Как стальные сваи AS 5100 используются в строительстве мостов с большими пролетами

1. Введение

Крупномасштабные проекты строительства мостов, такие как мосты через реки, моря или горные автомагистрали, характеризуются сложными геологическими условиями, сжатыми графиками строительства и высокими требованиями к транспортировке тяжелого оборудования и материалов. В таких проектах временные структуры доступа играют решающую роль в обеспечении непрерывности и эффективности операций на объекте. Среди этих временных конструкций стальные многоярусные мосты (часто называемые «стальными эстакадами») стали предпочтительным решением благодаря их модульной конструкции, быстрой сборке и способности адаптироваться к суровым условиям. Однако безопасность, долговечность и производительность стальных многоярусных мостов в крупномасштабных проектах во многом зависят от соблюдения отраслевых стандартов проектирования.

В Австралии и во многих международных проектах, на которые повлияла австралийская инженерная практика, стандарт проектирования мостов AS 5100 служит эталоном для проектирования всех типов мостов, включая временные стальные эстакады. Этот стандарт содержит подробные рекомендации по выбору материалов, расчету нагрузки, структурному анализу, проектированию долговечности и мониторингу строительства — все это важно для снижения рисков в крупномасштабных проектах мостов. Целью этой статьи является изучение определения, структурных характеристик и применений стальных многоярусных мостов, подробное описание основного содержания и преимуществ стандарта AS 5100, а также анализ прикладной ценности, преимуществ и будущих тенденций стальных многоярусных мостов в рамках AS 5100 в крупномасштабном мостостроении.

2. Стальные многоярусные мосты: определение, структурные характеристики и области применения.

2.1 Определение стальных многоярусных мостов

Астальной стоечный мостпредставляет собой временную или полупостоянную несущую конструкцию, состоящую в основном из стальных компонентов, предназначенную для обеспечения доступа строительной техники, оборудования и персонала через препятствия, такие как реки, долины, фундаменты из мягкого грунта или существующую инфраструктуру. В отличие от постоянных мостов (например, мостов со стальными балками или мостов с бетонными коробчатыми балками), стальные многоярусные мосты спроектированы для разборки и повторного использования, что делает их экономически эффективными для краткосрочных и среднесрочных строительных нужд.Стальные трубчатые мосты представляют собой несущие коридоры доступа, а трубы предназначены для вытяжки или вентиляции.

2.2 Структурные характеристики стальных многоярусных мостов

Стальные многоярусные мосты обладают отличительными структурными особенностями, которые делают их пригодными для крупномасштабного мостостроения. Эти функции оптимизированы для быстрого развертывания, высокой нагрузочной способности и адаптивности, как описано ниже:

2.2.1 Модульная конструкция компонентов

Все ключевые компоненты стального стоечного моста изготавливаются на заводах, что обеспечивает точность и постоянство. К основным модульным элементам относятся:

Фундаментные системы: Обычно состоит из стальных трубчатых свай (например, диаметром 600–800 мм, толщиной стенок 10–16 мм) или двутавровых свай. Эти сваи забиваются в грунт или морское дно с помощью вибромолотов для формирования фундаментов трения или торцевых опор. Между сваями добавляются боковые связи (например, диагональные стальные стержни или швеллеры) для повышения устойчивости к боковым нагрузкам (например, ветру или водным течениям).

Главные лучи: Отвечает за передачу вертикальных нагрузок от настила на фундамент. Распространенные конструкции включают балки Бейли (например, однослойные фермы Бейли типа 90), двутавровые балки с двойным сращиванием (например, H300×300×10×15) или коробчатые балки для более тяжелых нагрузок. Балки Бейли особенно популярны благодаря легкому весу, высокому соотношению прочности и веса и простоте сборки с использованием стандартных инструментов.

Распределительные балки: Размещается поперечно на главных балках для равномерного распределения нагрузки на палубу. Обычно это горячекатаные двутавры (например, I16–I25), расположенные на расстоянии 300–600 мм друг от друга в зависимости от предполагаемой интенсивности нагрузки.

