Сталь, благодаря своему исключительному соотношению прочности к весу, пластичности, скорости строительства и способности перекрывать большие расстояния, уже более века является краеугольным камнем мостостроения. Стальной мост — это сооружение, в котором сталь используется в качестве основного материала для его основных несущих элементов, таких как балки, фермы, арки или тросы. Основными компонентами любого моста являются надстройка (все, что находится над опорами, что несет нагрузку) и основание (опоры и устои, которые передают нагрузку на землю). Проезжая часть моста является критически важной частью надстройки; это физическая поверхность, которая непосредственно поддерживает движение — будь то транспортные средства, железнодорожный транспорт или пешеходы — и распределяет динамические нагрузки на основные конструктивные элементы внизу.
Выбор системы проезжей части имеет первостепенное значение, поскольку он существенно влияет на общий вес моста, долговечность, требования к техническому обслуживанию, методологию строительства и, в конечном итоге, стоимость его жизненного цикла. В стальных мостах проезжая часть должна работать синергетически со стальным каркасом, что часто приводит к высокоэффективным композитным конструкциям. Давайте углубимся в мир стальных мостов, изучим различные типы используемых проезжих частей мостов и предоставим подробное описание стальной проезжей части моста, выделив ее явные преимущества. Кроме того, в нем будут разъяснены европейские стандарты проектирования, которые регулируют эти конструкции, излагая их принципы и типичные сценарии применения.
Прежде чем сосредоточиться на проезжей части, важно понимать основные конструктивные системы стальных мостов, поскольку выбор проезжей части часто взаимозависим с основной конструктивной формой.
- Баллочные мосты: Наиболее распространенный тип, использующий стальные двутавровые балки или коробчатые балки в качестве основных продольных опор. Они идеально подходят для коротких и средних пролетов (до 300 метров для коробчатых балок). Выбор проезжей части для этой категории очень разнообразен.
- Ферменные мосты: Состоящие из взаимосвязанных треугольных элементов, ферменные мосты невероятно эффективны при распределении нагрузок. Они часто используются для железнодорожных мостов и могут перекрывать умеренные и большие расстояния. Проезжая часть может располагаться сверху (проезжая часть фермы), снизу (пролетная ферма) или посередине между поясами фермы.
- Арочные мосты: Эти мосты несут нагрузки в основном за счет осевого сжатия. Проезжая часть может быть подвешена к арке (проезжая часть арки) или опираться на нее (пролетная арка). Стальные арки элегантны и могут достигать очень больших пролетов.
- Вантовые мосты: Характеризуются тросами, идущими непосредственно от башен к проезжей части, обеспечивая промежуточную опору. Это позволяет делать очень большие пролеты (более 1000 метров). Проезжая часть вантового моста должна быть исключительно прочной, чтобы выдерживать концентрированные усилия от тросов, что делает стальные ортотропные проезжие части преобладающим выбором.
- Подвесные мосты: Вершина инженерного дела для больших пролетов, где проезжая часть подвешена к основным тросам, перекинутым через башни. Пролеты могут превышать 2000 метров. Проезжая часть должна быть одновременно прочной и аэродинамически устойчивой, и это еще одна область, где легкие стальные проезжие части превосходят другие.
Типы проезжих частей мостов, используемых в стальных мостах
Проезжая часть моста — это «рабочая поверхность» моста. Ее выбор является критическим проектным решением. Ниже приведены основные типы проезжих частей мостов используемых в сочетании со стальными надстройками.
1. Проезжие части из бетонных плит
Бетонные плиты являются наиболее распространенным типом проезжей части моста во всем мире из-за их относительно низкой стоимости, высокой прочности на сжатие и долговечности.
Монолитная (CIP) железобетонная плита: Это включает в себя строительство опалубки на стальных балках, укладку арматуры и заливку бетона на месте. Это универсальный метод, но он трудоемкий и зависит от погоды. Он создает жесткую, прочную поверхность, но добавляет значительный собственный вес конструкции.
Сборные бетонные плиты: Сборные бетонные панели изготавливаются за пределами строительной площадки в контролируемых условиях, транспортируются на площадку и укладываются на стальные балки. Этот метод значительно сокращает время строительства на месте. Швы между панелями затем заполняются раствором или бетоном для обеспечения непрерывности. Он обеспечивает лучший контроль качества, но требует точного производства и обработки.
