Представьте себе стального дракона, перекинувшегося через реки, одновременно легкого и мощного. Это вантовый мост – чудо инженерной мысли, которое идеально сочетает в себе механику инженерных сооружений и архитектурную красоту. Больше, чем просто переход, соединяющий два берега, он является свидетельством человеческой изобретательности и креативности.

Вантовый мост, как следует из названия, состоит из непрерывных балок (или настила), поддерживаемых наклонными вантами. Эти ванты, напоминающие струны арфы, соединяют настил с высокими пилонами, образуя устойчивое, но изящное целое. С механической точки зрения вантовые мосты функционируют как упруго поддерживаемые мосты с непрерывными балками, при этом их уникальная конфигурация предлагает явные преимущества в определенных диапазонах пролетов.

Среди типов мостов вантовые мосты превосходят по своим возможностям перекрытия. Они особенно хорошо подходят для пролетов от 150 до 600 метров, где они превосходят консольные, ферменные, арочные и коробчатые балочные мосты как с экономической, так и с эстетической точки зрения. Хотя их пролетная способность не соответствует подвесным мостам, относительно небольшая глубина балок создает более визуально легкий вид. С развитием технологий проектирования и строительства вантовые мосты продолжают бить рекорды пролетов, примером чего является Русский мост в России с его главным пролетом 1104 метра – в настоящее время самый длинный вантовый мост в мире.

Философия проектирования вантовых мостов элегантно эффективна. Каждый компонент в основном обрабатывает либо растягивающие, либо сжимающие усилия, максимально используя материалы. Ванты обеспечивают упругую поддержку настила, эффективно увеличивая пролет моста. Чтобы выдерживать нагрузки на настил, эти ванты должны выдерживать колоссальное растяжение, которое, в свою очередь, преобразуется в сжимающие усилия внутри пилонов и главных балок. Хотя изгибающие моменты и другие силы влияют на пилоны и балки, осевые силы, как правило, преобладают. Поскольку осевые элементы превосходят изгибаемые элементы по эффективности, это объясняет структурные и экономические преимущества вантовых мостов.

Концепция вантовых мостов восходит к 1595 году, задокументирована в Machinae Novae. В начале XIX века было построено несколько сооружений, но только в 1950-х годах они приобрели популярность наряду с ферменными, арочными и подвесными мостами. Ранние неудачи были связаны с недостаточным пониманием структурной системы – в частности, с недостаточным сопротивлением и неспособностью правильно натягивать ванты, что вызывало провисание при различных нагрузках. Бруклинский мост 1883 года ознаменовал значительные улучшения. Современные вантовые мосты появились в 1950-х годах в Германии, а мост Стремсунд в Швеции (1955 г.) стал первым современным примером. С тех пор методы проектирования и строительства быстро развивались, превратив вантовые мосты в глобальное явление.

Вантовые мосты можно классифицировать несколькими способами, при этом расположение вант является наиболее распространенным методом.

В зависимости от продольного расположения вантовые мосты делятся на четыре типа: с одной вантой, веерные, модифицированные веерные и арфообразные конфигурации. Хотя эти системы демонстрируют минимальные различия в общей производительности – особенно для больших пролетов – каждая из них предлагает уникальные характеристики.

• Система с одной вантой:Эта редкая конфигурация использует отдельные ванты, соединяющие пилон с настилом. Мост через реку Неккар в Германии является примером этого типа. Ранние проекты с меньшим количеством вант приводили к более высоким затратам на строительство, в то время как современные мосты предпочитают больше вант для лучшей экономии.
• Веерная система:Все ванты сходятся или проходят через верхнюю часть пилона. Эта конструктивно превосходная конструкция минимизирует изгибающие моменты пилона. Крутые углы вант эффективно обрабатывают вертикальные нагрузки, оказывая минимальные осевые усилия на балки. Однако сконцентрированные усилия в верхней части пилонов могут вызывать коррозию и усталость, требуя сложных анкеровок и дополнительного усиления пилонов.
• Модифицированная веерная система:Разработана для решения проблем веерной системы, эта вариация располагает ванты на достаточном расстоянии от верхней части пилона для лучшего распределения усилий, облегчения обслуживания и индивидуального осмотра вант. Мост Тинг-Кау в Гонконге успешно использует эту систему.
• Арфообразная система:Эта система, отличающаяся почти параллельными вантами, создает визуально упорядоченный рисунок. Более низкая начальная точка крепления вант позволяет начинать строительство раньше. Мост Цзючжоу-канал Гонконг-Чжухай-Макао демонстрирует эту элегантную систему.

В поперечном направлении ванты могут быть расположены в: одной центральной плоскости, двойных краевых плоскостях (вертикальных или наклонных) или тройных плоскостях, соединяющих осевую линию с обоими краями. Это расположение влияет на структурное поведение, методы строительства и архитектурное выражение. Двухплоскостные системы наиболее распространены, хотя одиночные центральные плоскости работают при использовании торсионно-устойчивых коробчатых секций. Для исключительно широких настилов или комбинированных железнодорожно-автомобильных мостов могут использоваться трехплоскостные системы.