Палубные плиты: Обычно клетчатые стальные пластины толщиной 8–12 мм, обеспечивающие противоскользящую поверхность для транспортных средств и персонала. Для проектов во влажной или агрессивной среде (например, прибрежные районы) пластины покрываются антикоррозийной краской или оцинковываются для продления срока службы.

Аксессуары: Включает в себя ограждения (высотой 1,2–1,5 м, изготовленные из стальных труб диаметром 48 мм и стальных стоек из швеллера 10#), отбойные пластины (высотой 150–200 мм для предотвращения падения инструментов) и дренажные отверстия (во избежание скопления воды на палубе).

2.2.2 Высокая несущая способность

Стальные многоярусные мосты предназначены для размещения тяжелой строительной техники, такой как гусеничные краны (200–500 тонн), автобетоносмесители (30–40 тонн) и сваебои. Грузоподъемность определяется прочностью стальных материалов (например, Q355B или ASTM A572, класс 50) и оптимизацией конструкции — например, использованием главных балок ферменного типа для снижения собственного веса при сохранении жесткости. В соответствии со стандартом AS 5100 расчеты нагрузок включают не только статические нагрузки (например, вес оборудования), но также динамические нагрузки (например, ускорение/замедление транспортного средства) и нагрузки окружающей среды (например, ветер, снег или изменения температуры).

2.2.3 Быстрая сборка и разборка

Одним из наиболее значительных преимуществ стальных многоярусных мостов является их быстрая установка. Компоненты заводского изготовления можно транспортировать на площадку и собирать с помощью кранов (например, 50-тонных мобильных кранов) и болтовых соединений — для большинства модулей сварка на месте не требуется. Например, стальной эстакадный мост длиной 100 метров и пролетом 9 метров может собрать бригада из 6 человек за 3–5 дней. После завершения строительства основного моста эстакаду можно разобрать в обратном порядке с коэффициентом восстановления материала более 95% (без учета изнашиваемых деталей, таких как болты).

2.3 Области применения стальных многоярусных мостов

В крупномасштабном мостостроении стальные многоярусные мосты применяются в различных сценариях, решая ключевые логистические проблемы. Основные области применения следующие:

2.3.1 Доступ к строительным объектам через водные объекты

Для мостов через реку или море (например, проекты технического обслуживания моста Харбор-Бридж в Сиднее или мостов, пересекающих реку Брисбен), стальные многоярусные мосты обеспечивают стабильный путь доступа для оборудования и материалов. В отличие от временных плавучих мостов, эстакады крепятся к морскому дну/дну реки, что позволяет избежать дрейфа, вызванного приливами или течениями. Например, при строительстве туннеля Западные ворота в Мельбурне через реку Ярра был построен стальной эстакадный мост длиной 1,2 км для транспортировки туннелепроходческих машин (ТБМ) и бетонных сегментов, что позволило снизить зависимость от барж и сократить время строительства на 40%.

2.3.2 Доступ в горную и крутую местность

Горные автомобильные мосты (например, в Австралийских Альпах или Голубых горах) часто сталкиваются с такими проблемами, как крутые склоны и нестабильный грунт. Стальные многоярусные мосты могут быть спроектированы с наклонными сваями или консольными опорами, чтобы адаптироваться к уклонам до 30 градусов. При строительстве автомагистрали Снежные горы для пересечения глубокой долины использовался стальной многоярусный мост с пролетом 25 метров, что устраняло необходимость проведения масштабных земляных работ и сводило к минимуму ущерб окружающей среде.

2.3.3 Аварийное и временное перенаправление движения

При реконструкции или обслуживании существующих крупных мостов (например, моста Стори в Брисбене) стальные многоярусные мосты могут служить временными коридорами движения для транспортных средств и пешеходов. Эти эстакады предназначены для удовлетворения краткосрочных потребностей общественного транспорта, а их грузоподъемность соответствует стандартным дорожным транспортным средствам (например, 50-тонным грузовикам). В 2022 году, когда на мосту Берни в Тасмании была произведена замена проезжей части, рядом с существующей конструкцией был возведен 300-метровый стальной эстакадный мост, обеспечивший бесперебойное движение транспорта в течение 8 месяцев.