Предварительно напряженные бетонные проезжие части: Эти проезжие части включают в себя высокопрочные тросы, которые натягиваются, создавая напряжения сжатия в бетоне для противодействия напряжениям растяжения от нагрузок. Они используются как в сборных, так и в монолитных конструкциях и позволяют делать большие пролеты между балками и уменьшать толщину плиты.
2. Композитная проезжая часть (бетонная плита на стальных балках)
Это, возможно, самая распространенная и эффективная система для современных балочных мостов. Композитная проезжая часть — это не отдельный материал, а конструктивное действие. Она включает в себя механическое соединение бетонной плиты с верхним поясом стальных балок с помощью анкерных шпилек. После затвердевания бетона плита и балки действуют как единое целое.
Как это работает: Под нагрузкой бетонная плита, превосходная при сжатии, действует как верхний пояс сжатия глубокой композитной Т-образной балки, в то время как стальная балка в основном сопротивляется растяжению. Это синергетическое действие приводит к гораздо более жесткой и прочной системе, чем если бы два компонента действовали независимо.
Преимущества: Композитное действие позволяет использовать более мелкие и легкие стальные балки для одного и того же пролета, снижая затраты на материалы и размер фундамента. Оно оптимально использует прочность бетона на сжатие и прочность стали на растяжение.
3. Ортотропная стальная проезжая часть
Это узкоспециализированная и эффективная система проезжей части, в которой сама плита проезжей части является неотъемлемым, несущим нагрузку компонентом основной стальной конструкции. Термин «ортотропный» означает наличие различных свойств жесткости в перпендикулярных направлениях. Ортотропная проезжая часть состоит из плоской стальной плиты (обычно толщиной 12–20 мм), усиленной снизу сеткой продольных ребер (трапециевидных, корытообразных или луковичных) и поперечных балок, которые поддерживаются основными балками.
Структура:
Плита проезжей части: Верхняя плита, которая воспринимает прямые нагрузки от колес.
Продольные ребра: Они проходят параллельно направлению движения и охватывают пространство между поперечными балками. Они распределяют местные нагрузки от колес по пролету.
Поперечные балки: Они проходят перпендикулярно движению, поддерживая концы ребер и передавая нагрузку на основные балки. Они обычно располагаются на расстоянии 3–4 метров друг от друга.
Покрытие: Тонкий, прочный материал покрытия (например, мастичный асфальт или специальный эпоксидный асфальт) наносится поверх стальной плиты проезжей части, чтобы обеспечить гладкую поверхность для езды, защитить сталь от коррозии и распределить нагрузки от колес.
4. Стальная проезжая часть с открытой решеткой
Эта проезжая часть изготавливается из стальных прутков или двутавровых профилей, сваренных вместе в прямоугольную или диагональную сетку, создавая открытую сетку. Она легкая и позволяет воде, снегу и мусору проваливаться.
Применение: В основном используется в разводных мостах (подъемных, подъемных мостах), где минимизация веса имеет решающее значение, а также на второстепенных дорогах или мостах промышленного доступа. Ее открытый характер делает ее непригодной для скоростных автомагистралей из-за плохого качества езды и шума, а также она может быть скользкой во влажном или обледенелом состоянии.
5. Деревянная проезжая часть
Хотя деревянные проезжие части менее распространены в крупных современных стальных мостах, они используются в пешеходных мостах, сельских мостах или по эстетическим соображениям в парковых зонах. Они легкие и простые в работе, но имеют ограничения по прочности, долговечности и огнестойкости.
6. Усовершенствованные и гибридные проезжие части
Проезжие части из полимерных материалов, армированных волокном (FRP): Современное нововведение, проезжие части из FRP изготавливаются из композитных материалов (стеклянные или углеродные волокна в полимерной матрице). Они чрезвычайно легкие (около 20% от веса бетона), устойчивы к коррозии и могут быть быстро установлены с использованием больших сборных панелей. Их высокая первоначальная стоимость является барьером для широкого распространения, но они набирают популярность для быстрой замены мостов и в агрессивных средах.
Гибридные проезжие части: Они сочетают в себе материалы для оптимизации производительности. Например, стальная сетка, заполненная бетоном, сочетает в себе прочность сетки на растяжение с прочностью на сжатие и массой бетона, создавая легкую, но прочную композитную систему.
