Алюминиевые конструкции в мостостроении
В программе развития транспортной системы России на период 2010-2015 гг. центральное место занимает решение задачи строительства и реконструкции автодорог. Плохое состояние и недостаточность дорог современного уровня приводят к потере почти 3% ВВП, что равносильно сумме расходов на оборону страны. Характерный показатель – по плотности дорог даже в европейской части Россия занимает одно из последних мест (табл. 1).
Для решения подобной грандиозной задачи потребуется привлечение значительных финансовых средств и мобилизация производственных ресурсов. При этом также отмечается существенный дефицит мостов. Для сравнения: в США при общем количестве мостов всех видов в 574671 шт. дефицит составляет 32%. Соответственно, существующая отечественная инфраструктура отстает по этим показателям в разы. Очевидно, что следует по максимуму использовать инновационные решения при строительстве мостов, являющихся важной составляющей автодорог. В этой связи привлекает внимание сложившаяся в мировой практике тенденция расширения применения алюминия в мостовых конструкциях. Сегодня исполнилось 75 лет с момента первого опыта, когда в Питсбурге (США) заменили мостовое полотно из стали и дерева на алюминий, что увеличило фактическую грузоподъемность моста. С тех пор было построено более 100 алюминиевых мостов, причем некоторые имеют срок эксплуатации уже более 50 лет. Это указывает на высокую степень пригодности алюминия (имеется в виду – алюминиевых сплавов) и промышленную готовность к его широкому использованию в мостовых конструкциях. К сожалению, это направление в нашей стране не нашло практического развития. На то есть свои причины, которые, очевидно, были связаны с характером плановой экономики, фондируемым распределением некоторых материалов, недостаточной стимуляцией инновационных решений. Ведь не случайно мы до сих пор имеем один из самых низких индексов инновационности. В России только 9,4% предприятий осуществляют технологические инновации. Для сравнения: в Германии – 73%, в Португалии – 39%, в Греции – 27%.
Сегодня настало время обратить самое серьезное внимание на использование алюминия в мостостроении. Недаром к этому же призывают не только металлурги, но и наши коллеги в мостостроении. [1]
Чем привлекает использование алюминия в мостах?
Прежде всего уникальными особенностями алюминия и алюминиевых конструкций:
- низкий удельный вес (треть от удельного веса стали);
- высокая удельная прочность – превосходящая сталь и бетон;
- превосходная коррозионная стойкость даже в условиях дождя и дорожных реагентов избавляет от необходимости периодического повторного окрашивания и
расходов;
- высокие показатели вязкости разрушения;
- практически абсолютная хладостойкость при температурах до (– 700С) и ниже;
- повышенная сейсмостойкость конструкций как следствие уменьшения веса и более высокой демпфирующей способности при сравнительно низком модуле Юнга;
- отличная прессуемость алюминия позволяет дать создателям мостов строительный профиль практически любой формы, обеспечивающей оптимальное размещение металла в зонах с наиболее высокой нагрузкой;
- легкость производства крупногабаритных широких панелей требуемой длины позволяет вынести сборку конструкций за пределы стройплощадки и доставлять их на место в короткое время;
- высокая доходность утилизации при минимальных потерях алюминиевых конструкций по завершении жизненного цикла моста (ЖЦ).
Что сдерживало широкое использование? Какие обстоятельства и найденные решения уменьшили действие отрицательных факторов?
Во-первых, заведомо неправильный расчет экономических результатов как следствие разорванности бюджетов нового строительства и последующих бюджетов эксплуатации и утилизации конструкций, неправомерный перенос практики экономических расчетов стальных и железобетонных конструкций на ЖЦ алюминиевого моста. Сегодня необходимо признать, что канули в лету времена, когда стоимость стальных конструкций была в 7-8 раз меньше алюминиевых. Только за 2007 г. сталь подорожала на 80% и сегодня находится на уровне 1000 долларов США за т, а в 2009 г. прогнозируется повышение стоимости до 1300 долларов США за т. Во-вторых, некорректный логистический учет экономических потерь при сокращении сроков прекращения движения при реконструкции или при строительстве нового моста.
