Между Сциллой и Харибдой

Сообщение Стефано Карамелли и Пьетро Кросе (Италия) "Мост через Мессинский пролив: вспомогательные испытания при проектировании усталостной прочности настила", сделанное ими 13 июля 2000 г. на международной конференции, организованной и проведенной Международным институтом сварки

Введение

Для связи Сицилии с Калабрией (это и есть мифические Сцилла и Харибда), южной частью материковой Италии, через разделяющий эти две провинции Мессинский пролив компанией "Stretto di Messina" был запроектирован и возведен подвесной мост общей длиной 3 660 м с пилонами на каждом берегу.

Средняя ежедневная пропускная способность этого автодорожно-железнодорожного моста - 50 000 экипажей и 120 поездов в каждом направлении.

Срок службы моста - 200 лет, что согласовано с чрезвычайно требовательными, с точки зрения безопасности, нормами проектирования, функциональными возможностями конструкции и легкостью обслуживания.

Данный мост способен выдерживать землетрясения, распространяющиеся с ускорением 6 м/с2, то есть гораздо более сильные, чем разрушительное землетрясение, произошедшее в Мессине в 1908 г., а также воздействие ветра, скорость которого достигает 216 км/час. Такой ветер дует в районе Средиземноморья раз в 2000 лет.

При проектировании такого супермоста необходимо было решить ряд задач, касающихся оценки проектных значений его работы, структурной нелинейности, устойчивости пилонов, аэроупругой устойчивости настилов, усталостного поведения настилов и тросов, полного динамического поведения конструкции, проблемы практичности и удобства, а также геологических и геотехнических аспектов, связанных с проектированием фундаментов и блоков анкеров.

Были использованы современные моделирующие программы, снабженные результатами специальных испытаний.

Подвесная система

Мост Мессина является классическим подвесным мостом с единственным центральным пролетом длиной 3 300 м и двумя более короткими боковыми пролетами. Отношение длины моста к высоте пилонов, равное 11, позволяет получить наилучшее сочетание эффективности работы тросов, с точки зрения грузоподъемности, жесткости и устойчивости системы.

Пролетное строение представляет собой три независимые коробчатые балки. Центральная балка несет нагрузки, создаваемые движением железнодорожного транспорта, боковые - автодорожного движения.

Таким образом как поезда, так и автомашины большой грузоподъемности сосредотачиваются рядом с продольной осью моста в наименее критических с точки зрения динамической характеристики конструкции зонах, что особенно важно при оценке деформаций кручения.

Кроме пролетного строения, подвесной системы и пилонов в число основных элементов моста входят эксплуатационные, контролирующие и антидиверсионные системы.

Подвесная система, несущая пролетное строение и регулирующая его пространственное положение, изготовлена из двух пар тросов диаметром 1,24 м. Расстояние между тросами пары - 1,75 м, расстояние между центрами тяжести пар - 52 м. Каждый трос (длиной 5300 м) свит из 44352 проволок (88 прядей) из высокопрочной стали диаметром 5,38 мм. Общий вес проволоки в каждом тросе равен 408 тыс. кН.

Через каждые 30 м по горизонтали каждая пара тросов соединяется с пролетным строением подвесами - ленточными тросами. Крайние точки главных поперечных балок, соединяющих и поддерживающих автодорожные и железнодорожные продольные коробчатые балки, подвешены на ленточных тросах с помощью четырех рядов кронштейнов. Тросы, погонный метр каждого из которых весит 78, 5 кН, подвергаются постоянному растяжению силой 677 тыс. кН. Они эффективно ограничивает деформацию, обеспечивая при этом общую устойчивость моста.

Проектированию предшествовал подробный анализ аэроупругой устойчивости кронштейнов, длина которых варьируется в диапазоне от 5 до 300 м.

Поскольку на эксплуатационные качества проезжей части влияет деформационная способность всей конструкции, жесткость тросов боковых пролетов была увеличена. Она регулируется через дополнительные опоры, оснащенные механизмами создания предварительного напряжения.

Для выравнивания локальных напряжений в проволоках вблизи опор несущих тросов и в жесткой заделке были также проанализированы соответствующие прогрессивные решения.

