Методы оценки напряженно-деформированного состояния вант и обоснование технических требований к вантовым системам мостов

Пролетные строения вантово-балочной системы получили широкое распространение при строительстве большепролетных мостов в последние 30 -40 лет. Имеются исторические примеры применения подобных конструктивных решений и в более ранние периоды.

Наиболее важными функциональными частями вантово-балочных пролетных строений являются гибкие несущие элементы — ванты, работающие, в основном, на растяжение и способные воспринимать значительные напряжения. Это существенное достоинство при сочетании с эффективной статической схемой пролетного строения, обеспечивающей значительную разгрузку главной балки, предопределило области рационального применения вантово-балочных пролетных строений:

• автодорожные, железнодорожные, городские, совмещенные и трубопроводные мосты больших пролетов (300−500м), при которых становится нерационально применение балочно-неразрезных, арочных и прочих комбинированных систем. Наряду с висячими системами достижение наибольших пролетов (до 800−1000м) становится возможным при использовании относительно легких стальных главных балок из ортотропных плитных элементов и высокопрочных вантовых систем;

• мостовые переходы с неблагоприятными гидрогеологическими условиями (большая глубина и скорость течения воды, слабые водонасыщенные грунты в основании, карсты, оползневые склоны, стесненные условия судоходства и др.), которые обуславливают необходимость перекрытия этих участков большими пролетами;

• мосты через судоходные реки и морские акватории, глубокие ущелья, в мегаполисах со сложившейся застройкой, когда целесообразен монтаж конструкций моста внавес;

• мосты с повышенными архитектурно-эстетическими требованиями.

В силу высокой технико-экономической эффективности интерес к мостам с пролетными строениями вантово-балочной системы постоянно растет.

Приложение А). Богатейший опыт в этой области накоплен в XX веке в Германии, Франции, Швейцарии, Дании и других странах западной Европы. Весьма показателен в этом отношении нарастающий опыт США и Китая. Если до 1992 года в США было построено 24 крупных мостовых перехода с пролетными строениями вантово-балочной системы, то к 2005 их количество удвоилось.

В России также наблюдается тенденция к большепролетному мостостроению. Так, за последние годы были построены несколько уникальных мостовых сооружений вантово-балочной системы, не уступающих по основным технико-экономическим параметрам мировому уровню (см. Глава 3).

Можно констатировать, что создание современных уникальных мостов, поражающих воображение огромными масштабами, оригинальностью и прогрессивностью конструктивно-технологических решений, тесно связано с применением пролетных строений вантово-балочных систем. Очевидно, эти конструкции сохранят свою привлекательность для проектировщиков и строителей в ближайшем будущем.

Поскольку ванты являются важнейшей функциональной частью вантово-балочных пролетных строений, то обеспечение их долговечности по основным потребительским (эксплуатационным) свойствам — прочности, деформативности, выносливости, хладостойкости, коррозионной стойкости и другим является непременным условием обеспечения долговечности всего мостового сооружения.

Вместе с тем, в настоящее время при проектировании вант не в полной мере учитываются особенности их напряженно-деформированного состояния (НДС) и динамического поведения, что связано с наличием факторов нелинейности и условиями крепления в пилонах и балке жесткости.

Основой успешного решения обозначенных вопросов является разработка методов оценки и регулирования НДС вантовых систем, а также научно обоснованных требований к современным конструктивно-технологическим решениям самих вант и узлов их крепления, что, с учетом вышеизложенного, определяет актуальность данной работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Обобщение результатов приемочных испытаний вантовых мостов на территории России позволило установить, что фактически конструктивные коэффициенты для осевых растягивающих усилий в вантовых системах находятся в диапазоне от 0,69 до 0,88 (в зависимости от пологости вант и характера линии влиянии). Данные значения, свидетельствующие о наличии резерва несущей способности вантовых систем, обусловливают актуальность совершенствования методов оценки НДС вант.