Алюминиевые мостовые конструкции (АМК) демонстрируют наибольший эффект в снижении стоимости жизненного цикла при реконструкции мостов. Замена изношенных или устаревших железобетонных или стальных конструкций на АМК обеспечивает продление срока жизни и повышение эксплуатационных характеристик мостов.
Сокращение стоимости с использованием алюминия обусловлено сравнительно малым весом АМК. Вес алюминиевого полотна («мертвая» нагрузка) моста при одинаковой грузоподъемности в 5-6 раз меньше веса железобетонного (80–120 кг/м2 для алюминиевых сплавов против 500 кг/м2 для железобетона) и в 2–4 раза меньше веса стального. Это позволяет, применив АМК и используя существующие опоры и балки, увеличить грузоподъемность моста (рабочую нагрузку) в 2-3 раза и расширить его проезжую часть. Очевидно, что по сравнению с решением этой задачи путем сооружения нового моста или, по меньшей мере, проведения работ по усилению опор, балок и полотна из железобетона или стали, стоимость работ снижается. Кроме того, малый вес АМК позволяет собирать крупногабаритные и транспортабельные конструкции высокой заводской готовности, что резко сокращает сроки строительства. По американским данным, среднее время простоя дороги при установке алюминиевого полотна моста составляет 24 дня против 12-24 месяцев при сооружении железобетонного полотна.
Сокращение стоимости эксплуатации АМК обусловлено, главным образом, высокой коррозионной стойкостью алюминиевых сплавов. Конструкции не требуют работ по окраске ни при сооружении, ни в процессе эксплуатации. Кроме того, алюминий, как известно, отличается повышенной хладостойкостью – его прочность растет при понижении температуры. Это снимает необходимость ревизии сооружений в условиях эксплуатации при температурах ниже –35 0С, то есть на большей части территории России.
В-третьих, ограниченный объем знаний по АМК, в т. ч. о свойствах и характеристиках алюминиевых сплавов, из-за сокращенного курса преподавания предметов в большинстве университетов; нехватка практического опыта при проектировании и эксплуатации АМК, что заставляло инженеров применять сталь и железобетон. И это при том, что уже в 1974 г. был выпущен СНИП II-24-74, а затем – СНИП 2.03.06-85 на алюминиевые строительные конструкции, разработанные ЦНИИСК им. Кучеренко при участии ЦНИИПСК, ВИЛС (Минавиапрома) и других организаций. Недостаток профессиональной квалификации по новому материалу и разумная консервативность в столь ответственных сооружениях, как мосты, препятствовали применению алюминия. Тем более, что в мостостроении не хватало утвержденных нормативных показателей АМК, а их разработку необходимо было осуществлять с учетом более низкого модуля Юнга, усталостной прочности и высокого коэффициента теплового расширения, что приводило к большей подвижности мостовых соединений. Все это требовало более подготовленной квалификации проектировщиков.
В-четвертых, сложность проектирования и осуществления соединений, что также требует большого опыта. Профили мостового полотна должны быть собраны в единое целое, чтобы создать требуемую ширину полотна. Либо необходимо соединить несущие опорные конструкции. В любом случае используют механические (разъемные или неразъемные типы соединения) или сварочные способы. Каждый вид соединений имеет свои недостатки.
Однако, созданный в 1991 г. новый способ сварки трением с перемешиванием (FSW) [2] внес кардинальные изменения в повышение качества сварных соединений. Способ использует тепло, выделяемое в процессе трения специальным инструментом. Максимальная температура при этом не превышает 4800С (при температуре плавления алюминия – 6600С). Все результаты FSW превосходят дуговую сварку MIG, включая усталостную прочность и очень малую деформативность швов. Практически немедленно после создания этот способ привлек внимание мостостроителей и вагоностроителей. [3]
Сегодня в серийном производстве алюминиевых вагонов всеми ведущими производителями транспорта стандартно используется FSW. Качество сварки дает настолько убедительные и надежные результаты применительно к алюминиевым сплавам, что и NASA, и ГКНПЦ им. М. В. Хруничева широко применяют новую технологию даже в космических аппаратах.