Пилоны, которые через блоки крепления передают все напряжения тросов береговым опорам, представляют собой гибкие конструкции из стали S420, оптимизированные с точки зрения их сейсмического и аэродинамического поведения.

Каждый пилон, вес которого составляет 530,7 тыс. кН, имеет высоту 370 м (376 м над уровнем моря) и состоит из двух плоских металлических ферм, соединенных поперечными ромбоидальными решетчатыми связевыми диафрагмами (16х12м), имеющими диагональные балки.

Каждый пилон представляет собой ячеистую конструкцию, выполненную из панелей, усиленных во всех направлениях. Благодаря однотипности соединяемых болтами ячеек возможно предварительное изготовление всей конструкции.

Для сведения к минимуму вращения в горизонтальной плоскости настила железнодорожная коробчатая балка продолжена под пилонами, хотя здесь она более гибкая, а вот автодорожные балки отсоединены.

Таким образом, силы, представляющие собой результат воздействия ветра на весь консольно-балочный пролет, легко регулируются. Шарнир, созданный таким образом, связан через соединительный стержень с пилонами, чтобы предупреждать только поперечное движение настилов относительно пилонов.

В соединительном стержне эластично-пластичный изолятор ограничивает силы, передаваемые при сильных землетрясениях.

Для конечных областей конструкции были приняты специальные решения, аналогичные решениям для областей, находящихся рядом с пилонами.

Они нацелены на снятие проблем, вызванных смещениями концов настила. Особенно примечательным в этих зонах является недавно разработанное железнодорожное расширенное соединение, допускающее искажение рельсового пути С3,40 м.

Подструктуры, включающие фундаменты пилонов и конечные зоны конструкции, а также тросовые анкерные блоки, представляют собой массивные монолитные конструкции, не представляющие каких-либо специальных проектных аспектов, за исключением значительных размеров: 86,4 тыс. м3 бетона для фундамента пилона в Сицилии, 72,4 м3 - для фундамента пилона в Калабрии, 328 тыс. м3 для блока крепления в Сицилии и 237 тыс. м3 - для блока крепления в Калабрии. Особое внимание уделялось интегрированию этих огромных конструкций в окружающую среду.

Стоит отметить геотехнические и геологические научные исследования, осуществлявшиеся с целью получения необходимой информации во время всех стадий проектирования подструктур.

Изучение стабильности в сейсмических условиях подводного склона на стороне Калабрии дало математическое ожидание постоянного отклонения подошвы фундамента от скалы менее 30 см, что незначительно для параметров склона.

Более того, совместные исследования, проведенные на прилегающей территории, показали, что фундамент практически нечувствителен к деформациям склона.

Проверка несущей способности блоков крепления выявила наличие достаточного запаса коэффициентов безопасности. Горизонтальные смещения, вызванные приложением растягивающей силы к висячим кабелям, достаточно малы - 6 и З см соответственно, в то время как очень сильное землетрясение не вызывает необратимых изменений.

Периметральные диафрагмы фундаментов пилонов заглублены на глубину до -65 м ниже уровня моря. Данному решению, разумеется, сопутствует бетонирование фундаментов в местах заделок.

Проверка результатов проектирования показывает, что фундаменты пилонов будут устойчивы в рамках параметров безопасности. Максимальное горизонтальное смещение фундаментов составляет менее 10 см при всех исследованных режимах нагрузки, в то время как максимальное вертикальное отклонение составляет 2,5 см для фундамента в Калабрии и 12 см - для Сицилии.

В данном проекте использовались специальные машины и оборудование, учитывались условия эксплуатации, применялись системы наблюдения за состоянием окружающей среды, структурное, эксплуатационное и дорожное регулирование, а также антидиверсионные меры безопасности.

Были предусмотрены вспомогательные системы управления для обеспечения не только удобного и безопасного обслуживания моста, но и необходимых эксплуатационных показателей по безопасности воздушного сообщения и персонала, выносливости конструкции, а также по оптимизации управления и обслуживания.

Эти проблемы были объектами особого внимания еще на первой стадии проектирования (выбор расчетной схемы). Основной целью было сведение к минимуму необходимости вмешательства, обеспечение возможности оптимальной доступности, контролируемости и функционирования систем поддержки.

