Применение расчетного комплекса SOFiSTiK при проектировании транспортного перехода через пролив Невельского

05.06.2019 10:46

Практика мирового мостостроения уже имеет успешные примеры проектирования и строительства автодорожных и совмещенных мостовых переходов в сложнейших условиях высокой сейсмичности и сложной тектоники, при наличии мощной толщи слабых грунтов в основании и высокоинтенсивных ветровых воздействий. К таким примерам можно отнести совмещенный Эресуннский мост-тоннель, мост на остров Русский (Россия), совмещенный мостовой переход между Таманским полуостровом и Крымским полуостровом, мостовой переход через пролив Босфор (Турция) и др. Эти примеры показывают возможности реализации идеи создания мостового перехода через пролив Невельского.

Вместе с тем, приведенные в разделе 2 факторы, такие как мощные ветровые нагрузки, низкие температуры, сложная морская обстановка и высокая ледовая нагрузка, существенно осложняют производство работ и удорожают стоимость строительства, а впоследствии и содержания мостового перехода.

В 2013 году институтом «Гипростроймост» выполнены предварительные проектные эскизы однопутного железнодорожного моста. Предложения ориентированы на конструкции решетчатых ферм.

В первом варианте принята схема с использованием двух неразрезных пролетных строений (2х330 м); девяти неразрезных пролетных строений (2х220 м); двух ферм длиной 220 м; одного однопролетного строения длиной 110 м и двух балочных пролетных строений по 33,6 м. Полная длина моста составляет 5948,04 м. Число промежуточных опор – 26.

Во втором варианте: два неразрезных пролетных строения (2х330 м); шесть неразрезных пролетных строений (2х220 м); 17 однопролетных ферм длиной 110 м и два балочных пролетных строения по 33,6 м. Полная длина моста – 5960,04 м. Число промежуточных опор – 34.

Оба варианта в таком исполнении не решают всех проблем надежного сообщения на многие годы между материком и островом. Здесь должны быть приняты конструкции транспортных коммуникаций, обеспечивающие двухпутный пропуск железнодорожного подвижного состава, а также необходимых автомобильных потоков.

Конструктивные решения пролетных строений вариантов не пригодны для устройства второго яруса под автомобильное движение, а внутренние габариты не могут обеспечить двухпутное железнодорожное сообщение.

Большое число промежуточных опор (от 26 до 34) вызовет сложные эрозионные процессы в русле, а то как они скажутся в дальнейшем на аллювиальных отложениях в проливе – непредсказуемо.

Оба варианта не отвечают внешним природно-климатическим факторам. Во-первых, неизбежно сильное льдонамерзание на многочисленных элементах решетчатых пролетных строений в зимний период. Во-вторых, значительная сейсмическая активность региона при возможных землетрясениях и сдвиге тектонических плит материковой и островной частей может повлиять на срок службы искусственного сооружения.

Решение обозначенных проблем может быть достигнуто за счет других проектных схем, в том числе уже известных в мировой практике. Сейсмические воздействия и возможные тектонические смещения в зоне транспортного перехода как угрозу возможно устранить висячими или гибридными кабельно-вантовыми системами. Такие системы остаются эффективными для пропуска железнодорожной нагрузки при пролетах в тысячу и более метров.

В мировой практике мостостроения запроектированы, построены и строятся десятки больше пролетных мостов с центральными пролетами от 1000 до 2000 м и более. Ряд из них обеспечивает пропуск совмещенного (автодорожного и железнодорожного) движения. В настоящий момент через пролив Босфор построен третий гибридный кабельно-вантовый мост с центральным пролетом 1408 м, который предусматривает двухпутное железнодорожное сообщение и четыре полосы автодорожного движения в каждом направлении.

Проблемы обледенения конструкций можно решить путем укладки греющих кабелей вдоль основных несущих элементов. В балках жесткости проектируются закрытые полости, продуваемые при необходимости теплым воздухом.

Проектирование железнодорожного мостового перехода через пролив Невельского - уникальная научно-техническая задача не только для отечественного, но и для мирового мостостроения в силу необходимости одновременного комплексного рассмотрения наибольшего числа природных факторов.

Создание железнодорожного мостового перехода через пролив Невельского потребует, по-видимому, разработки специальных технических условий проектирования и строительства в дополнение к действующим нормам, а также выдвижения и применения ряда принципиальных положений для направленного поиска и принятия надежных и эффективных инженерных решений, что особенно важно на стартовом этапе осуществления проекта.