2. На основе проведенных исследований разработаны методы комплексной оценки НДС вантовых систем мостов при монтаже и эксплуатации, позволяющие учитывать геометрически нелинейный характер деформирования, формы провисов вант при воздействиях собственного веса, усилий преднапряжения, изменения температуры, перемещения анкерных точек, а также изгибающие усилия в анкерной зоне.

3. Разработаны и применены расчетные конечно-элементные модели вантово-балочных пролетных строений (на базе программного комплекса MSCNASTRAN) с использованием линеаризованных расчетных схем вант, учитывающих нелинейность работы введением приведенных модулей упругости с корреляцией численных и экспериментальных данных в пределах от 0,92 до 0,96.

4. В результате выполненных численных и экспериментальных исследований на натурных объектах установлено, что в зоне анкеровки вант возникают существенные изгибные напряжения, достигающие 80% от осевых напряжений (в зависимости от длины вант). Это обстоятельство должно учитываться в расчетных проверках вант по прочности и выносливости, однако, в действующем СНиП 2.05.03−84*. «Мосты и трубы» не учтено.

5. На основе анализа результатов приемочных испытаний вантовых мостов выявлено, что переходные элементы узлов крепления вант (в случае отсутствия шарнирных сопряжений) работают как элементы растянуто-изгибаемые в двух плоскостях, что обусловило необходимость уточнения формул расчетных проверок прочности и выносливости этих узлов, включая сварные и болтовые соединения.

6. Анализ результатов мониторинга динамических параметров вантовых систем показал, что для обеспечения выносливости вант следует, наряду со снижением эффективных коэффициентов концентрации напряжений (Р < 1,8), применять также специальные демпфирующие устройства (с логарифмическим декрементом колебаний системы «ванта-демпфер» > 0.03), девиаторы, шарнирные анкерные опоры и др.

7. Экспериментально установлено, что полное затухание процессов ползучести и релаксации напряжений в реальной вантовой системе происходит в течение 3−4 лет под действием постоянных и временных нагрузок и приводит к существенным искажениям схемы сооружения вплоть до полной потери строительного подъема главной балки. Для предотвращения установленных явлений следует проводить предварительную стабилизацию модуля упругости вант (посредством вытяжки) в пределах нормируемых значений до установки в пролетное строение.

8. На основе анализа результатов сертификационных испытаний вантовых и анкерных систем VSL и Freyssinet, проведенных в ОАО ЦНИИС, и обобщения научно-технических достижений лидеров мирового мостостроения установлено, что наиболее эффективными по основным технико-экономическим показателям в области мостовых вантовых систем являются ванты из семипроволочных прядей типа К7.

9. По результатам проведенных исследований сформулированы научно обоснованные технические требования к материалам и конструкциям вантовых систем из семипроволочных прядей типа К7, элементам крепления вант, системам переходной и анкерной зоны, конструктивной аэродинамической устойчивости, комплексной антикоррозионной защите, а также принципам мониторинга и регулирования параметров вантовых систем в целом. Выполнение этих требований позволяет повысить технологичность и эксплуатационную надежность конструкций вантовых мостов обычного и северных, А и Б исполнений.

10. Учитывая большое народнохозяйственное и социальное значение отечественных вантово-балочных мостов и мировые тенденции развития большепролетного мостостроения, необходимо продолжить разработки и внедрение отечественных конструктивно-технологических решений вантовых систем, возрождение мостовой вантово-кабельной индустрии, освоение технологий монтажа и регулирования вант, а также дальнейшие исследования методов оценки и регулирования статических и динамических параметров вантовых систем и совершенствование инструментальной приборной базы для мониторинга. Эти мероприятия позволят значительно снизить себестоимость строительства вантово-балочных пролетных строений за счет отказа от зарубежных аналогов, отсутствия таможенных и транспортных накладных расходов, снижение стоимости монтажных работ и аренды оборудования сторонних фирм-производителей.