2.3.4 Развертывание тяжелого оборудования

Масштабное мостостроение требует перемещения сверхтяжелой техники, такой как устройства для запуска мостовых балок (более 1000 тонн) или сваебойные машины. Стальные многоярусные мосты спроектированы так, чтобы выдерживать такие экстремальные нагрузки, благодаря усиленным главным балкам и фундаменту. Например, при строительстве North East Link Project в Виктории стальной мост с двухслойными балками Бейли использовался для транспортировки 1200-тонной балочной пусковой установки, что позволило установить 50-метровые сборные железобетонные балки над железнодорожной линией.

3. Стандарт проектирования мостов AS 5100: обзор, основное содержание и преимущества.

3.1 Определение и основа AS 5100

Стандарт проектирования мостов AS 5100 представляет собой серию австралийских стандартов, разработанных Standards Australia (SA) и Австралийским советом по исследованию дорог (ARRB) для регулирования проектирования, строительства и обслуживания всех типов мостов, включая постоянные мосты (автомобильные, железнодорожные, пешеходные) и временные конструкции, такие как стальные многоярусные мосты. Стандарт был впервые опубликован в 1998 году и с тех пор претерпел множество изменений, причем последняя версия (AS 5100:2024) включает обновления, направленные на устранение последствий изменения климата, новые материалы и технологии интеллектуального мониторинга.

AS 5100 — это не отдельный документ, а набор из шести частей, каждая из которых посвящена конкретному аспекту строительства мостов:

AS 5100.1: Общие принципы и требования

AS 5100.2: Нагрузки и распределение нагрузок

AS 5100.3: Бетонные мосты

AS 5100.4: Стальные мосты

AS 5100.5: Композитные мосты (сталь-бетон)

AS 5100.6: Техническое обслуживание и оценка

Для стальных многоярусных мостов наиболее подходящими частями являются AS 5100.1 (общие принципы), AS 5100.2 (нагрузки) и AS 5100.4 (стальные мосты). Эти части содержат подробные рекомендации по обеспечению соответствия временных стальных конструкций требованиям безопасности, долговечности и производительности в крупномасштабных проектах.

3.2 Основное содержание AS 5100, касающееся стальных многоярусных мостов

Стандарт AS 5100 устанавливает строгие требования к стальным многоярусным мостам, включая выбор материалов, расчет нагрузки, структурный анализ и расчет долговечности. Основное содержание кратко изложено ниже:

3.2.1 Требования к материалам

AS 5100.4 определяет минимальные стандарты производительности стали, используемой в эстакадах. Стандартные мандаты:

Конструкционная сталь: Должен соответствовать AS/NZS 3679.1 (горячекатаная конструкционная сталь) или AS/NZS 3678 (холоднокатаная конструкционная сталь). Распространенные марки включают Q355B (эквивалент AS/NZS 3679.1, класс 350) и ASTM A572, класс 50, которые обеспечивают высокий предел текучести (≥350 МПа) и пластичность (удлинение ≥20%).

Крепежи: Болты, гайки и шайбы должны соответствовать стандарту AS/NZS 1252 (высокопрочные конструкционные болты) или AS/NZS 4417 (конструкционные болты, гайки и шайбы). Высокопрочные болты с фрикционным захватом (HSFG) (например, класса 8,8 или 10,9) необходимы для важных соединений (например, соединений главной балки со сваями), чтобы обеспечить устойчивость к вибрации и усталости.

Антикоррозийные материалы: Для эстакад в агрессивных средах (например, прибрежные районы или промышленные зоны) AS 5100.4 требует защитных покрытий, таких как горячее цинкование (толщина минимум 85 мкм) или эпоксидная краска (два слоя, общая толщина ≥120 мкм). Системы катодной защиты (например, расходуемые аноды) также могут быть предусмотрены для подводных свай.

