Мосты заслуженно считаются апогеем архитектурного искусства и являются монументальным подтверждением высокого технического и экономического уровня цивилизации. И если в древние времена возводили каменные и деревянные мостовые конструкции, то уже в XX веке из-за активной индустриализации промышленности и интенсивного развития автотранспортного и железнодорожного сообщения отмечается тенденция массового применения стали в мостостроении. И, как показала практика, металлические мосты позволяют проектировщикам и строителям наиболее эффективно проявить гений инженерной мысли и креативность технического решения. Они оптимально сочетают в себе выразительность и разнообразие архитектурных форм, практичны в эксплуатации и позволяют внедрять более эффективные методы расчетов и производственные практики.
История мостостроения насчитывает практически столько же веков, что и человеческая цивилизация, но первый металлический мост появился в английском Колбрукдейле лишь в конце XVIII века. Учитывая уровень металлургии того времени и особенности инфраструктуры графства Шропшир, для его создания использовался чугун. Проектировал этот металлический мост через реку Северн архитектор Томас Притчард, который принял целый ряд инновационных инженерных решений, но из-за его преждевременной смерти строительством этого уникального на то время сооружения занимался Абрахам Дарби – владелец местного чугунолитейного завода. Всего же на строительство данного объекта было потрачено 3 200 фунтов стерлингов и 379 тонн чугуна.
Для сооружения мостов люди используют различные материалы и в разные временные эпохи это были гранит, дикий камень, кирпич и даже пеньковые веревки и стекло. Но с повышением технического уровня цивилизации ужесточались и требования к мостовым конструкциям – они должны не только выполнять свою утилитарную функцию, но и возводиться в предельно короткие сроки и с минимальными затратами. Поэтому в век интенсивного транспортного сообщения мостостроение – сложная и ответственная задача, требующая безупречных проектных расчетов и грамотно подбора материалов с учетом условий эксплуатации, природного ландшафта, статической и динамической нагрузки.
Так какие материалы используются для строительства мостов сегодня? Это по-прежнему натуральный камень, кирпич, дерево, а также цемент, железобетон, алюминий, чугун и композиты. Но безоговорочным фаворитом у всех мостостроителей мира является сталь, которая обладает хорошими механическими качествами при различных условиях работы под нагрузкой и отлично поддается технологической обработке. Именно углеродистые и низколегированные стали – самые популярные и экономически выгодные материалы, повсеместно использующиеся для сооружения небольших, средних и просто гигантских мостовых конструкций.
Ключевые преимущества стали:
Благодаря относительно невысокой стоимости, прочности, однородности качества и возможности использования в различных конструктивных формах во всем мире все шире используются различные виды стали в строительстве мостов и путепроводов. К тому же они выступают универсальными материалами и обеспечивают возможность быстрой реализации наиболее эффективных решений.
В мостостроении используется обширный перечень металлопродукции: тонкий и толстый лист, полоса, уголок, швеллер, двутавровая балка, арматура, круглые и профильные трубы, круглые, квадратные и шестигранные прутки. При этом они так же, как и другие строительные мостовые материалы, априори должны отличаться большим эксплуатационным ресурсом и высоким классом надежности. Но помимо этого к ним предъявляют и другие особые требования. Назовем основные.
Поставка каждой партии металлопроката, предназначенного для мостостроения, сопровождается документами, подтверждающими его качество. Сертификаты предоставляются по первому требованию покупателя и являются частью документации на прокат.
Несмотря на то, что мостовые конструкции – крупные сооружения, визуально их объем воспринимается в зависимости от условий освещения, окраски и архитектурных особенностей моста. И именно стали позволяют реализовывать в жизнь самые смелые и оригинальные по стилистической концепции проекты, создавать жесткие геометрические формы, мягкие плавные линии или нетривиальные эстетические детали.
Из-за малого сечения элементов первые стальные мосты представляли собой сложные многораскосные системы, чувствительные к коррозии. Но по мере усовершенствования сталеплавильных и прокатных технологий стальная продукция начала производиться с более крупным размером сечения и из марок с улучшенными параметрами механической прочности и стойкости к коррозии.
