого оставят равнодушным взметнувшиеся ввысь, к облакам, изящные 200 - 300 метровые геометрически выверенные стрелы пилонов, или парящие в воздухе огромные пролётные строения мостов, или сама возможность легко перемахнуть через большую водную преграду (либо через глубокое ущелье) по современному высокотехнологичному красавцу мосту?


Идея построить висячий мост новой конструкции пришла из концепции строительства большепролётных светопрозрачных защитных сооружений, где основными несущими элементами большепролётных покрытий являются многопоясные тросовые системы - http://blog.dp.ru/post/4699/;    http://blog.dp.ru/post/5274/ .

Обладая огромной прочностью и прекрасными несущими способностями, многопоясные тросовые системы, применённые в мостостроении, думается, смогут внести свой вклад в развитие большепролетных висячих мостов и занять там своё место. Внешнее отличие моста с многопоясными тросовыми системами, от большепролётных висячих мостов известных сегодня конструкций, заключается в том, что ему не требуются высокие опоры и пилоны, а плита проезжей части моста располагается поверх поддерживающих её тросов. В большепролётных висячих и вантовых мостах, как известно, дорожное полотно подвешено на несущих кабелях (или вантах) и располагается ниже их ( рис. 3, рис. 4).




Рис.3.  Вантовый мост   и   Рис.4.  Висячий мост


Преимущества и недостатки тросовых мостов.

Преимуществами мостов с многопоясными тросовыми системами (назовём их ТРОСОВЫМИ мостами), являются: лёгкость, прочность и устойчивость конструкции моста; возможность перекрывать самые большие пролёты; относительная, по сравнению с другими конструкциями большепролётных мостов, простота и быстрота строительства (бОльшая часть конструкций моста имеет заводское изготовление), а также его экономичность. За счёт того, что в работе тросового моста участвует большое количество несущих тросов, а так же отсутствуют высокие опорные конструкции – непременно должна возрасти и его надёжность.

Применение в большепролетном мостостроении предлагаемой конструкции многопоясного тросового моста позволит:
   1.      существенно снизить затраты на строительство мостов;
   2.      упростить процесс проектирования;
   3.      все элементы конструкции пролётного строения изготовлять в заводских условиях;
   4.      сократить сроки возведения моста;
   5.      в процессе строительства и эксплуатации моста не беспокоиться о воздействии на плиту проезжей части точечных нагрузок, так нежелательных для висячих и вантовых мостов известных конструкций (сосредоточенная нагрузка, за счёт высоты и многопоясности пролетного строения перераспределится и будет равномерно восприниматься всей системой несущих тросов);
   6.      осуществлять монтаж плиты проезжей части, как методом продольной надвижки, так и производить его отдельными готовыми секциями прямо на место;
   7.      предусмотреть возможность оперативных регулировок отдельных параметров тросовой системы в период эксплуатации моста;
   8.      в случае аварийного выключения из работы отдельных несущих тросов, произвести замену повреждённого троса без остановки движения по мосту;
   9.      применять современные высокопрочные композитные материалы для распорных элементов тросовой системы;
  10.   обеспечить высокую надежность моста ;
   и т.д.

Очевидно, что самое значительное снижение затрат при строительстве ТРОСОВЫХ мостов и уменьшение продолжительности срока их строительства, по сравнению с большепролётными мостами других конструкций, будет достигаться благодаря отсутствию в конструкции тросовых мостов высоких и сложных опор и пилонов, которые, как известно, по затратам труда и материалов часто составляют более 50% от общих затрат на все сооружение и возведение которых делает строительство мостов более продолжительным [2]. Тросовый мост позволит вообще не задумываться о большей части подобных затрат.

Высокая прочность и хорошая гибкость тросовой системы позволят, с помощью известных технических решений, обеспечить высокую живучесть тросовых мостов при самых сильных землетрясениях и ураганах и практически исключить возможность их обрушения.
Так как основной пролёт тросового моста можно сделать очень длинным, при минимальном количестве используемого материала, то применение многопоясной тросовой конструкции будет особенно эффективно при строительстве мостов через широкие ущелья и глубокие речные долины.

Большепролётный тросовый мост предполагает иметь несложные опорные конструкции, поэтому специалисты высокой квалификации на строительстве моста потребуются, в основном, лишь при монтаже конструкций пролетного строения.