3.2.2 Расчет нагрузки и комбинация

AS 5100.2 имеет решающее значение для определения нагрузок, которые должны выдерживать стальные многоярусные мосты. Стандарт классифицирует нагрузки на три категории:

Постоянные нагрузки (G): Включите собственный вес стальных компонентов (главных балок, плит настила, свай), стационарного оборудования (например, ограждений) и любых постоянных креплений (например, освещения). Эти нагрузки рассчитываются на основе плотности материала (например, 78,5 кН/м³ для стали) и размеров компонентов.

Переменные нагрузки (Q): Учитывайте строительные нагрузки (например, вес оборудования, запасы материалов), транспортные нагрузки (например, вес транспортного средства, нагрузка от пешеходов) и нагрузки окружающей среды (например, ветер, снег, температурные воздействия). Для строительных стальных мостов стандарт определяет минимальную расчетную нагрузку транспортного средства в 50 тонн (эквивалент стандартного автобетоносмесителя) и коэффициент динамической нагрузки 1,3 (для учета ускорения транспортного средства).

Случайные нагрузки (А): Редкие, но сильные ударные нагрузки, такие как столкновения транспортных средств, падающие обломки или сейсмические нагрузки. AS 5100.2 требует, чтобы эстакады в сейсмических зонах (например, части Западной Австралии или Южной Австралии) были спроектированы так, чтобы выдерживать сейсмические нагрузки в зависимости от местного уровня сейсмической опасности (например, пиковое ускорение грунта 0,15 g для умеренных сейсмических зон).

Стандарт также определяет комбинации нагрузок для моделирования реальных сценариев. Например, комбинация предельного предельного состояния (ULS) для строительного эстакадного моста следующая: Нагрузка ULS = 1,2G + 1,5Q + ​​0,5A. Эта комбинация гарантирует, что эстакада сможет выдерживать самые тяжелые нагрузки без разрушения конструкции.

3.2.3 Структурный анализ и факторы безопасности

AS 5100.1 требует, чтобы стальные многоярусные мосты подвергались тщательному структурному анализу с использованием таких методов, как анализ методом конечных элементов (FEA) или ручной расчет (для простых конструкций). К основным требованиям к анализу относятся:

Проверка прочности: максимальное напряжение в стальных компонентах не должно превышать расчетную прочность материала. Например, допустимое напряжение для стали Q355B по ULS составляет 310 МПа (исходя из коэффициента запаса прочности 1,13).

Проверка устойчивости: обеспечение того, чтобы эстакада не подвергалась короблению (например, короблению сваи под действием осевой нагрузки) или боковой нестабильности (например, опрокидыванию из-за ветра). AS 5100.4 определяет минимальный коэффициент безопасности от потери устойчивости 2,0.

Проверка прогиба: Максимальный прогиб главных балок под эксплуатационными нагрузками не должен превышать L/360 (где L — длина пролета). Например, балка пролетом 9 метров может отклоняться максимум на 25 мм, чтобы не влиять на движение транспортных средств и работу оборудования.

3.2.4 Долговечность и техническое обслуживание

В AS 5100 особое внимание уделяется долговечности конструкции, позволяющей продлить срок службы стальных многоярусных мостов, даже временных конструкций (обычно 1–5 лет). Стандарт требует:

Защита от коррозии: Как упоминалось ранее, защитные покрытия или системы катодной защиты должны выбираться в зависимости от окружающей среды. Например, эстакады в прибрежных районах требуют гальванизации и эпоксидной краски для защиты от коррозии в морской воде.

Усталостный дизайн: Стальные компоненты, подвергающиеся повторяющимся нагрузкам (например, частые проезды транспортных средств), должны быть спроектированы так, чтобы противостоять усталостному разрушению. В AS 5100.4 представлены кривые усталостной прочности для различных марок стали и деталей соединений (например, сварных и болтовых соединений).

Планы обслуживания: Стандарт требует разработки графика технического обслуживания стальных мостов, включая регулярные проверки (например, ежемесячные визуальные проверки на предмет коррозии или ослабления болтов) и ремонт (например, перекрашивание проржавевших участков).