Металлические мостовые сооружения по конструкциям и методам возведения разделяются на стальные сварные сплошностенчатые с ортотропной плитой и стальные со сквозными пролетными строениями с монтажными соединениями на высокопрочных болтах. Висячие, вантовые и арочные относятся к отдельной категории. Кратко рассмотрим особенности, недостатки и преимущества стальной конструкции мостов каждого типа.
Это простейшие конструкции, у которых пролетные строения представляют собой горизонтальные балки, поддерживаемые на каждом конце опорами. Простота монтажа и надежность – преимущества балочных мостов, которые были высоко оценены еще в древние времена. Поэтому на заре применения сталей в мостостроении они были наиболее распространенной конструктивной формой, к тому же металлические мосты балочной системы прекрасно подошли для передвижения первых железнодорожных составов.
Сильные и слабые стороны балочных мостов обусловлены их простой формой. С одной стороны, их легко рассчитать и построить, ведь стальные балки мостов испытывают только вертикальные нагрузки, а с другой, они позволяют перекрывать пролеты длиной около 30…60 метров. Последний фактор – самый главный недостаток балочного моста, ведь сегодня, когда важно обеспечить свободную навигацию на реках и морских проливах, явно прослеживается тенденция по созданию длиннопролетных сооружений. Зато это отличная альтернатива для городских парков и инфраструктуры санаториев и туристических объектов.
Имеют все сильные и слабые стороны балочного моста, только в отличие от него у них поперечное сечение пролетного строения образуется из замкнутой тонкостенной металлической коробки. Она обладает значительной жесткостью на кручение и имеет ряд монтажных преимуществ, но представляет собой более массивную, металлоемкую и сложную конструкцию. К тому же работы по содержанию и окрашиванию коробчатых балочных конструкций довольно затратны по задействованным трудовым и финансовым ресурсам.
Появление металла в мостостроении совпало с индустриальной революцией. Но технология строительства мостов из стали не сразу раскрыла свои секреты инженерам, которые пытались создавать их по аналогии с деревянными и каменными конструкциями. В 1847 году английский инженер Уиффли, имевший несколько патентов на чугунные и стальные мостовые балки, даже издал книгу, в которой обосновал пагубность эмпирического подхода к проектированию металлических ферм. Но к сожаленью данный научный труд не все приняли к руководству. И всевозможные эксперименты по созданию стальных мостовых конструкций продолжались довольно длительное время, в результате произошло несколько обрушений и крупных аварий с человеческими жертвами. В наше время, когда проектировщики наработали обширный опыт и активно используют для расчетов специализированное программное обеспечение, архитекторы получили возможность реализовывать проекты по строительству мостов с километровыми пролетами и с нетривиальной архитектурой.
Ферменные типы стальных мостов несколько схожи с балочными системами, но их отличает наличие настройки в виде стержневой металлоконструкции. Они могут перекрывать пролеты протяженностью до 150 метров, не требуют значительных финансовых и трудовых затрат и менее металлоемки. По сравнению с ними стальные балочные мосты весят минимум на 10% больше, поэтому использование таких систем удачно решает все основные технические, экономические и эксплуатационные задачи.
Металлические железнодорожные мосты чаще всего – строения с решетчатыми и консольными фермами. Совершенствование пролетов ферменных строений зависело от технических возможностей металлургической промышленности в разные исторические эпохи. Таким образом постепенно от многорешетчатых и многораскосных ферм перешли к производству менее трудоемких и более рациональных двухрешетчатых, ромбических и треугольных решеток.
Пролетные строения арочных мостовых конструкций состоят из арок, которые являются их основными несущими элементами, со структурой проезжей части или связями, объединяющими отдельные пролетные строения. Они позволяют одним или несколькими пролетами перекрыть значительные водные преграды. Их активному строительству поспособствовало широкое применение металлов, а в сочетании с использованием железобетона это позволило реализовать весьма сложные архитектурные формы.