В данной статье авторами предлагается рассмотреть расчетную схему и 3D визуализацию висячего совмещённого мостового перехода через пролив Невельского с центральным пролетом 700 м (см. Рисунок 1 и 2.). С целью оптимизации работы промежуточной конструкции пилона была выполнена оценка напряжённо-деформированного состояния в программном комплексе SOFiSTiK путем сравнения основных статических схем. Конечно-элементная модель балки жесткости и пилона представлена стержневыми балочными элементами, несущий кабель и подвески - элементами, работающими только на растяжение. Балка жесткости имеет шарнирно-подвижные точки опирания на концах и на перемычке пилона вдоль оси моста. У основания пилон закреплен жестко.

 

Расчетная схема висячего моста.

                             Рис. 1. Расчетная схема висячего моста.

 

3D визуализация совмещенного двухъярусного моста.

               Рис. 2. 3D визуализация совмещенного двухъярусного моста.

 

Особенностью многопролетных висячих мостов можно отнести пониженную вертикальную жесткость в случае несимметричного загружения одного из пролетов, причем при увеличении числа пролетов общая жесткость системы продолжает снижаться. Применение многопролетных висячих мостов без принятия специальных мер повышающих их жесткость практически невозможно. В качестве такой меры может быть применено устройство жестких пилонов. Рассмотрим несколько конструктивных решений пилонов и влияние формы пилона на общую работу сооружения.

 

1.

 Жесткие1 

 2.

 

 3.

Рис. 3. Напряжённо-деформированное состояние основных вариантов пилона: жесткие (1 и 2) и гибкие (3) пилоны.

В качестве расчета был принят двухъярусный висячий мост, представленный на рисунке 2. Балка жесткости коробчатое поперечное сечение с ортотропной плитой проезжей части. Материал балки сталь с модулем упругости E = 200000 МПа и объемным весом ρ = 78.5 кН/м. Главный несущий кабель d = 0.7 м из стали E = 200000 МПа и объемным весом ρ = 78.5 кН/м3. Подвески d = 0.15 м из стали E = 200000 МПа и объемным весом ρ = 78.5 кН/м3. Рамный пилон по схеме 1: у основания габарит 6 x 6 м, толщина стенок 0.7 м, на вершине 4,5 x 4,5 м, толщина - 0.5 м. Материал пилона – железобетон с модулем упругости E = 27500 МПа и объемным весом ρ=25.0 кН/м3. Рамный пилон по схеме 2: у основания (наклонные стойки) габарит 4,5 x 4,5 м, толщина стенок 0.5 м., на вершине 5 x 5 м, толщина - 0.5 м. Материал пилона – железобетон с модулем упругости E = 27500 МПа и объемным весом ρ =25.0 кН/м3. Гибкий пилон по схеме 3: габарит сечения 5 x 5 м, толщина стенок 0.5 м. Материал пилона – железобетон с модулем упругости E = 27500 МПа и объемным весом ρ =25.0 кН/м3.

Жесткий А-образный пилон в полной мере удовлетворяет требованиям жесткости и прочности, но за счет своей малой податливости пилон передает на фундамент значительные усилия, что в результате в значительной степени усложняет конструкцию фундамента опоры. Кроме того, строительство пилона с такой сложной геометрической формой связано с большими трудностями. Увеличение гибкости пилона в направлении вдоль моста смогло бы разгрузить её. Таким образом переходим к рассмотрению пилона Y-образной формы (схема 2), которая обладает достаточной гибкостью, но при этом сохраняет возможность воспринимать горизонтальные усилия от главного несущего кабеля.

Из результатов расчетов становится ясным, что традиционная форма пилона (схема 3) не может быть применена в многопролетном висячем мосту без применения дополнительных мер по увеличению вертикальной жесткости. В то же время, конструкция такого пилона наиболее проста в отличии от других схем.

К дальнейшей разработке рекомендован вариант пилона №1 – по результатам оценок эпюры изгибающих моментов и перемещений.

 

Автор: Шестакова Е. Б. - к.т.н., доцент кафедры «Мосты» и кафедры «Тоннели и метрополитены» ПГУПС, Новиков А.Л. - cтарший преподаватель кафедры «Тоннели и метрополитены» ПГУПС, Антонюк А.А. - аспирант кафедры «Мосты» ПГУПС, Курчанов П.О. - студент 5 курса кафед

Файлы:
Транспортный_переход_через_пролив_Невельского_-_мост_или_тоннель_01.pdf0.9 M
Мост_Невельского_03.pdf1.7 M