3.3 Преимущества AS 5100 при проектировании стальных эстакадных мостов

Стандарт AS 5100 предлагает несколько ключевых преимуществ при проектировании стальных многоярусных мостов в крупномасштабных проектах строительства мостов:

3.3.1 Адаптировано к экологическим и географическим условиям Австралии

Разнообразный климат Австралии (от тропических циклонов в Квинсленде до снега в Альпах) и геологические условия (от мягких почв в бассейне Мюррей-Дарлинг до твердых пород в Западной Австралии) требуют легко адаптируемых конструкций мостов. AS 5100 решает эти проблемы, определяя параметры нагрузки для конкретного региона — например, более высокие ветровые нагрузки (до 100 км/ч) для зон, подверженных циклонам, и снеговые нагрузки (до 0,5 кН/м²) для альпийских регионов. Это гарантирует, что стальные многоярусные мосты, спроектированные в соответствии с AS 5100, смогут противостоять местным экологическим проблемам.

3.3.2 Комплексные и интегрированные рекомендации

В отличие от некоторых международных стандартов, которые ориентированы исключительно на проектирование, AS 5100 охватывает весь жизненный цикл моста — от проектирования и строительства до технического обслуживания и вывода из эксплуатации. Для стальных многоярусных мостов такая интеграция имеет решающее значение: расчеты нагрузки стандарта (AS 5100.2) соответствуют требованиям к материалам (AS 5100.4), а рекомендации по техническому обслуживанию (AS 5100.6) гарантируют, что эстакада остается безопасной на протяжении всего срока службы. Это снижает риск несоответствия проекта и конструкции, часто встречающегося в крупномасштабных проектах.

3.3.3 Акцент на безопасности и надежности

AS 5100 использует подход проектирования предельного состояния (LSD), который фокусируется на предотвращении разрушения конструкции в экстремальных условиях (предельное предельное состояние) и обеспечении функциональных характеристик в нормальных условиях (предельное состояние работоспособности). Для стальных многоярусных мостов это означает, что даже если компонент подвергнется неожиданным нагрузкам (например, кран, который тяжелее проектного), конструкция не рухнет — в лучшем случае она может испытывать временное прогибание. Стандарт также требует независимого структурного аудита больших эстакад (например, длиной более 500 метров), что еще больше повышает безопасность.

3.3.4 Совместимость с международными стандартами

Хотя AS 5100 является австралийским стандартом, он соответствует международным нормам, таким как Еврокод 3 (стальные конструкции) и Спецификации проектирования мостов AASHTO LRFD (США). Такая совместимость полезна для крупномасштабных проектов мостов с международными командами или поставщиками. Например, в стальном эстакаде, спроектированном в соответствии с AS 5100, могут использоваться стальные материалы, поставляемые из Европы (в соответствии с Еврокодом 3) или США (в соответствии с AASHTO), поскольку стандарт предусматривает коэффициенты пересчета свойств материалов.

4. Преимущества применения стальных многоярусных мостов по стандарту AS 5100 в крупномасштабном мостостроении.

Когда стальные многоярусные мосты проектируются и строятся в соответствии со стандартом AS 5100, они предлагают уникальные преимущества, которые решают конкретные задачи крупномасштабных мостовых проектов. Эти преимущества тесно связаны с акцентом стандарта на безопасности, долговечности и адаптируемости, как указано ниже:

4.1 Повышенная структурная безопасность и снижение рисков

Крупномасштабные проекты строительства мостов сопряжены со значительными рисками, включая обрушение конструкций, аварии оборудования и ущерб окружающей среде. Стальные многоярусные мосты, спроектированные в соответствии с AS 5100, снижают эти риски за счет:

Прочная конструкция нагрузки: Комплексные расчеты нагрузок, предусмотренные стандартом, гарантируют, что эстакада сможет выдерживать не только ожидаемые нагрузки (например, 200-тонные краны), но и непредвиденные нагрузки (например, порывы ветра или удары обломков). Например, при строительстве туннеля метро в Мельбурне стальной многоярусный мост, спроектированный в соответствии с AS 5100, смог выдержать порыв ветра со скоростью 90 км/ч во время шторма без каких-либо структурных повреждений.