Всё вышеперечисленное позволяет выделить наиболее эффективные объекты использования АМК в мостостроении:
- Реконструкция мостов с железобетонным полотном, опирающимся на стальные балки (сталебетонные мосты), где при отсутствии возможности увеличения собственного веса перекрытия («мертвой» нагрузки) за счет использования алюминиевого полотна решается задача увеличения грузоподъемности моста и расширения его проезжей части.
- Сооружение или реконструкция мостов в труднодоступных районах, где ограничены возможности доставки материалов, конструкций и оборудования по весу или по срокам (ограничение сезона работ).
- Реконструкция мостов на загруженных трассах, где отсутствует возможность длительного ограничения или прерывания движения.
- Реконструкция исторических мостов, где необходимо увеличение грузоподъемности при сохранении внешнего вида.
- Сооружение мостов в местах исторической застройки, где необходимы наименьшие размеры, минимальное физическое и эстетическое воздействие на среду.
- Сооружение и реконструкция мостов во всех остальных случаях, где величина «мертвой» нагрузки является критичной.
За прошедшие годы в мире накоплен богатый опыт создания и эксплуатации алюминиевых мостов. Первый мост в мире, упоминавшийся нами ранее, был позднее (в 1967 г.) реконструирован при участии алюминиевой компании Reynolds (RMC) и конструкторской фирмы High Steel Structures (HSS). Установленное алюминиевое полотно имело следующие характеристики: длина – 220 м, ширина – 6,4 м, площадь – 1394 м2 , удельная мертвая нагрузка – 73,3 кг/м2. Полотно было изготовлено в заводских условиях в виде сварной ортотропной панели, состоящей из плиты сплава серии 5ххх толщиной 12,5 мм, и прессованных профилей сплава серии 6ххх, формирующих ребра и полости панели. В результате вместо 675 т в железобетонном исполнении вес перекрытия составил 102,2 т, что позволило увеличить грузоподъемность моста с 4,5 т/ось до 18 т/ось. В 1994 г., после 27 лет эксплуатации, конструкцию подвергли всестороннему исследованию и установили лишь наличие слабой поверхностной коррозии, а также коррозии в местах незащищенных торцов и контактов со стальными элементами. Это имело место при том условии, что никаких мер по защите конструкции от коррозии в течение всего срока эксплуатации не принимали. Нарушения работоспособности моста не наблюдалось. Тем не менее, торцы и полости панелей были защищены пробками, стальные поверхности изолированы органическими и металлическими покрытиями, после чего коррозия практически прекратилась.
Полученный опыт явился основанием для реконструкции серии мостов с установкой алюминиевых полотен. В первую очередь это были исторические мосты, где без изменения внешнего вида необходимо было увеличить грузоподъемность и ширину проезжей части. Примером является исторический мост в штате Вирджиния с размером пролета 16,5 м, шириной 6,7 м. Установка алюминиевого полотна позволила увеличить ширину моста до 8,5 м и обеспечить удовлетворительное двухполосное движение. Вес пролета (удельная «мертвая» нагрузка – 102 кг/м2, с покрытием – 122 кг/м2) составил 15 т, что на 55 т легче заменяемой железобетонной конструкции и на 29 т легче подобной стальной. Пролет состоял из трех секций, которые были доставлены одним трейлером, смонтированы с берега с помощью автомобильного крана грузоподъемностью 5 т.
Власти штата Пенсильвания поставили целью сохранение исторического подвесного моста в Наттингтоне с длиной пролета 97,6 м, который делил город на 2 части и имел грузоподъемность всего 6,35 т/ось.
В связи с этим для тяжелых, в частности, пожарных машин требовался объезд в 24 км. Замена стальной конструкции пролета на алюминиевую обеспечила увеличение грузоподъемности до 20 т/ось (рис. 1).