Современные металлические мосты арочные – образец легкости и элегантности. Они хорошо согласуются с городской застройкой и сложным окружающим ландшафтом и являются прекрасной альтернативой для реализации сооружений большой высоты и двухярусных конструкций. Однако из-за технологических монтажных трудностей такие строения возводятся все реже.
В вантовых мостовых системах балочная конструкция, на которую укладывают ездовое полотно, поддерживается вантами. Это основные несущие элементы, которые представляют собой стальные канаты или стренды (пучки параллельных проволок). Их диаметр может достигать 70…90 мм, что создает определенный оптический эффект и лента балочной конструкции как бы зависает в воздухе.
По основным конструктивным признакам и характеру работы под нагрузкой вантовые мостовые системы схожи с висячими конструкциями. Они монтируются методом навесной сборки – весьма удобным и эффективным способом, позволяющим перекрывать высокие пролеты, но имеют пониженную жесткость и не подходят для движения железнодорожных составов. К тому же стальные ванты необходимо защищать от коррозии, а при значительной ширине необходимо предусмотреть целый ряд мер по ветрозащите. Еще один существенный недостаток вантовых строений – трудность регулирования силы натяжения вант в процессе монтажа.
Они представляют собой обширный класс строительных конструкций, у которых основными несущими элементами выступают растянутые тросы, закрепленные в анкерные опоры и воспринимающие полезную поперечную нагрузку. Их основная отличительная особенность – рациональное использование высокопрочных сталей в растянутых элементах, что дает возможность создавать экономичные конструкции, способные перекрывать значительные пролеты. Они удобны в монтаже, но требуют очень сложных проектных расчетов. Однако подвесные конструктивные схемы позволяют создавать сооружения, обладающие большой архитектурной выразительностью.
Подвесной стальной мост Акаси-Кайке (Япония) имеет общую длину 3911 метров, что делает его одной из наиболее длинных мостовых конструкций из стали. В книгу рекордов Гинесса он также занесен и как самый высокий – его пилоны возвышаются на 298 метров, а ведь мост расположен в сейсмически опасной зоне. Стальные сварные блоки пилонов были изготовлены с высокой точностью углов сопряжения, а если сложить все пряди стальных кабелей, то ими можно будет обвить Землю по линии экватора семь раз.
В целом все металлические мосты обладают рядом особенностей и достоинств. Их конструкции допускают простое расчленение на отдельные блоки и элементы, которые можно изготовить индустриальным методом с точностью размеров и высокой степенью готовности к монтажу. Вес и габариты монтажных блоков можно согласовать с грузоподъемностью оборудования и транспортных средств.
Современные мостовые переходы и путепроводы используются не только как часть инфраструктуры транспортного сообщения. Их конструкции также служат для прокладки систем водоснабжения, силового электрического кабеля, обеспечивают естественный отток дождевой и талой воды, имеют смотровые приспособления и так далее. И сегодня практически невозможно перечислить все из чего состоит металлический мост, поэтому назовем лишь основные элементы.
Вне зависимости от временной эпохи мостостроение напрямую отражает степень технического, экономического и культурного развития нашего общества, а мосты выступают своеобразным зеркалом развития человеческой цивилизации. И сегодня, когда размеры пролетов существенно увеличиваются, в их конструкциях широко используются как общедоступные углеродистые стали, так и новейшие высоколегированные марки стали.
Благодаря универсальным технологическим и эксплуатационным свойствам это лучшие строительные материалы для мостостроения на сегодняшний день. Основные механические характеристики сталей определяются количеством углерода и легирующих элементов.
В современном мостостроении все более широкое применение получают низколегированные стали высокой прочности, которые получают путем прокатки по специфическим режимам (термомеханическая прокатка) или после термической обработки (закалки с отпуском). Использование таких материалов позволяет существенно уменьшить металлоемкость мостовых конструкций при сохранении всех эксплуатационных параметров и сократить время на возведение моста.