Думается, что этот тип тросовых мостов вполне можно назвать "ЗЕЛЁНЫМИ мостами" - судя по той, возможной при их строительстве, существенной экономии материалов ( цемента и арматурной стали), которые сегодня затрачиваются при устройстве многочисленных железобетонных опор и пилонов для современных большепролётных мостов. А ведь и производство цемента, и производство стали - не только энергозатратны, но и чрезвычайно неэкологичны.
Кроме этого, при строительстве тросового моста обязательно должно уменьшиться негативное воздействие на местные экосистемы мощной строительной техники, обычно активно привлекаемой мостостроителями при производстве работ.


Одним из основных недостатков тросовых мостов можно назвать то, что их строительство имеет некоторые ограничения. Очевидно, что данная конструкция тросовых мостов применима лишь там, где есть значительная глубина перекрываемого пространства (предпочтительно не менее 10% длины пролёта). Впрочем, количество мест, где требуется возведение большепролетного моста, и где величина подмостового пространства не будет являться ограничивающей для тросового моста, сегодня достаточно велико [3]. Есть и другие, понятные специалистам, временные узкие моменты в проектировании и строительстве тросовых мостов, в основном, связанные с отсутствием опыта такого строительства. Нет сомнений, что высокая квалификация проектировщиков, а также современные технологические и технические возможности мостостроителей позволят легко преодолеть все эти трудности, без ущерба для надежности и долговечности тросовых мостов.
 

Как устроен тросовый мост. 

На прилагаемых эскизах можно увидеть: общий вид большепролётного тросового моста (рис 5) и разрез пролётного строения тросового моста по линии К-К (рис 6).

 
 Рис. 5.  Общий вид большепролётного тросового моста.

   
   
   Рис 6.  Разрез пролётного строения тросового моста по линии К-К.


Тросовый большепролётный мост содержит устои (крайние опоры моста) в виде мощных опорных фундаментов 15, промежуточные опоры 3 и главное пролётное строение, которое состоит из многопоясной тросовой системы 4 и плиты проезжей части 22.

Многопоясная тросовая система 4 перекрывает главный пролёт моста и опирается на опоры 15 и 3, но не заканчивается на промежуточной опоре 3, а продолжается до опоры 15, на которой концы тросов закрепляются при помощи анкерных устройств на уровне земли, на фундаментах воспринимающих все горизонтальные усилия от натянутых тросов.

Согласно эскизам, пространственная многопоясная тросовая система (4) перекрывает пролет между первой опорой (15) и промежуточной опорой (3 ) и содержит: высокопрочные предварительно напряженные тросы (5) выполненные, например, из стальных проволок и/или углеродных волокон и образующие пояса (6), распорные стойки (7), первые элементы в виде растяжек-распоров (8), оттяжки-пригрузы (10) и др элементы. На верхнем поясе тросовой системы (4) размещена плита проезжей части (22). 

Для специалистов очевидно, что плита проезжей части (22) тросового моста представляет собой стальную раму из перпендикулярно пересекающихся поперечных и продольных рёбер жесткости, поверх которой выкладываются слои дорожные одежды.

Пролётное строение главного пролёта тросового моста обязательно должно быть догружено при помощи оттяжек–пригрузов (10) на расчетные усилия. При этом пролетное строение тросового моста обретёт определённую жесткость и устойчивость, необходимые ему в работе при восприятии действующих на него постоянных и временных нагрузок. За счёт работы оттяжек-пригрузов центр тяжести моста смещается вниз - значительно ближе к земле, что обеспечивает превосходную устойчивость всей конструкции пролётного строения. 
Оттяжки-пригрузы, это своего рода промежуточные опоры большепролётного моста, где вместо сил сопротивления сжатию материала опоры, используется сопротивление растяжению и разрыву материала оттяжек. А так как стальные опоры большой длины лучше работает на растяжение, чем на сжатие (при сжатии может произойти потеря устойчивости), то применение для оттяжек-пригрузов высокопрочных тросов, выполненных из стальных проволок и/или углеродных волокон, будет экономически оправдано.  
Следует отметить, что в отличие от того как это видно на эскизах, пролётное строение тросового моста должно получиться настолько ажурным, что с некоторого расстояния различить какие-либо конструкции моста, кроме плиты проезжей части будет затруднительно. Следовательно, парусность пролётного строения тросового моста будет минимальна. (Ниже, для сравнения, приведены фотоизображения некоторых известных большепролётных мостов).


Г
де возможно строительство тросовых мостов.