Вантовые мосты могут быть спроектированы с одним, двумя, тремя или несколькими пролетами. Три или два вантовых пролета более типичны, так как ванты и анкерные опоры имеют решающее значение для устойчивости пилона. Примеры с одним пилоном включают мост Эразмус в Роттердаме и Центральный мост в Токио. Для пролетов, превышающих три, основная проблема заключается в недостаточной продольной фиксации в верхней части промежуточных пилонов. Решения включают: увеличение жесткости пилона (с использованием А-образных опор), соединение верхних частей пилонов горизонтальными связями, добавление стабилизирующих вант между пилонами, включение связей в середине пролета или использование перекрестных вант, простирающихся примерно на 20% за середину пролета – как продемонстрировано 464,6-метровыми продольными стабилизирующими вантами моста Тинг-Кау.

Вантовые мосты опираются на три основных элемента, которые работают согласованно: ванты, пилоны и настилы.

Являясь критическими несущими элементами, современные ванты преодолели ранние недостатки в системах анкеровки, материалах и защите от коррозии. Текущие варианты включают: предварительно изготовленные пряди с замкнутой спиралью (с пределом прочности при растяжении 1770 Н/мм²), предварительно изготовленные спиральные пряди (с использованием проволок диаметром 5 мм при 1570/1770 Н/мм²), стержневые ванты (1230 Н/мм²), пряди из параллельной проволоки (оцинкованные проволоки диаметром 7 мм при 1570 Н/мм²), пряди из параллельных прядей (оцинкованные пряди диаметром 15,2/15,7 мм при 1770 Н/мм²) и современные композитные ванты.

Пилоны могут быть одиночными колоннами через центры настила или со смещением для изогнутых мостов. Двухколонные конструкции (с поперечными балками или без них) создают H-образные, A-образные, перевернутые Y-образные, ромбовидные или двойные ромбовидные конфигурации. Ранние конструкции стальных пилонов отдавали приоритет быстрой сборке, но сталкивались с проблемами продольного изгиба. Современные тенденции отдают предпочтение железобетону/предварительно напряженному бетону для экономии затрат, несмотря на больший вес. Достижения в технологии бетона теперь позволяют создавать сложные формы пилонов. Типичная высота пилонов составляет от 0,2 до 0,25 от длины главного пролета, при этом углы вант составляют от 25 до 65 градусов, что обеспечивает эффективность. Внешние факторы, такие как близость к аэропорту, могут диктовать более низкие пилоны, как это видно на планируемом мосту в Кавасаки недалеко от международного аэропорта Ханэда.

В отличие от настилов подвесных мостов, настилы вантовых мостов должны выдерживать изгибающие моменты от собственного веса/живых нагрузок и осевые усилия от горизонтальных компонентов вант, что позволяет использовать различные поперечные сечения:

• Стальные настилы:Предпочтительны в ранних конструкциях из-за высокого соотношения прочности к весу и больших расстояний между вантами. Ортотропные стальные настилы сочетают тонкие поверхности износа с продольными ребрами жесткости, поддерживаемыми поперечными балками. Мост Курусима-Кайкё иллюстрирует, как уменьшенный вес настила позволяет создавать экономичные конструкции с большим пролетом.
• Бетонные настилы:Подходят для средних пролетов с использованием сборного или монолитного железобетона/предварительно напряженного бетона. Хотя это экономически эффективно, увеличение веса требует больших вант, пилонов, опор и анкеровок. Одноплоскостные кабельные системы требуют торсионно-устойчивых коробчатых секций, в то время как многокабельные системы допускают открытые балочные секции с высокой торсионной жесткостью для очень больших пролетов.
• Композитные настилы:Сочетая преимущества стали и бетона, композитные секции обеспечивают безопасность и экономичность. Варианты включают стальные ортотропные настилы с бетонными плитами или смешанные конфигурации – более тяжелые бетонные/композитные секции для боковых пролетов (уменьшающие прогиб вверх) и более легкие стальные секции для главных пролетов (минимизирующие прогиб вниз).

Современный анализ вантовых мостов требует методов конечных элементов. Модель «рыбья кость», как правило, представляет пилоны, настилы и ванты, со специализированными элементами, учитывающими эффекты провисания вант с использованием модифицированного модуля упругости. Поэтапный анализ необходим для моделирования последовательности строительства и перераспределения нагрузки. Следует выполнять как линейный, так и нелинейный анализ, дополненный динамическим анализом для определения собственных частот и форм колебаний.

Вантовые мосты обязаны своим успехом эффективным процедурам возведения, в первую очередь:

• Метод временной опоры:Монтаж настила осуществляется на временных опорах до установки и натяжения вант. Этот простой подход требует учета потребностей в опорах и габаритов для судоходства во время строительства.
• Метод свободного консольного строительства:Предпочтительная современная техника, при которой ванты непосредственно поддерживают настил во время строительства. Мост остается консольным до завершения настила. Этот метод требует тщательной проверки безопасности, особенно в условиях максимальной консоли до закрытия середины пролета.

1. Опишите структурные компоненты типичного вантового моста и внутренние силы, которые они должны выдерживать.
2. Объясните возможные поперечные и продольные схемы расположения вант в вантовых мостах.