Превосходство ортотропной стальной проезжей части: акцент на преимуществах
Среди всех типов проезжих частей ортотропная стальная проезжая часть выделяется своим уникальным набором преимуществ, особенно в конкретных сложных областях применения. Ее преимущества наиболее очевидны при прямом сравнении с обычными бетонными и композитными проезжими частями.
1. Чрезвычайно легкая:
Это ее самое значительное преимущество. Ортотропная проезжая часть составляет примерно 20–30% от веса эквивалентной железобетонной плиты. Это резкое снижение собственного веса оказывает каскадное положительное воздействие:
Уменьшение количества материала в основных балках: Более легкая проезжая часть означает меньшие, более легкие и менее дорогие основные балки.
Меньшие фундаменты: Общая нагрузка на опоры и устои уменьшается, что приводит к меньшим и более экономичным фундаментам.
Повышенная сейсмическая устойчивость: Меньшая масса приводит к меньшим силам инерции при землетрясениях, что делает конструкцию более безопасной в сейсмоопасных регионах.
2. Высокая несущая способность и эффективность:
Ортотропная конструкция создает высоко избыточную и эффективную конструкцию. Многоуровневая система (плита проезжей части -> ребра -> поперечные балки -> основные балки) эффективно распределяет концентрированные нагрузки от колес по большой площади. Это делает ее исключительно прочной для своего веса, позволяя ей выдерживать очень большие динамические нагрузки, такие как нагрузки от интенсивного движения грузовиков или железных дорог.
3. Пригодность для больших пролетов и разводных мостов:
Легкий вес незаменим для мостов с большими пролетами (вантовых и подвесных). Здесь вес проезжей части является доминирующим фактором проектирования. Более тяжелая проезжая часть потребует массивного, непрактичного количества стали в тросах, башнях и анкерах. Для разводных мостов минимизация веса подвижного полотна имеет решающее значение для размера механической операционной системы, энергопотребления и стоимости.
4. Быстрое строительство и сборка:
Большие секции ортотропных проезжих частей могут быть полностью изготовлены, окрашены и даже покрыты покрытием в контролируемых заводских условиях. Эти массивные модули затем можно транспортировать на площадку и поднимать на место, что значительно ускоряет процесс строительства, улучшает контроль качества и минимизирует перебои в движении.
5. Долговечность и долговечность:
При правильном проектировании, изготовлении, защите (с использованием высокоэффективных систем покрытия) и обслуживании стальная ортотропная проезжая часть может иметь очень долгий срок службы. Основные проблемы — усталость и коррозия — хорошо изучены и могут быть смягчены путем тщательной детализации, процедур сварки и защитных систем.
6. Небольшая глубина конструкции:
Вся ортотропная система относительно тонкая, что является основным преимуществом в ситуациях с жесткими ограничениями по вертикальному зазору, например, в городских условиях или когда нежелательно поднимать профиль дороги.
Сравнение с бетонными проезжими частями:
Хотя бетонная плита дешевле по первоначальной стоимости материалов, ее большой вес влечет за собой значительные затраты в других местах (более крупные балки и фундаменты). Ее также дольше строить на месте. Ортотропная проезжая часть с ее высокой первоначальной стоимостью изготовления оказывается экономически выгодной в контексте полного жизненного цикла для мостов с большими пролетами, разводных или быстро возводимых мостов, где в полной мере используются ее преимущества в отношении веса и сборки.
Европейские стандарты проектирования мостов и их применение
В Европе проектирование мостов, включая выбор и детализацию проезжих частей мостов, регулируется единым набором норм, известных как Еврокоды. Соответствующим стандартом для проектирования мостов является EN 1990 to EN 1999, причем EN 1993 (Проектирование стальных конструкций) и EN 1994 (Проектирование композитных стальных и бетонных конструкций) особенно важны для стальных мостов.
Что такое европейский стандарт (Еврокод)?
Еврокод — это всеобъемлющий набор гармонизированных технических правил для проектирования строительных работ. Разработанный Европейским комитетом по стандартизации (CEN), его основная цель — устранить технические препятствия для торговли и обеспечить единый рынок строительной продукции и услуг в Европе. Он обеспечивает общую основу для проектирования, обеспечивая:
Структурную безопасность: Защита от обрушения и чрезмерной деформации.
Пригодность к эксплуатации: Обеспечение удовлетворительной работы конструкции при нормальном использовании.
Долговечность: Обеспечение требуемого срока службы при надлежащем техническом обслуживании.
