Алюминиевые мосты в Швеции
Одной из серьезных проблем для многих скандинавских стран можно назвать ухудшение состояния и износ мостов. Это происходит, главным образом, из-за сурового климата, использования дорожной соли в зимнее время, а также увеличения интенсивности движения и нагрузки. В Швеции была разработана система алюминиевого экструзионного мостового полотна для восстановления автодорожных мостов.
В Швеции было восстановлено около 60 мостов путем замены бетонного полотна на ортотропную плиту, состоящую из алюминиевых прессованных профилей, собранных посредством соединения в шпунт. В некоторых случаях данная система применяется и при строительстве новых мостов.
Военный мост для бронетанковой техники был разработан в связи с повреждением понтонного моста во время проведения учений с форсированием реки танками Leopard 2 весной 2000 г. Анализы и расчеты, проведенные после повреждения моста, показали, что коэффициент прочности оказался ниже, чем принятый ранее. Был разработан новый мост. Он состоит из алюминиевых прессованных профилей, частично соединенных посредством новой технологии сварки Friction Stir Welding (сварка трением с перемешиванием) и отчасти — посредством аргоно-дуговой сварки. Двадцатиметровый мост способен выдержать полностью загруженный Leopard 2 и удовлетворяет Military Load Class 70 (Положение 70 о военных грузах) в соответствии со стандартами НАТО.
Автодорожные мосты
В 1967 г. в Швеции был построен первый алюминиевый автодорожный мост. Простирающийся над каналом Дасландз в местечке Апперуд мост представлял собой сварную раскрывающуюся конструкцию, 4 м в ширину, с пролетом 8,1 м. Возникновение трещин в сварочных швах привело к тому, что мост был демонтирован в 1987 г., до того как алюминий стали активно применять в мостостроении. В такой конструкции моста алюминий использовался только для настила, а сварка больше не применялась. К настоящему моменту по этой технологии построено около 70 мостов, большая часть из которых находится в Швеции и несколько — в Норвегии и Финляндии. Сейчас в большинстве случаев поврежденные бетонные мостовые полотна заменяются алюминиевыми, что значительно сокращает вес моста.
Рис. 1. Поперечное сечение малого и большого (алюминиевых) профилей
Базовая конструкция моста — ортотропная плита, сделанная из полых алюминиевых прессованных профилей, скрепленных посредством шпунтового соединения в верхней кромке, как показано на рис. 1. Данный тип соединения переносит поперечную силу с одного профиля на другой. В то же самое время он позволяет каждому отдельному профилю поворачиваться вне зависимости от смежных с ним элементов. Полая часть используется с целью создания высокой степени защиты от деформации профиля.
При больших нагрузках, которым часто подвергаются мостовые полотна, устойчивость полотна обеспечивается сочетанием жесткости профилей на изгиб и кручение. В этом случае распределение нагрузки будет осуществляться посредством по крайней мере пяти прессованных профилей одновременно.
Поперечное сечение профиля имеет форму фермы или арки, что обеспечивает сопротивляемость локальной деформации, вызываемой сосредоточенными нагрузками, например, шинами транспортных средств. Полотно крепится к конструкции из стальных балок или, в некоторых случаях, непосредственно к несущей конструкции. Расстояние между несущими балками может варьироваться между 1,2 и 3 м в зависимости от размера и типа экструдированного профиля.
Для крепления полотна к несущей конструкции используются специальные крепежные детали из прессованного алюминия (рис. 1). Крепежные элементы вставляются в пазы в нижней части профиля и привинчиваются болтами к несущей конструкции.
Почти у половины мостов поверхность ездового полотна покрыта шестимиллиметровым слоем материала на акриловой основе под названием «Акридур» (Acrydur). Это дорожное покрытие применялось в мостостроении на протяжении многих лет и показало высокую сопротивляемость износу в существующих мостах. У другой половины мостов, для которых снижение веса конструкции не так важно, полотно покрыто 40-миллиметровым слоем литого асфальта.
Вес описываемой системы мостового полотна составляет от 50 до 70 кг/кв. м. Вес стандартных бетонных полотен обычно варьируется между 600 и 700 кг/кв. м. Алюминиевое полотно не поддается коррозии даже в морской среде.
Строительство занимает короткий период времени, что является большим преимуществом при ремонте мостов в зонах интенсивного движения.
Области применения
Система нашла свое применение при строительстве разводных, понтонных и стационарных мостов со стальным основанием. Она также использовалась при возведении новых мостов, зачастую при дополнительном требовании в уменьшении размера и веса изначально запроектированной конструкции моста.
В зонах с неустойчивостью пород уменьшение веса применяемой системы позволило использовать существующие основания моста, благодаря чему он смог выдерживать повышенные нагрузки без дополнительного усиления конструкции. При проектировании конструкции моста на свайных основаниях это зачастую означает уменьшение количества свай.
Исследования показали, что уменьшение веса посредством применения описываемой системы алюминиевого мостового полотна возрастает параллельно с размером моста. Это происходит в основном благодаря тому факту, что относительная величина статической нагрузки моста одновременно возрастает с увеличением его пролета.