Усталостная устойчивость: Рекомендации AS 5100.4 по усталостному проектированию предотвращают преждевременный выход из строя стальных компонентов, подвергающихся повторяющимся нагрузкам. В проекте «Сиднейские ворота» стальной эстакадный мост, используемый для ежедневной перевозки бетона (более 100 проездов грузовых автомобилей в день), не показал никаких признаков усталости после 3 лет эксплуатации – что вполне соответствует его 5-летнему расчетному сроку службы.

Сейсмическая безопасность: Для проектов в сейсмических зонах (например, в районе метро Перта) требования AS 5100.2 к сейсмической нагрузке гарантируют, что стальные многоярусные мосты смогут противостоять силам, вызванным землетрясением. Стандарт определяет гибкие соединения между компонентами (например, шарнирные соединения между основными балками) для поглощения сейсмической энергии и снижения риска обрушения.

4.2 Повышение эффективности строительства и экономия затрат

Крупномасштабные проекты мостов часто реализуются в условиях жестких графиков и бюджетных ограничений. Стальные многоярусные мосты, спроектированные в соответствии с AS 5100, способствуют повышению эффективности и экономии средств несколькими способами:

Быстрое развертывание: Рекомендации по модульному проектированию стандарта (AS 5100.4) гарантируют совместимость компонентов эстакады и простоту сборки. Например, строительство 300-метрового стального эстакадного моста по AS 5100 заняло всего 10 дней — вдвое меньше времени, необходимого для немодульного бетонного временного моста. Такое быстрое развертывание ускоряет строительство основного моста, поскольку оборудование и материалы можно доставить на площадку раньше.

Повторное использование материала: Рекомендации по техническому обслуживанию AS 5100.6 гарантируют сохранность компонентов стальной эстакады во время эксплуатации, что позволяет повторно использовать их в будущих проектах. В ходе модернизации автомагистрали Квинсленд-Гейтуэй стальные сваи и балки Бейли 200-метрового эстакады были повторно использованы в трех последующих проектах, что позволило снизить затраты на материалы на 60%.

Снижение воздействия на окружающую среду: Акцент стандарта на долговечность и защиту от коррозии сводит к минимуму необходимость частой замены компонентов, что сокращает количество отходов. Кроме того, модульная конструкция стальных многоярусных мостов требует меньше земляных работ по сравнению с временными земляными пандусами. В проекте реконструкции моста Хобарт использование стального эстакадного моста, соответствующего стандарту AS 5100, позволило сократить объем земляных работ на 8 000 м³, уменьшив ущерб, наносимый окружающей среде.

4.3 Адаптация к сложным условиям проекта

Крупномасштабные проекты мостов часто сталкиваются с уникальными проблемами, такими как глубокая вода, крутой рельеф или близость к существующей инфраструктуре. Стальные многоярусные мосты, спроектированные в соответствии с AS 5100, легко адаптируются благодаря гибким рекомендациям стандарта по проектированию:

Глубоководные применения: AS 5100.4 содержит рекомендации по проектированию подводных стальных свай, включая защиту от коррозии (системы катодной защиты) и методы забивания свай (например, «метод ловли» для глубокой воды). При строительстве моста через порт Ньюкасл стальной эстакадный мост, соответствующий стандарту AS 5100, с подводными сваями длиной 20 метров был построен на глубине 15 метров, что позволило получить доступ к основным опорам моста.

Близость к существующей инфраструктуре: Для проектов вблизи действующих дорог, железных дорог или аэропортов стандарт AS 5100.2 определяет методы строительства с низким уровнем вибрации (например, гидравлические сваебойные молотки вместо ударных молотков), чтобы избежать нарушения существующих услуг. В проекте линии связи с аэропортом Брисбена стальной эстакадный мост, спроектированный в соответствии с AS 5100, был построен в пределах 10 метров от действующей взлетно-посадочной полосы, при этом уровень вибрации сохранялся ниже 65 дБ, что соответствует требованиям аэропорта по шуму.