5 Августа 2018

Вантовые мосты: что собой представляют и как работают?

Опубликовал К.В. Кулик

Такие по-настоящему величественные и масштабные конструкции, как вантовые мосты, привлекают внимание не только тех, кто ценит их конструкционную ценность, но и художников, фотографов и туристов. Действительно, такое сооружение захватывает дух, и в то же время удивляет своей лёгкостью и простотой, ведь состоит, казалось бы, из простых элементов, при помощи каких-то хитростей удерживающих на себе всю данную конструкцию.

Если взять на себя такую смелость и рассмотреть конструкцию вантового моста подробно, можно узнать такие увлекательные и интересные вещи, которые не оставят равнодушными.

История мостового строительства 

Мосты такая же неотъемлемая часть цивилизации, которая идёт путём прогресса, как и колесо. Неизвестно, кто и когда построил первый мост, однако очевидно, что это был человек, который не хотел идти в обход по назначенному месту, которое пересекало препятствие в виде реки или оврага, проложив себе путь с помощью доски или дерева через него. Так появилась простая практичная балочная конструкция, такая незаменимая в узких местах, где требуется простое решение.

Небольшая река не вызывает проблем с такой инженерной постройкой, как мост. Если она не только узкая, но и достаточно мелкая, проблем с прокладкой опор не будет. Однако дело меняется в корне, когда необходимо перебросить мост через берега широкой полноводной реки, или же залива. Здесь без инженерной смекалки и конструкторских хитростей не обойтись.

При постройке такого типа сооружения приходится прибегнуть к массе ухищрений. Каждая опора большого моста доставит лишние хлопоты и затраты, производимые на неё, к тому же не всегда можно полагаться на достоверность расчётов в том плане, что воздействие сил течения воды, омывающей опоры и веса моста может оказаться достаточно непредсказуемым.

Каждому пролёту положено выдерживать нагрузку, строго регламентирующуюся его конструкционными пределами возможностей. На пролёт моста воздействуют две противоположные диаметрально силы - растяжения и сжатия. Первая воздействует на мост снизу, действие второй силы приходится сверху.

При увеличении переносимой тяжести нагрузки на мост будут требоваться дополнительные приспособления, которые перераспределяют вес таким образом, чтобы не росли габариты несущей балки. Такие конструкции известны уже давно и используются во многих сооружениях, с которыми можно столкнутся при пересечении железнодорожных мостов - ажурные железные опоры, либо арочные сооружения, свойственные автодорогам.

Арки переносят нагрузку, приходящуюся на центр пролёта, на все боковые опоры. Новизну в дело мостостроения внесли инженеры 20-го столетия, предложив использовать висячие мосты, принцип устройства которых в том, что нагрузка переносится на трос, который удерживает балку моста. Таким образом, несущая конструкция моста представляет собой гибкий элемент в виде тросов или цепей, удерживающих балку. Знаменитый мост в Сан-Франциско представляет именно такой тип мостов.

Почему появились вантовые мосты

Несмотря на то, что вантовые мосты, по сути, являются разновидностью подвесных мостов, существуют определённые конструкционные различия, в частности, касающиеся несущей конструкции, представляющей собой не гибкий элемент, как в общем случае, а передаёт нагрузку при помощи тросов опорам благодаря схеме соединения.

Схемы соединения тросов с опорами бывают двух типов - в одном случае веерная схема, в другом они крепятся в стиле арфы. Различия между ними таковы, что при креплении моста в стиле веера все тросы расходятся из одной точки, однако такой вариант трудно осуществить, если мост действительно большой. Хотя, именно такой вариант предпочтительней. При схеме крепления в стиле арфы тросы идут параллельно друг другу, а если быть честными - практически параллельно. Существует ещё такой вариант, при котором ванты крепят по схеме веерного соединения, но на определённом расстоянии друг от друга.

На сегодняшний день первое место по длине пролётов моста занимает Россия с Русским мостом, пролегающим над проливом Босфор восточный (Владивосток). Расстояние между пролётами там составляет 1104 метра. Данный мост победил прошлого номинанта на первое места, мост Сутун в Китае, там расстояние между пролётами моста составляет 1088 метров.

Производство вантов для опор моста не такое простое дело, как кажется, ввиду конструкционных особенностей моста. Кроме того, длина тех вант, которые используются в Русском мосте, тоже нестандартная, поэтому их производство вынуждает прибегнуть к особенным технологиям. Несмотря на определённые риски, связанные с инновациями, французской компании специализирующейся на изготовлении вант для мостов оказалось под силу выполнить этот заказ. Freyssynet уже давно изготавливает ванты, поэтому изготовить их на порядок длиннее и прочнее для них не представило сложности.

Конструирование моста, использующего вантовую систему крепления опоры не такая простая задача, включающая в себя множество аспектов, одним из которых является правильная постановка задачи, включающая все возможные переменные. Это сложная инженерная задача, требующая комплексного подхода, особенно если учитывать габариты мостов, пролегающих между большими морскими расстояниями, где вантовая система являет собой единственное разумное решение.

Ванты, изготавливаемые Freyssynet, имеют непростую конструкционную подачу. Они состоят из множества разветвлений - стрендов. Тросы, используемые в такой конструкции тонкие и прочные. Всего шесть жил, которые гальванизированы соответствующим образом, обвивают седьмую, централизованную. Для моста внушительных размеров достаточно нескольких сотен стрендов. Для маленьких локальных конструкций их может понадобиться всего несколько экземпляров.