Прессованные профили из сплава 6000 серии совершенно не поддаются коррозии. Система мостового полотна была протестирована также на некоторых пешеходных мостах в Сингапуре.
Теоретические и экспериментальные исследования
Система алюминиевого мостового полотна была спроектирована по заданию Шведского Национального дорожного комитета, которое включало сопротивление статическим и динамическим нагрузкам, согласно правилам шведского мостостроения.
Рис. 2. Модель конечного элемента
Анализ мостового полотна проводился посредством моделирования конструкции, используя конечные элементы. Модель полотна была составлена с использованием бруса, обладающего изгибной жесткостью и жесткостью при кручении (рис. 2). Соединительные элементы из бруса с почти бесконечной изгибной жесткостью и петлей посередине имитировали эффект взаимодействия между прессованными профилями. В качестве применяемой нагрузки выступали шины грузовика. Нагрузку поместили в самое неблагоприятное место, чтобы вызвать наибольшую деформацию в конструкции, как показано на рис. 3. При силе 100 кН максимальная степень деформации составила 5–6 мм на самом загруженном участке профиля.
Для того чтобы подтвердить данные теоретического исследования, была испытана натурная модель. Данные испытания включали статическое нагружение, как описано выше, и динамическое нагружение в соответствии с требованиями, предъявляемыми Шведским Национальным дорожным комитетом.
Рис. 3. График деформации полотна по данным теоретического и экспериментального исследований
Результаты испытаний действия статической нагрузки совпали с данными теоретического исследования, показанными на рис. 3. Статическая нагрузка была увеличена до максимально возможной — 320 кН. Максимальный прогиб профиля при силе 320 кН составил 27 мм.
Для исследования конструкции на сопротивление усталости была осуществлена динамическая нагрузка. Проведенный тест (2 миллиона циклов) показал отсутствие состояния усталости и трещин. Более того, были проведены испытания на кручение, испытания несущих частей и фиксации столбов перил. Некоторые испытания дорожного покрытия проходили в холодном помещении при температуре -40 0С.
Экономические аспекты
Во многих случаях применение алюминиевого мостового полотна в техническом и экономическом плане может выступать альтернативой традиционному бетонному полотну. Несмотря на то, что стоимость соответствующих алюминиевого и бетонного полотен приблизительно одинаковая, алюминиевое полотно имеет ряд преимуществ.
- Время на разработку рабочего проекта сводится к минимуму.
- Строительные работы выполняются в короткий срок, что в большинстве случаев сокращает инвестиционные вложения. Замена бетонного моста на мост, представляющий собой стальную балочную конструкцию с алюминиевым полотном, производится в течение 2–3 дней, вызвав при этом лишь незначительные нарушения транспортного движения. Кроме того, исключаются расходы на сооружение объездных дорог.
- Сокращение собственного веса дает возможность использовать во многих случаях основания моста и основные балки. Возможно, это является самым важным преимуществом данной конструкции, которое требует тщательного изучения в каждом отдельном случае.
- Техническое обслуживание моста после завершения работ также требует минимальных затрат, так как дорожное полотно из материала «Акридур» не подвергается износу, а алюминиевые прессованные профили обладают хорошей коррозионной стойкостью.
Военный мост Kb 71
Немного истории
В результате принятого в 1994 г. решения о приобретении нового боевого немецкого танка Leopard 2, стало очевидно, что система AVLB (система военных понтонных мостов для бронетанковой техники) не соответствовала эксплутационным параметрам и заданной несущей способности. В начале 90-х гг. у бывшей Восточной Германии были закуплены танки, бывшие в употреблении. Согласно договору, к танкам прилагалось некоторое количество AVLB (восточногерманское название BLG 60 M2 (BLG=Brьckenlegegerдt)). Положительные контрольные результаты и испытания на прочность моста имели следствием решение закупить некоторое количество систем AVLB после модернизации и модифицирования. Покупка включала в себя также большое количество запчастей и инструментов. Весной 2000 г. при проведении учений, включающих переправу танков Leopard 2, был поврежден оригинальный стальной мост BLG 60. Исследования и расчеты, произведенные после повреждения, показали, что запас прочности оказался ниже установленного ранее.
Рис. 4. Мост Кb 71 при нагрузке, эквивалентной танку Leopard 2
Управлению по материально-техническому обеспечению Министерства обороны Швеции (FMV) было поручено Шведскими Вооруженными Силами разработать новый мост системы AVLB. Был проведен анализ экономической целесообразности, чтобы получать сведения о том, что из себя должен представлять мост, способный удовлетворить необходимым требованиям. Результаты показали, что разработка нового моста с применением алюминия даст возможность удовлетворить требование Шведских Вооруженных Сил. Данный мост получил название Kb 71.
Описание моста Kb 71
Мост разработан в соответствии с «Трехсторонними нормами и правилами проектирования и испытаний для строительства военных мостов и оборудования для переправ» и стандартом NATO STANAG 2021.