Огнестойкость: Обеспечение адекватной работы в случае пожара.
Для мостов основными частями Еврокода являются:
EN 1990 (Основы проектирования конструкций): Определяет основные принципы, предельные состояния и сочетания нагрузок.
EN 1991 (Воздействия на конструкции): Определяет нагрузки (собственный вес, динамические, ветровые, снеговые, тепловые, транспортные и т. д.).
EN 1992 to EN 1999: Предоставляют правила проектирования для различных материалов (бетон, сталь, композит, древесина и т. д.).
Применение проезжих частей мостов, соответствующих Еврокоду
Выбор системы проезжей части в соответствии со стандартами Еврокода — это решение, основанное на целостном анализе с учетом безопасности, экономики и контекста («решающие параметры», изложенные в EN 1990). Проекты, соответствующие Еврокоду, не предписывают единого решения, а предоставляют основу для оценки различных вариантов.
- Композитные бетонно-стальные проезжие части: Это преобладающее и наиболее экономичное решение для подавляющего большинства небольших и средних пролетных автомобильных и железнодорожных мостов (пролеты от 20 м до 100 м) по всей Европе. Еврокод 4 предоставляет подробные правила проектирования соединительных элементов, поперечных сечений и оценки усталости. Его широкое использование обусловлено оптимальным балансом между стоимостью, долговечностью и конструктивной эффективностью.
- Ортотропные стальные проезжие части: В соответствии с Еврокодом (в основном EN 1993-2 для стальных мостов) ортотропные проезжие части являются предпочтительным и часто обязательным решением в следующих сценариях:
Вантовые и подвесные мосты с большими пролетами: Знаменитые европейские мосты, такие как виадук Мийо (Франция) или мост через Эресунн (Дания/Швеция), используют ортотропные проезжие части для управления критической собственной нагрузкой.
Разводные мосты: Подъемные и поворотные мосты на водных путях и в портах Европы полагаются на ортотропные проезжие части, чтобы минимизировать массу движущихся элементов.
Реконструкция мостов и снижение веса: При усилении или замене существующего моста с ограничениями по весу ортотропная проезжая часть часто является единственным жизнеспособным вариантом для увеличения грузоподъемности без изменения основания.
Ускоренное строительство мостов (ABC): Для проектов, где минимизация перебоев в движении является главным приоритетом (например, в густонаселенных городских районах или на критических транспортных коридорах), сборка больших панелей ортотропной проезжей части делает ее привлекательным выбором в соответствии с принципами оценки жизненного цикла Еврокода.
Ситуации с жесткими ограничениями по вертикальному зазору: Его небольшая глубина является решающим фактором.
- Другие проезжие части: Проезжие части с открытой решеткой могут использоваться в конкретных промышленных или разводных мостовых конструкциях, а древесина и FRP рассматриваются для специализированных проектов, таких как пешеходные мосты, проектирование которых осуществляется в соответствии с EN 1995 (Древесина) и развивающимися европейскими техническими оценками для FRP.
Выбор проезжей части моста для стального моста — это сложное, многогранное решение, которое лежит в основе мостостроения. От обыденной и прочной композитной бетонной плиты до узкоспециализированной и эффективной ортотропной стальной проезжей части — каждая система предлагает уникальный набор свойств, адаптированных к конкретным потребностям. В то время как бетонные и композитные проезжие части превосходно обслуживают большинство стандартных мостов, ортотропная стальная проезжая часть предстает как триумф инженерных инноваций. Ее непревзойденное соотношение прочности к весу делает невозможное возможным, обеспечивая захватывающие дух пролеты подвесных мостов и эффективную работу разводных мостов.
Европейские стандарты проектирования, воплощенные в Еврокодах, обеспечивают строгую, научную и целостную основу для принятия этих критических решений. Они гарантируют, что независимо от выбранного типа проезжей части — будь то экономичная композитная плита для региональной эстакады или сложная ортотропная проезжая часть для знакового перехода — окончательная конструкция будет безопасной, пригодной для эксплуатации, долговечной и экономически выгодной на протяжении всего срока ее службы. Постоянное развитие материалов и методологий проектирования, основанное на этих стандартах, обещает еще более эффективные и устойчивые стальные мосты в будущем, при этом проезжая часть моста остается центральным элементом их производительности и успеха.
Ваше сообщение должно содержать от 20 до 3000 символов!