Что важно, конструкция тросов, которые составляют стренд такова, что при необходимости можно заменить каждый из них, а кроме гальванизации их покрывает защитный антикоррозионный слой. Внутри стренда они не соприкасаются друг с другом. Таким образом, можно заменить даже эту конструкцию, поскольку можно извлечь её из ванты.

Кроме того, такая опора может с лёгкостью быть украшена подсветкой, делая общий вид моста ещё более грандиозным в ночное и вечернее время. Защитная противокоррозионная оболочка моста покрывается сверху ещё одной под стилевые особенности дизайна, преследуя эстетические цели.

Чем выгодны вантовые конструкции 

Там, где начинаются все расчёты, связанные с подверженностью стихиям той или иной конструкции, в дело подключаются аэродинамические законы, полное игнорирование которых может привести к плачевным результатам. Поэтому любая конструкция вроде мостов подвергается специальным испытаниям, включая аэродинамические, “пробующие” мост в разных режимах.

Инженеры из вышеназванной французской компании додумались до нового решения, касающегося покрытия ванты. Они предложили использовать рёбра, имеющие форму спирали, для отвода дождевой воды. В этом есть гораздо более глубокий смысл, чем можно подумать, ведь правильный отвод дождевой воды обеспечивает также избавление от лишней нагрузки на опоры. Если представить, сколько воды стекает во время дождя по опорам, увеличивая нагрузку на них, можно понять, почему так важно от нее избавиться правильно и как можно более эффективно. Кроме этой составляющей также ребра изготовленные таким профилем позволяют “разбить” поток воздуха, который соприкасается с опорой. Это снова снижает нагрузку на опору. Для габаритных мостов, несущих огромные нагрузки, это особенно важно, ведь они испытывают такое воздействие стихий, что провоцирует вибрации моста. Для этого в конструкции предусматриваются демпферы, снижающие передающиеся вибрационные колебания от опор на балку моста. Демпферы в данном случае это устройство, состоящее из гидравлического цилиндра с поршнем. Вместе это всё помогает уберечь мост от нежелательных стихийных воздействий на него. 

Мосты с пилонами

Помимо собственно вант в конструкции моста присутствует ещё один элемент, который умеет впечатлить. Это пилоны - опоры, на которые собственно укладывается мост. Для подобных Русскому мосту сооружений масштабность построек пилонов можно сопоставить разве что со строительством небоскрёба. Масштабы возведения действительно впечатляют, ведь для этого нужно было бурить скважины, что усложнялось наличием твёрдых пород в грунте. Затем в полученные отверстия заливали бетонные смеси, которые образовали сваи. После всего этого над отверстиями, залитыми бетоном монтировалась некоторая площадь, к которой уже начинала присоединяться вся остальная конструкция. Эта площадка называется ростверк. К ней крепится пилон со всеми его дополнительными конструкциями.

Интересный момент касается самого создания пилона, ведь тут используется технология, в которой принимают участие самоподъёмные опалубки. Это значит, что после того, как создался один участок пилона, опалубке нужно было перемещаться вверх для создания нового фрагмента. Для удобства перемещения было допущено возведение нескольких перемычек между пилонами, что значительно упростило и ускорило процесс возведения опор такого плана, как пилоны. 

Уникальность вантовых сооружений в мире 

Бесспорно, красоту вантовых мостов трудно переоценить. Для них отведено особое место в списке всех достопримечательностей, посещаемых туристами. Русский мост выделяется среди всех конструкций такого типа не только габаритами, но и уникальностью, однако это не единственный мост, способный удивить параметрами. Встречаются и другие интересные варианты - например, в конструкции Живописного моста в Москве центральный пролёт держит один пилон, расположенный в центре. Конструкция его такова, что ванты расходятся действительно веером по обе стороны моста, создавая действительно уникальный вид.

Для примера также можно рассматривать мост, расположенный в Мексике, соединяющий берега реки Санта-Катарины. В конструкции этого моста используется один пилон, расположенный под углом наклона, создающим удивительную картину. Ванты же этого моста крепятся параллельно друг другу.

В качестве примера оригинальности поставленного решения с конструкцией моста можно также рассматривать устройство виадука Мийо, не имеющего аналогов в мире. Виадук Мийо занимает первое место по высоте среди мостов мира, и обладает высотой пилонов, превышающую высоту Эйфелевой башни.

Стоит однако заметить, что вантовым мостам приходится нелегко в плане выдерживания шквала критики общественного мнения, ведь дороговизна мостов вызывает множество негатива со стороны как специалистов, так и простых граждан. Не всем нравится подобное распоряжение ресурсами налогоплательщиков. Но если рассудить с точки зрения безопасности и экономии времени, которые дарят такие мосты, становится не так обидно за потраченные средства. Поскольку вантовые мосты порой это единственный способ соединить между собой безопасно отдалённые участки суши, ввиду того, что благодаря своей конструкции они могут противостоять погодным неблагоприятным условиям, которые усиленно создают нагрузку. Кроме этого, вантовые мосты имеют большие преимущества в качестве железнодорожных переправ, ведь они более устойчивы и жёстко скреплены, не имея таких вибраций, как, к примеру, другие виды мостов. Надёжность определяет преимущество вантовых мостов пред другими.

По логике, стоимость вантового моста тем выше, чем больше у него пролётов в конструкции. Поэтому если расстояния пролётов составляют 200-500 метров, то вантовым мостам не остаётся никакой серьёзной конкуреции. На сегодняшний день стоимость моста такого типа немного понижается за счёт развития технологии производства всех необходимых для его возведения элементов.