Самым образцовым примером места, для строительства тросового моста предложенной конструкции, можно считать такие условия, как в каньоне реки Xianshenhe в китайской провинции Шаньси.  В 2009 году на новой скоростной 4-х полосной автотрассе через этот каньон был построен вантовый мост «Shenxianhe Bridge» (рис 7-11). Согласно опубликованным данным: проезжая часть моста находится над дном ущелья на высоте - 161 м, высота пилона составила – 210 м, а длина наибольшего пролёта всего - 136 м.

 Рис. 7. Shenxianhe Bridge - 2009 ( пролет - 136 м , высота - 161 м)  

   Рис. 8. Shenxianhe Bridge -  2009 год постройки

    

   
 Рис. 9 - 10.  Схемы Shenxianhe Bridge - соответственно, вантовая  и тросовая 
 

Сегодня уже очень трудно с точностью определить какие средства были затрачены на строительство этого сооружения китайскими мостостроителями (объемы затрат включают, в том числе и такие работы, как прокладку специальной многокилометровой временной дороги по дну ущелья к месту строительста 160-ти метровой опоры моста, размещение в ущелье бетонного завода и т.п.), но, думается, что тросовый мост, в данных условиях, должен был обойтись в несколько раз дешевле фактически затраченных средств и построен, как минимум, втрое быстрее.

   
.
Рис.  11.  Shenxianhe Bridge - 2009  ( пролет - 136 м , высота - 161 м)

 
   Рис. 12.  Aizhai Bridge - построен в 2012 г. Пролет – 1176 м, высота проезжей части - 336 м.
 

За последние 10 лет только в Китае было построено около сотни большепролетных (иногда одновременно и многопролётных) высотных мостов различных конструктивных решений и статических схем. ( см. рис. 7-15 и рис. 21 - 27 ). Для большей части из них многопоясной тросовый мост, на этапе проектирования, мог составить достойную конкуренцию.


     Рис. 13. Shuanghekou Bridge – 2009 г. Центральные пролеты по 170 м, высота моста - 203 м.

   
 Рис. 14. -  Azhihe River Bridge – 2003 год . Пролет – 283 м, высота - 247 м 

 
Знаменитый виадук Мийо (le Viaduc de Millau), мог получиться в реализации проще и дешевле, при использовании там многопоясного тросового пролётного строения. Например, даже с учетом существующей трассировки моста, можно было ограничиться лишь двумя-тремя самыми минимальными по высоте промежуточными опорами - http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=vqYdmKHxn5s

     



 
 
    Рис. 15 - 19.  
Viaduc de Millau - 2004 г .
Шесть центральных пролётов Viaduc de Millau имеют длину - 342 м каждый, а два крайних - по 204 м.
Максимальная высота дорожного полотна над землёй - 270 м, максимальная высота пилонов - 343 м
 

РЕЗЮМЕ

Есть широкие ущелья и глубокие речные долины, через которые сегодня желательно построить современные мостовые переходы. К сожалению, известные технологии пока не позволяют мостостроителям рационально осуществить строительство мостов через такие препятствия. Возможно, многопоясные тросовые системы, в подобных ситуациях, смогут помочь мостостроителям решить стоящие перед ними задачи? -  осуществить в таких местах строительство современных большепролётных высокотехнологичных мостовых переходов.

.

Санкт-Петербург
29.04.2013 г
 

P.S.
Многотрудные задачи, которые приходится решать проектировщикам и строителям при возведении некоторых современных мостов, поражают воображение и по своей сложности, и по своему масштабу. 
   1. http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=QN_wQyYNb-0 - Суперсооружения. Мегамосты. Китай.
   2. http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=vqYdmKHxn5s– Суперсооружения. Мегамосты. Мост Миллау.
   3.http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=qMQoYIVIV-w -  Мост в Ханчжоу. Китайцы творят чудеса.
Решаемые задачи на этих удивительных сооружениях принципиально несопоставимы с теми небольшими техническими трудностями, с которыми, вероятно, мы можем столкнуться, начав строить большепролётный тросовый мост среднего размера.

 
 

Примечания.

[1] «Висячие  — это такие мосты, в которых основная несущая конструкция выполнена из гибких элементов (кабелей, тросов, канатов, цепей), работающих на растяжение, а проезжая часть подвешена».