В конструкциях мостов со сварными, болтовыми, фрикционными и шарнирными соединениями используют конструкционные марки стали, которые соответствуют требованиям и нормам проектно-технической документации. В зависимости от класса прочности они поставляются в виде различного листового, сортового и фасонного проката, труб, гнутых и сварных профилей.
Для несущих элементов автомобильных, пешеходных и железнодорожных мостов стали поставляются с гарантией свариваемости и высоким комплексом физико-механических характеристик. Это преимущественно легированные стали, такие как 10ХСНД и 15ХСНД (ДСТУ 8817/ ГОСТ 6713, ГОСТ Р 55374), S420M, S460ML (ДСТУ EN 10025-4), S690QL, S890Q (ДСТУ EN 10025-6) и другие. Для вспомогательных конструкций стальных мостов (водоотводов, кабельных коробов, шпунта и пр.) допускается применение углеродистых и низколегированных марок, поставляемых по ДСТУ 2651/ ГОСТ 380, ДСТУ 8539/ ГОСТ 27772, ДСТУ 7809/ ГОСТ 1050, ДСТУ 8541/ ГОСТ 19281.
Конструкционные стали, наиболее используемые в строительстве мостов
Тип |
Марки |
Углеродистые |
Ст3, 20, 25, 40, 45, 50, М16С, 25Л, ASTM A36, S235JR, S275J0, S355J2 |
Низколегированные |
09Г2С, 09Г2СД, 10ХСНД, 10Г2СД, 10Г2С1Д, 12Г2СМФ, 14Г2, 14Х2ГМР, 14Г2АФД, 15Г, 15ГФ, 15ХСНД, 15ХСНДА, 16Г2АФ, 20Г, 25ХГСА, 35Г, 40Г, 40Х, S420M, S420N, S460NL, S460M, S460ML, S690Q, S690QL, S890Q |
Легированные |
12Г2МФ, 12Х18Н10Т, 14Г2АФД, 15Г2АФД, 15ХА, 12ХН2, 20ХН, 30ХМ, 40ХН, 30ХГ, 40ХС, 18Х2Н4МА |
Развитие мостостроения невозможно без целенаправленного изучения свойств строительных материалов и создания новых с заданными свойствами. Понимание общих принципов работы металлов в различных мостовых конструкциях помогает дать оценку их качествам и успешно вести разработку новых марок стали. В настоящее время активно ведутся исследования по применению для мостов высокопрочных сталей, в частности термообработанных. И уже сегодня широко используется прокат из марок S960Q, S500ML, 12Г2СБД, 12ХГН2МА, 12ХГНМДБА, а также арматура и сортовой прокат новых классов прочности, получаемые после различной упрочняющей обработки в потоке прокатных станов.
По мере повышения прочности сталей возрастают затраты на их технологическую обработку. Зато высокопрочные стали отвечают растущим высоким требованиям, увеличивают технические и экономические преимущества металлических мостовых конструкций и дают возможность:
Использование сталей повышенной и высокой прочности и применение сварных конструкций способствует снижению расхода металла, поэтому стальной мост часто выступает более дешевой и практичной альтернативой другим вариантам.
Благодаря использованию углеродистой, низколегированной и легированной стали проектировщики отказались от брутальных балочных ферм «железнодорожного типа» и сегодня металлические мосты изящными и красивыми силуэтами мощно шагают через водную гладь, горы и долины. Они стали настоящими достопримечательностями мегаполисов и загородных ландшафтов, а строители смогли успешно решить многочисленные технические и экономические задачи.
Компания «Метиневест-СМЦ» также поставляет на внутреннний рынок обширный ассортимент металлопроката для мостостроения. Получить подробную информацию о такой металлопродукции или оформить на нее заказ на можно по телефону 0800-30-30-70.
Мы рады, что вы заинтересовались информацией из нашего блога. И даем согласие на использование материалов для учебных целей или для личного пользования. Однако предупреждаем, что копирование информации для публичного распространения – это нарушения авторского права и других прав интеллектуальной собственности, согласно Бернской конвенции и Закона Украины об авторском праве №3792-XII.