Примером реконструкции объекта на напряженной трассе, где отсутствует возможность длительного прерывания движения, является расширение моста в Айова с целью обеспечения 4-полосного движения вместо 2-полосного. В случае использования железобетонного полотна вес составил бы 340 т, и потребовалась бы замена стальной конструкции моста с усилением балок. Срок строительства с учетом выдержки бетона составил бы не менее 1 года. Использование алюминиевого полотна позволило оставить без изменения все остальные элементы конструкции. Полный срок работ по расширению проезжей части моста составил менее месяца.
Около 40 автодорожных мостов с алюминиевыми конструкциями сооружено в Северной Европе, в частности, в Скандинавии. При этом в Швеции типичная длина мостов составляет 15-17 м, финские мосты с АМК достигают длины 220 м. Примечательны сведения о сооружении моста длиной 39 м в Норвегии. Сроки сооружения были лимитированы климатическими и дорожными условиями Северной Норвегии. При его изготовлении использованы сварные ортотропные панели заводского производства общим весом 28 т. Конструкция была доставлена на строительную площадку трейлером и смонтирована при помощи крана. Примечательны сроки исполнения работ:
- начало проектирования – 19 марта 1995 г.
- сдача готового моста – 10 августа 1995 г.
Общая продолжительность исполнения проекта – 145 календарных дней; без выходных и каникул – 106 суток, в том числе:
- проектирование – 28 суток;
- изготовление конструкций – 77
суток;
- монтаж моста – 1 сутки.
После пяти лет интенсивной эксплуатации – по мосту в рабочие дни в течение 8 часов каждые несколько минут проходит тяжелый трейлер – конструкция была подвергнута ревизии, которая подтвердила ее полную сохранность и в отношении несущей способности, и в отношении коррозии.
Один из последних примеров – строительство в 2000 г. моста через канал для обеспечения нормального автомобильного движения в историческом центре г. Хельмонд (Голландия). Весь комплекс работ от проектирования до монтажа моста выполнен компанией Bayards Aluminium Constructies BV, известным голландским производителем алюминиевых конструкций. Решение о сооружении алюминиевого моста было продиктовано следующими причинами:
- ведение значительных земляных работ для создания мощных опор сравнительно тяжелого стального и, тем более, железобетонного моста в непосредственной близости от старинных зданий небезопасно для сохранности этих зданий;
- создание большой строительной площадки в центре старинного города с узкими улицами весьма затруднительно, а ограниченность пространства в месте сооружения моста исключала возможность проведения сборочных работ и обусловливала необходимость окончательного монтажа конструкции в заводских условиях.
Только алюминиевая конструкция, вес которой составил менее 15 т, выполнила поставленные условия. Малозаметный легкий мост, обеспечивший двухполосное автомобильное движение и оборудованный специальной велосипедной дорожкой, удачно вписался в окружающий архитектурный ансамбль.
Компания Allen Marine Inc. (США) поставляет семейство транспортных и пешеходных мостов для северных регионов, в частности, для Аляски. Легкие конструкции из хладостойких алюминиевых сплавов, концы которых разнесены на 5 и более метров от среза берега, оказывают пониженное давление на грунт, что особенно важно в зоне вечной мерзлоты. Представляет интерес мост длиной 43 м и общей грузоподъемностью 32 т. Мост принимает трейлер с нагрузкой на переднюю ось тягача до 9 т и весом платформы с грузом до 20 т, перемещается на барже, разворачивается в рабочее положение с помощью моторной лодки и может использоваться, в частности, в качестве временной переправы. Мост предназначен для продления сроков и расширения географии северного завоза.
Особая активность в строительстве алюминиевых пешеходных мостов с велосипедными дорожками наблюдается в последние годы в Европе и Америке. В первую очередь сюда относится оригинальный подвесной мост через р.Тайн около г. Ньюкастла в Англии (Gateshead Millennium Bridge). Мост, конструкция которого весит 800 т, предназначен для движения пешеходов и велосипедов в крупнейший английский культурно–развлекательный комплекс. Алюминиевое полотно моста и стальная несущая конструкция, к которой подвешено полотно, представляют собой дуги, расположенные во взаимно перпендикулярных плоскостях. Для пропуска морских судов обе дуги моста поворачиваются на 45 0 относительно горизонтальной оси (рис. 2).
Не менее примечателен мост через р. Медуей в г. Мэдстоуне, столице английского графства Кент (Lockmeadow Millennium Bridge). Легкая конструкция, собранная из алюминиевых профилей, с помощью тросов подвешена на ажурных мачтах. В качестве материала рабочей поверхности использован углепластик. Изящный мост длиной 80 м удачно вписался в исторический архитектурный и ландшафтный пейзаж.
Алюминиевый пешеходный мост через канал в г. Дублине («Dublin Corporations Millenium Bridge»), соединяющий север и юг столицы Ирландии, не имеет ступеней, порогов, поэтому возможно передвижение инвалидных колясок и велосипедистов.
Уникальные алюминиевые мосты для обслуживания туристических маршрутов открыты в Канаде (для снегоходов) и в США (для велосипедистов). Последний мост построен в болотистой заповедной зоне, где исключалась возможность сооружения промежуточных опор, и рассчитан на пропуск высокого паводка.
Столь развитая индустрия мостостроения требует, очевидно, создания такой же развитой нормативной базы и большого объема исследовательских работ. В США выпущены стандарты и нормали, определяющие расчет, проектирование и производство АМК. Выпущены также нормативные документы, определяющие алюминиевые сплавы, полуфабрикаты и состояния их поставки для изготовления практически всех элементов конструкций мостов, включая крепеж и сварочную проволоку (табл. 2).
Выше указывалось, что основным конструктивным элементом АМК являются ортотропные панели, изготавливаемые различными методами, упоминались изделия, получаемые сваркой плиты и профилей. Сочленение с несущими стальными балками осуществлялось при помощи крепежа из нержавеющей стали. Развитием этого решения стало использование технологических достоинств алюминия, позволяющих получать цельнопрессованные ортотропные панели с оформлением в процессе экструдирования замкового сечения, при помощи которого осуществляют сочленение панелей (рис. 3).
Наиболее совершенной готовой конструкцией полотна моста на основе ортотропной панели является конструкция, разработанная упомянутыми выше компаниями Reynolds (RMC – ныне входит в компанию Alcoa) и High Steel Structures (HSS), носящая фирменное название Alumodeck. Прессованные панели из сплава 6061Т6 сваривают в секции. Рабочую поверхность проезжей части покрывают синтетической смолой с песчаным наполнителем, что обеспечивает снижение удельной «мертвой» нагрузки до 80 кг/м2 (рис. 4).
Спроектированные и изготовленные конструкции были подвергнуты всесторонним исследованиям. В частности, двухгодичные исследования системы Alumodeck, проведенные Исследовательским Центром Дорожного Департамента штата Вирджиния (США), послужили основанием для создания автоматизированной системы расчета алюминиевых мостов. В Англии расчет конструкции алюминиевых мостов производится на базе программного продукта LUSAS. Наибольший объем теоретических и экспериментальных исследований несущих алюминиевых мостовых конструкций, как и число реализованных проектов, приходится на Скандинавию. Здесь находится ведущий научный и образовательный центр в области алюминиевого мостостроения – Университет науки и технологии (г. Тронхейм, Норвегия), который проводит подготовку специалистов по проектированию и сооружению алюминиевых мостов для Европы и мира.
Зрелое развитие и перспективы алюминиевого мостостроения позволили крупнейшей мировой алюминиевой компании Alcoa, включившей в свой состав компанию RMC и приобретшей её права на производство системы Alumodeck, приобрести также и компанию REDD Team Mfg., самого быстрорастущего американского производителя пешеходных алюминиевых мостов. Отметим, что в большинстве стран строительство мостов с применением алюминиевых сплавов осуществляют компании-производители алюминиевых конструкций и сооружений из них. Традиционно известные мостостроительные фирмы, за редким исключением, упустили этот быстро растущий сектор рынка, что помимо известного консерватизма мостостроителей объясняется их слабой подготовкой в области расчета, проектирования и производства алюминиевых конструкций.