Для сведения к минимуму возможности корродирования предусмотрено должное просушивание всех внутренних объемов.

Настил

Настил, поддерживаемый тремя независимыми коробчатыми балками, разделенными стальной решеткой, имеет 60 м в ширину и несет на себе 2 железнодорожных полотна и 12 автомобильных полос, две из которых зарезервированы для дорожной службы и вспомогательных транспортных средств, а еще две - для железнодорожного обслуживания и соответствующих транспортных средств. Общий вес настила составляет 692 тыс. кН.

Принятое устройство настила объединяет исключительно малое сопротивление ветру и прекрасную аэроупругую устойчивость, что было получено путем аэродинамической оптимизации геометрии коробчатых балок, решетки и отдельных элементов. Данный результат был получен последовательным приближением с постепенным увеличением степени детализации и размеров экспериментальных моделей, чтобы смоделировать воздействие ветра на мост настолько точно, насколько это возможно.

Ветровые щиты, расположенные по краям настила, уменьшают воздействие ветра на мост на 35% и сводят к минимуму чувствительность моста к присутствию на настиле транспортных средств, защищая одновременно и эти средства как таковые. Аэроупругая устойчивость для скорости ветра до 270 км/час обеспечивается специальными аэродинамическими стабилизаторами, встроенными в ветровые щиты.

В соответствии со скоростью поперечного ветра, равной 80 км/час, что является реальной величиной для сильных ветров, дующих в проливе, максимальный поперечный наклон настила не превышает 3%, в то время как максимальное боковое отклонение в середине пролета составляет 2,5м.

Высота настила составляет 64,35 м над уровнем моря в створе пилонов и 70 м в середине судоходного пролета моста. Вертикальный судоходный просвет по оси фарватера равен 64 м.

Протяженность настила судоходного пролета - 3 176 м.

Как уже было сказано выше, пространственную ферму пролетного строения составляют продольные коробчатые бал-ки, свариваемые с поперечными балками, которые передают нагрузки подвесной системе. Конструкция настила включает две дополнительные краевые продольные системы - балки, поддерживающие горизонтальную ферму и ветровые щиты, и коробчатые балки, поддерживающие железнодорожные поручни, поперечные перекладины и кронштейны решетки.

Настил выполнен из стали Fe510D. Общий вес его примерно равен 536 тыс. кН. Расчетная распределенная статическая нагрузка составляет примерно 230 кН/м, при этом 28,5 кН/м приходится на долю железнодорожных коробчатых балок, 9,8 кН/м - на долю железнодорожной подконструкции, 63,7 кН/м - на долю автодорожных коробчатых балок, 19,9 кН/м - на долю дорожного покрытия и 49,1 кН/м - на долю главных поперечных балок.

Поперечное сечение

Как уже было упомянуто, настил несет на себе платформу с шестью полосами движения и одним железнодорожным путем в каждом направлении. Полосы расположены от края к середине следующим образом: полоса автодорожной службы для обслуживания и помощи со стальным решетчатым дорожным покрытием шириной 3,50 м (2,82 м от перил), автомобильная полоса для обгона с битумным покрытием шириной 3,75 м с безопасной зоной, простирающейся на 25 см от перил, обычная автодорожная полоса с битумным покрытием шириной 3,75 м, медленная автодорожная полоса с битумным покрытием шириной 3,75 м, автодорожная полоса, необходимая в экстренных случаях, со стальной решетчатой поверхностью (шириной 3,75 м, дополненная через каждые 450 м вымощенной площадкой для остановок), железнодорожный обслуживающий путь со стальной решетчатой поверхностью (шириной 3,75 м), железнодорожное полотно общей шириной 5,00 м.

Мощеные поверхности имеют 2%-ный поперечный уклон, так что стоки направляются во внутренние решетчатые зоны, где размещен дренажный канал.

Продольные коробчатые балки

Автодорожные коробчатые балки с покрытием из битума толщиной 38 мм характеризуются асимметричным поперечным сечением в форме крыла шириной 12,75 м и высотой 2,35 м. Внешний контур каждой коробчатой балки представляет собой ортотропную платформу с верхней стальной пластиной толщиной 14 мм, с продольными трапецеидальными ребрами жесткости толщиной 6мм, внутренний же контур выполнен из изогнутой пластины толщиной 9 мм, укрепленной в продольном направлении выпуклыми профилями.

Железнодорожная коробчатая балка имеет ширину 8,29 м и высоту 2,32 м. Внешний контур представляет собой ортотропную оболочку с верхней стальной плитой толщиной 16 мм, с продольными трапецеидальными ребрами жесткости толщиной 6 мм, сосредоточенными под железнодорожным полотном.

Внутренний контур имеет симметричный замкнутый профиль и выполнен из изогнутой пластины толщиной 10 мм, укрепленной в продольном направлении выпуклыми профилями.

Железнодорожная подконструкция крепится непосредственно к верхней пластине ортотропной оболочки.

Как железнодорожные, так и автодорожные коробчатые балки ожесточены по всей высоте поперечными диафрагмами, расположенными через одинаковые интервалы, равные 2,65м.

Для ограничения деформативности ортотропных платформ, а также для уменьшения напряженного состояния, вызванного эксплуатационными нагрузками, в железнодорожные коробчатые балки между диафрагмами через постоянные интервалы вставляются дополнительные поперечные перекладины, уменьшая таким образом продольный пролет.

Поперечные балки

Сварка соединяет три продольные коробчатые балки с главными поперечными балками пролетом 52 м. Сечение поперечных коробчатых балок имеет прямоугольную форму (4 м в ширину) и переменную высоту (максимальная составляет 4,37м).

Изготавливается посредством сварки ожесточенных листов толщиной 12 и 24 мм. В частности, верхний фланец изготовлен из ортотропной панели толщиной 22 м, усиленной трапецеидальными ребрами жесткости, расположенными в главной плоскости изгиба балки перпендикулярно к автодорожным и железнодорожным ребрам жесткости коробчатых балок.

Настил подвешен к основным тросам с помощью групп из двух, трех или четырех кронштейнов, находящихся в конце каждой балки и прикрепленных к углам балок специальными пластинами, соединенными примыкающими пластинами.

В силу высокой степени статической неопределимости система настила гарантирует адекватную безопасность в чрезвычайном случае выхода из строя всех кронштейнов, присоединенных к одной балке или даже к двум смежным балкам.

Внутренняя часть поперечных балок, а также автодорожных и железнодорожных балок полностью доступна для контроля и обслуживания во время эксплуатации, входные участки расположены на одном уровне с их боковыми верхними частями.

Для доступа во внутренние части автодорожных и железнодорожных балок созданы специальные люки в перемычках поперечных балок, в местах их пересечений с продольными коробчатыми балками.

Проектирование настила с учетом усталостной прочности, а также на основе результатов испытаний

Как уже упоминалось, проектом моста был предусмотрен номинальный срок эксплуатации объекта, составляющий 200 лет, что гораздо больше обычно рекомендуемого эксплуатационного срока, равного 50 годам.

Эти требования, в основе которых лежат условия работы сооружения, обуславливают, с учетом усталостной прочности, проектирование моста как объекта, подвергающегося критическим нагрузкам.

Чувствительность к усталости является значительной как из-за большого срока эксплуатации (а значит, большого количества циклов нагружения), так и из-за наличия железнодорожных нагрузок, которые вызывают сложные напряжения, объединяющие местные влияния с важными циклическими глобальными явлениями.

Проверка на восприятие пространственной металлоконструкцией настила усталостных нагрузок может быть выполнена с применением кривых S-N (отражающих соотношение нагрузок и нормальных напряжений), построенных для сочетаний "ребра жесткости и панель настила", "ребра жесткости и ребра жесткости" и "ребра жесткости и листы сварных соединений диафрагм самой ортотропной пластины", которые можно найти в спецлитературе.

Изучение же поведения при усталостной нагрузке некоторых специальных узлов, типичных для данной конструкции, потребовало утонченных числовых и особенно экспериментальных исследований.Подготовил Сергей ЗОЛОТОВ
Окончание следует


Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 20 за 2001 год в рубрике новости

©1995-2022 Строительство и недвижимость