[2] Возведение железобетонных опор большепролётных мостов ( в связи со специфичностью места расположения этих сооружений) зачастую осуществляется в местах со слабыми неустойчивыми грунтами, малой несущей способности. А в связи с тем, что большие пролетные строения моста приводят к очень значительным нагрузкам на опоры, и эти огромные нагрузки концентрируются на небольших площадках оснований опор, то, чтобы избежать возможных просадок фундаментов, приходится нести серьёзные затраты труда и материалов на обустройство надежных оснований под опоры. Причём, чем больше длина пролета и высота опор моста, тем выше нагрузки и тем меньше должны быть значения допустимой просадки фундаментов. Неудивительно, что фундаменты под опоры большепролетных мостов получаются массивными и дорогостоящими, а затраты на их устройство составляют большую долю в общей стоимости сооружения. Кроме этого, фундаменты промежуточных опор и сами опоры часто приходится возводить в труднодоступных для производства работ и доставки материалов местах трассы моста (в поймах и руслах рек, на склонах и дне ущелий и т.п.), что затрудняет мостостроителям производство работ. Иногда, при строительстве мостов, требуется выполнить дополнительные и весьма дорогостоящие мероприятия по защите промежуточных опор моста от возможных оползней береговой линии, катастрофических паводков, мощных селевых потоков, схода лавин и прочих опасных природных явлений, способных нанести повреждения опорам и даже привести к обрушению моста. В процессе строительства моста необходимы и другие важные этапы и процессы, связанные с опорными конструкциями: серьёзные инженерно-геологические изыскания грунтов по всей трассе моста, проектирование этих ответственных и сложных опорных конструкций, продолжительный мониторинг просадки фундаментов опор моста и прочее. Тросовый мост позволит вообще не задумываться о большей части подобных затрат.

[3].
Только в Китае за последние 10-12 лет было построено более ста высотных большепролетных мостов ( с величиной подмостового пространства свыше 100 метров и длиной главного пролёта - более 150 метров ) - http://www.highestbridges.com/wiki/index.php?title=Category:Bridges_in_China.


   Литература:

    1.  Кирсанов Н.М. Висячие и вантовые конструкции. Стройиздат - 1981 г;
    2.  Смирнов В.А. Висячие мосты больших пролетов. Высшая школа. 1970 г;
    3.  Цаплин С. А., Висячие мосты, М., 1949; Справочник инженера-дорожника, [т.6], М., 1964 г;
    4.  Висячие и вантовые мосты. Проектирование, расчет, особенности конструирования:  Учеб. пособие. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 1999 г;
    5.  Международная заявка РСТ/RU2012/000315. Многопоясные большепролётные тросовые системы -   WO 2013/058675 A1 от 25.04.2013;
    6.  Андреев И. П., Дубровский А. И., Файнштейн И. С., Справочник по постройке искусственных сооружений, 2 изд., М., 1962 г;
    7.  China's Highest Bridges - http://www.highestbridges.com/wiki/index.php?title=Category:Bridges_in_China ;
    8.  http://blog.dp.ru/post/4699/ - Эко архитектура: большепролётные светопрозрачные здания и сооружения.
 

 
  Рис. 20 - Siduhe River Bridge – 2009 год.  Длина главного пролета  –  900 м, РЕКОРДНАЯ высота перекрываемого пространства - 496 м до дна ущелья.

Рис. 21 - Qing Jiang Bridge - 2009 г. Пролет – 220 м, высота дорожного полотна - 140 м)

 
.
 Рис. 22 - Beipanjiang River Bridge 2003 г. Пролет -388 м, высота дорожного полотна - 366 м.

Рис. 23. Mashuihe River Viaduct – 2008 г. Средние пролеты по 200 м , высота над рекой - 219 м.


  Рис. 24. Dragon Gate Bridge - 2008 г.   Пролет моста – 122 м , а его высота, над головами удивлённых китайцев - 110 м.
 
Рис. 25. Shuanghekou Bridge – 2009 г. Центральные пролеты по 170 м, высота моста - 203 м.

 

 Рис. 26  
Wushan Yangtze River Bridge 2005 г.  
Длина основного пролета равна 460 м, высота дорожного полотна над уровнем воды в проливе -  180 м.
 

  Рис . 27 Labajin Bridge – 2012 год . Центральные пролеты - 200 м , высота моста - 229 м


  Рис. 28 .  Wulingshan Bridge - 2009 г. 
Длина главного пролета составила 360 м, высота проезжей части над дном ущелья - 263 м.