Отметим также, что значительная часть упомянутых выше пешеходных мостов получили наименование мостов тысячелетия (millennium). Тем самым строители алюминиевых мостов и государственные органы, заказавшие эти мосты, признали за алюминием право считаться материалом XXI в., по меньшей мере, для пешеходного мостостроения. Основным аргументом в пользу такого утверждения специалисты считают минимальную стоимость жизненного цикла алюминиевых конструкций.
Ситуация с состоянием автодорожных мостов в России также диктует необходимость проведения работ по их реконструкции, как в силу износа мостов, так и в связи с резкой интенсификацией автомобильного движения. Учитывая, что значительная часть из них составляют именно сталебетонные мосты, расположенные на напряженных трассах, становится очевидной перспективность применения алюминиевых конструкций для увеличения грузоподъемности мостов и расширения их проезжей части. Рассмотрим пример реконструкции типичного сталебетонного трехпролётного моста шириной полотна 11 м и длиной пролета 42 м. Как правило, необходимо осуществить уширение полотна до 15,5 м. В железобетонном варианте требуется строительство нового моста. Строительство такого моста с площадью перекрытия 2000 м2 займет 2 года. Реконструкция с применением алюминиевых панелей займет около 1 месяца. В России такие решения перспективны для мостов, расположенных как в городах, так и вне них.
Интенсивность движения в крупных городах России резко сокращает допустимые сроки ограничения движения на трассе при реконструкции моста. Возможности проведения значительных земляных работ в исторических городских районах для усиления опор мостов при их реконструкции также ограничены. Всё это свидетельствует о необходимости и эффективности применения легких алюминиевых конструкций в городских условиях.
В стране имеются промышленные возможности полностью обеспечить потребности мостостроения на мировом уровне. Имеется опыт сооружения разборных алюминиевых мостов, а также алюминиевых палубных перекрытий – дек речных и морских судов, весьма сходных по конструкции с перекрытиями мостов. Российская металлургия легких сплавов располагает опытом и производственным потенциалом, которые могут обеспечить мостостроение целым рядом профилей и панелей из сплавов, применяемых в мировой практике для сооружения алюминиевых мостовых конструкций.
На рис. 5 представлена ортотропная панель, изготовленная в России и использованная для конструкции вагона. В нашей стране разработаны новые высокопрочные свариваемые алюминиевые сплавы 1935В и 1975, которые расширяют возможности конструкторов и при этом обеспечивают σв ≥ 500 МПа и σ0,2 ≥ 450 МПа [4]. Сплав 1975 специально разработан для несущих строительных конструкций. Сплав хорошо сваривается, коэффициент ослабления сварного соединения при дуговой сварке плавлением составляет 0,8-0,95. Основной металл и сварное соединение отличаются высокой коррозионной стойкостью, пластичностью и высоким сопротивлением усталости.
В завершении хотелось бы выразить уверенность, что в российском мостостроении появятся условия, обеспечивающие создание новых эффективных мостов на основе инновационных подходов, одним из которых может послужить поворот в сторону применения алюминия. Надеемся, что это произойдет гораздо раньше 2020 г., когда треть всей промышленной продукции России будет инновационной.
Наша уверенность настолько не является голословной, что в очередной раз на 3-й международной Конференции «Алюминий в Строительстве», которая будет проходить 14-16 октября 2008 г. в Москве в гостинице «Президент Отель», будут представлены доклады зарубежных мостостроителей по алюминиевым мостам, строительство которых за рубежом продолжает свое развитие. Полагаем, что их опыт будет нам полезен и приблизит время промышленного освоения подобных мостов у нас.
Литература
1. Вестник мостостроения, № 1, 2008, Платонов А. С., Кручинкин А. В., Звирь В. И., стр. 2-6
2. Патент: EP 0615480В1, 1991 г., W. M. Thomas и др.
3. Журнал «Light Metal Age», октябрь 2001, стр. 18-27
4. Металловедение и термическая обработка металлов, № 8(602), 2005 г., стр. 30-35
| Автор: М. З. Локшин Дата: 10.09.2008 Журнал Стройпрофиль 6-08 Рубрика: дорожное строительство: технологии, материалы и оборудование Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |  |