Мост должен выдерживать танк Leopard 2, загруженный в среднем на 10%, что составляет нагрузку в 69 метрических тонн. Коэффициент динамической нагрузки составляет 1,15, коэффициент неполной загрузки 1,4. Фактическая распределенная нагрузка от Leopard 2 на резиновых подушках больше, чем того требует MLC 70, соответственно, мост во всех отношениях способен удовлетворить MLC 80, за исключением габаритной ширины, которая в соответствии со стандартом NATO STANAG 2021 должна составлять 4,5 м.
Для расчета прочности используется Еврокод 9 «Разработка алюминиевых конструкций».
Рис. 5. Поперечное сечение мостов Kb71 (заштрихован) и BLG 60 М2
Длина моста составляет 20 м при теоретическом пролете в 19 м (рис. 4). Мост состоит из двух балок коробчатого сечения (рис. 5), где новый алюминиевый мост (заштрихованный на рис. 5) сродни стальному мосту BLG 60. Ширина одного мостового полотна составляет 1,4 м, глубина моста — 0,71 м, а ширина всего моста составляет 3,8 м. В отличие от BLG 60 танковые подушки хорошо вписываются в пределы балки коробчатого сечения.
Рис. 6. Поперечный разрез балки коробчатого сечения Kb71
Мост построен из алюминиевых прессованных профилей (ширина 350 мм, глубина 55 мм), соединенных посредством сварки Friction Stir Welding (FSW). Четыре профиля присоединены к коробчатому сечению и полотну проезжей части при помощи шести продольных угловых сварных швов посредством аргоно-дуговой сварки (MIG). Два из этих четырех профилей приварены к нижней части конструкции (рис. 6). Профили слегка ассиметричны, так что наружные слои поперечных профилей пересекаются с внутренними полками профилей верхней и нижней частей конструкции.
При съеме крестообразных раскосов ширина двух соединенных полотен составит менее 3,1 м, и поэтому транспортировка данной конструкции не требует использования каких-либо специальных транспортных средств.
В основу технологии сварки FSW (изобретенной, запатентованной и созданной TWI, Институтом технологии сварки в Кембридже) положена традиционная сварка трением. Преимущество ее заключается в возможности применить сварку металла в его твердой фазе для осуществления стыковых соединений (рис. 7) и соединений внахлест с наименьшей деформацией листов металла.
Рис. 7. Принцип работы сварки FSW
Сварка FSW осуществляется путем погружения вращающегося стержня рабочего органа с «заплечником», длина которого чуть меньше требуемой глубины сварки, в прилегающую лицевую поверхность, пока торцевая поверхность инструмента не соприкоснется с рабочей поверхностью. Затем стержень движется по кромке обрабатываемой детали. Вращающийся сварочный стержень нагревает металл и образует вокруг себя пластичный трубчатый вал из металла. По мере движения стержня по направлению сварки его ведущая плоскость, оснащенная специальным профилем, заправляет пластифицированный материал к задней стороне стержня, в то время как приложенное усилие кручения сковывает металл сварочного шва. Затвердевшие сплавы 6000 серии теряют около половины своей прочности в зоне термического влияния на расстоянии 25 ммот сварочного шва при традиционных способах сварки плавлением, тогда как зоны термического влияния вокруг сварки FSW исключаются.
Прочность сварного FSW шва алюминиевых сплавов 6000 серии марки Т6 чуть меньше, чем у исходного материала. В конструкциях моста глубина сварки выбирается из условия, чтобы повреждения происходили в слоях профиля до повреждения в районе сварки. Нижний и верхний слои мостовых профилей свариваются одновременно.
Шарнир посередине моста сделан из обводненных пластин, приваренных посредствам аргоно-дуговой сварки к нижним профилям по всей ширине нижней полки (рис. 8). Эти пластины имеют различную длину во избежание зон термического влияния в поперечном сечении моста.
Оснастка для установки и разделения моста, некоторые части которой сделаны из нержавеющей стали, прикрепляется болтами к основной конструкции.
Испытание моста Kb 71
В лаборатории проводились испытания на модели половины моста с имитируемым танковым весом посредством распределенной нагрузки. Некоторые датчики деформаций указаны на рис. 8. Также были проведены испытания на полезную рабочую нагрузку, а также на усталость и перегрузку в соответствии с «Трехсторонними нормами и правилами проектирования и испытаний для строительства военных мостов и оборудования для переправ». При испытании на усталость было произведено 2000 циклов.
Рис. 8. Шарнир моста
После лабораторных тестов мост был полностью собран и опробован с применением различных видов транспорта, включая 1000 проездов по мосту танка Leopard 2. Испытания были оценены, вследствие чего была утверждена программа оптимизации для усовершенствования работы моста, главным образом касающаяся болтовых креплений установочного механизма.
| Автор: Торстен Хеглунд, Ларс Нильсон Дата: 08.04.2005 Журнал Стройпрофиль 2-05 Рубрика: металлические конструкции Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |