Современное мостостроение в России
Мостостроение является одним из важнейших направлений инфраструктурного развития нашей страны. России нужны как дороги, так и современные надежные мосты, способные обеспечить безопасное и комфортное движение транспорта.
Сегодня отечественные архитекторы при строительстве мостов применяют новейшие инженерные решения, технологии и материалы. Их проекты становятся не просто функциональными элементами инфраструктуры, но и выглядят как настоящие произведения архитектурного искусства, украшающие облики российских городов.
Современные технологии возведения мостов
В сравнении с другими строительными отраслями мостостроение и по сей день остается одним из самых консервативных направлений. Это вызвано не столько отсутствием новшеств (они, безусловно, есть), сколько долгим согласованием, внедрением и проверкой любых новых решений. Безопасность по-прежнему стоит в приоритете.
Материалы
И все же положительные изменения есть. И в первую очередь они заметны в области используемых материалов.
Бетон
Еще 20 лет назад базовым стройматериалом являлся бетон. Он имел два неоспоримых преимущества: прочность и долговечность. Дополнительным бонусом шли универсальность, относительная дешевизна и низкие затраты на техническое обслуживание
Бетон может принимать различные формы, что позволяет реализовать любые архитектурные решения. Он до сих пор является одним из наиболее доступных строительных материалов в плане цены, особенно при наличии близлежащих источников сырья. И наконец, бетонные мосты требуют меньших затрат на ремонт и содержание, в сравнении с конструкциями из других материалов.
Главным недостатком материала является его тяжеловесность. Массивные бетонные мосты оказывают значительную нагрузку на грунт, что при определенных условиях усложняет их возведение. Например, при строительстве бетонного моста через реку для повышения судоходности нередко требуется увеличить длину пролетов между опорами. Именно вес конструкции становится основным препятствием для реализации этой идеи.
Сверхлегкий бетон
Сверхлегкий бетон — это специальный вид бетона, который обладает более низкой плотностью по сравнению с обычным бетоном. Благодаря этому существенно снижается нагрузка на фундаменты и опоры мостов.
Несмотря на низкую плотность, за счет применения специальных добавок и армирования сверхлегкий бетон обладает достаточно высокой прочностью на сжатие (до 60 МПа). То есть снижение общего веса конструкции происходит не за счет ущерба ее прочности.
Также стоит отметить устойчивость к воздействию агрессивных факторов окружающей среды. Легкий бетон коррозиестоек. К тому же малый вес материала значительно облегчает транспортировку и монтаж.
Нанокомпозиты
Нанокомпозитные материалы привлекают своими отличными эксплуатационными характеристиками. В чистом виде это добавки вроде молибдена и ванадия. При введении их в состав стальной арматуры они усиливают ее прочность, повышают стойкость к воздействию внешних температур.
Как известно, низкие температуры воздействуют на микроструктуру этого материала, делая его более хрупким. Добавление в состав нанокомпозитов решает эту проблему. Из такой стали изготавливается арматура, отдельные элементы моста, сварные конструкции.
Нанокомпозиты могут вводиться в состав бетона или использоваться в процессе сварки. Например, присадки, содержащие кальций и магний, уменьшают размер ферритных и цементитных фаз стали, делая соединение более прочным и долговечным
Стеклопластик
Стеклопластиковые конструкции значительно легче традиционных железобетонных или металлических аналогов. Это позволяет снижать нагрузки на мостовые опоры и фундаменты. К тому же стеклопластик устойчив к коррозии, старению, истиранию и внешним воздействиям.
Благодаря малому весу (менее 20% от веса железобетона) и модульной конструкции, стеклопластиковые элементы мостов легче транспортировать и собирать на объекте. Первый автомобильный мост из стеклопластика был возведен в России еще в 2014 году. С тех пор материал все чаще применяют в российском мостостроении в качестве альтернативы ряда железобетонных элементов.
Однако инновационными решениями изобилует не только материалы.
Префабрикация
Современные мостостроение все чаще использует метод префабрикации. Его суть заключается в переносе части строительных процессов на завод, где заранее изготавливаются конструкции или их отдельные части, которые затем доставляются на строительный объект.
Такой подход позволяет:
- сократить сроки строительства;
- повысить качество изготовления за счет использования сверхлегких материалов;
- снизить затраты;
- уменьшить зависимость от погодных условий (на сборку в заводских условиях не влияет погодный фактор);
- повысить безопасность (снижаются риски, связанные с работой строителей на высоте).
Именно использование новых композитных материалов предоставило возможность чаще использовать метод префабрикации. Уменьшение веса конструкций, узлов и отдельных мостовых элементов позволило обеспечить их последующую транспортировку к объекту, что в случае с железобетоном не представлялось возможным.
Чаще всего на заводах, собирают следующие виды префабрикатов:
- пролетные строения мостов;
- опоры и фундаменты;
- подпорные стены;
- парапеты и ограждения;
- дорожные плиты.
Использование метода префабрикации позволяет значительно повысить эффективность строительства мостовых сооружений.
Новейшая техника
Инновационные технологии мостостроения сложно представить без использования новейшей прогрессивной техники. Одним из таких примеров является гигантский мостоукладчик SLJ900/32.
Это уникальная китайская разработка, предназначенная для быстрого возведения больших мостовых пролетов. Мостоукладчик был создан компанией Wowjoint Machinery специально для проекта возведения группы мостов при строительстве дороге из Пекина в Монголию.
Вес машины — 580 тонн. Длина — 90 метров, высота — 9, а ширина — более 7. Мостоукладчик может осуществлять работу с бетонными блоками массой до 9 тысяч тонн. Его конструкция состоит из огромной самоходной стрелы, установленной на специальном шасси с 48 колесами. Стрела способна поворачиваться на 360 градусов.
Интересен и принцип работы мостоукладчика SLJ900/32:
- Предварительно на разных концах будущего моста устанавливаются опоры.
- Мостоукладчик подъезжает к началу пролета и поднимает с помощью стрелы огромные сборные секции моста весом до 1800 тонн.
- Аккуратно перемещая стрелу, мостоукладчик устанавливает эти секции на опоры, формируя пролет.
Таким образом, SLJ900/32 может сооружать мостовые пролеты длиной до 300 м.
Использование мостоукладчиков значительно сокращает время строительства моста, позволяет сэкономить на трудоресурсах, дает возможность возводить мостовые сооружения в труднодоступных районах. В России только присматриваются к использованию мостоукладчиков, производя все работы, связанные с возведением мостов традиционным методом с помощью кранов.
Новые методы мониторинга
Ключевым фактором, обеспечивающими безопасность и надежность мостов, является мониторинг процесса их возведения.
Для этого устанавливаются датчики для отслеживания деформаций, напряжений, нагрузок и вибрации, проводятся регулярные инспекции по оценке состояния ключевых элементов, контролируется воздействие внешних факторов.
В последние годы все чаще применяются БПЛА, которые позволяют получать визуальную информацию с труднодоступных или опасных для человека участков конструкции. Аппараты также используются для регулярной высокочастотной съемки, позволяющей отслеживать ход строительных работ и изменения в состоянии конструкций. На основе материала создаются 3D-модели и ортофотопланы, которые помогают строителям точно оценить геометрические параметры моста.
Применение БПЛА существенно повышает эффективность контроля за ходом строительства, обеспечивая высокую точность, безопасность и оперативность обследований.
Инновационные конструктивные решения
Если говорить о конструктивных решениях, то первое, что приходит на ум – это участившееся строительство висячих и вантовых мостов для больших пролетов.
Первые представляют собой конструкцию с основным несущим элементом в виде гибких железобетонных кабелей, подвешенных между опорами. Они образуют параболическую или каскадную форму, поддерживая проезжую часть моста. Главными преимуществами таких сооружений является минимальный расход материалов, эстетичность и возможность преодоления очень больших пролетов (до 2000 м).
Вантовый мост состоит из высоких пилонов, от которых к проезжей части отходят наклонные стальные тросы-ванты. Они воспринимают нагрузку и передают ее на пилоны, обеспечивая жесткость конструкции. Русский мост во Владивостоке является примером удачного возведения подобной инженерной конструкции.
Инновации заметны и в сфере традиционного мостостроения. Здесь инженеры активно работают над эффективными конструкциями опор, способными противостоять сейсмическим нагрузкам и экстремальным воздействиям.
Отдельно стоит упомянуть применение шок-трансмиттеров. После решения строить Крымский мост, возник резонный вопрос о возможной сейсмической и динамической нагрузке на конструкции сооружения. Трансмиттеры, установленные между опорами и пролетами моста, обеспечивают небольшое смещение последних при воздействии высоких температур и равномерно распределяют нагрузку между опорами при землетрясении.
Основные этапы строительства
Процесс возведения моста требует тщательного планирования. Поэтому любая стройка начинается с предпроектных исследований. Как правило, они включают инженерно-геологические изыскания, оценку гидрологических условий и предварительные расчеты нагрузок и прочности.
Специалисты изучают топографические карты района, геологические отчеты, оценивают рельеф, гидрогеологические условия, строение грунтов. Также возможно проведение геофизических исследований и испытание грунтов (статическое и динамическое зондирование, пробные нагрузки).
Проектирование
При создании проекта сначала разрабатывается конструктивная схема моста. Определяется тип мостового сооружения (балочный, арочный, висячий, вантовый), его высота, длина моста и пролетов, тип и конструкции опор.
На этапе проектирования подбираются материалы, производится расчет и проектирование фундаментов и опор. Обязательно разрабатывается проектная и рабочая документация.
Начало работ
Подготовительный этап начинается с расчистки и планировки строительной площадки, устройства подъездных путей и временных сооружений. Дополнительно организуются складские и бытовые помещения.
Тип фундамента определяется еще на этапе проекта. В зависимости от условий грунта это может быть ленточный, свайный, плитный или буронабивной фундамент. Далее следуют работы по возведению опор (бетонных, металлических или комбинированных) или установка анкерных систем для висячих и вантовых мостов. Все зависит от того какая конструкция возводится.
Монтаж пролетных строений или установка вант
Сборка металлических или железобетонных ферм может осуществляться как на месте стройки объекта, так и непосредственно на заводе-изготовителе. После их закрепления начинается этап монтажа пролетов (чаще всего методом надвижки). По окончании настилается дорожное полотно, устанавливаются перила и ограждения.
При возведении вантовых конструкций монтируются высокопрочные тросы, натягиваются и закрепляются на опорах кабели, а вантовые элементы присоединяются к пролетным строениям.
Завершающие работы
На заключительном этапе строятся подходы к мосту, организуется освещение, наносится дорожная разметка, устанавливаются знаки.
Обязательно проводятся пусконаладочные работы, статические и динамические нагрузочные испытания.
Проблемы современного мостостроения
Одной из базовых проблем мостостроения в России всегда были сложные геологические и климатические условия. На внушительной части нашей страны присутствуют вечномерзлые, заболоченные, заторфованные и другие виды неустойчивых грунтов.
Ряд регионов характеризуется сейсмической активностью. Погоду определяет континентальный климат с перепадами температур, заморозками и оттепелями. Кроме того, большинство рек зимой замерзает, а, как известно, ледообразование требует дополнительной защиты мостовых конструкций. Возведение мостов в таких условиях существенно усложняет работу инженеров и увеличивает стоимость строительства.
Вторая проблема, связана с возведением вантовых мостов. В России отсутствует национальный стандарт по их проектированию. В связи с этим возникают вопросы, связанные с безопасностью эксплуатации самих мостов, долговечности используемых материалов. Отсутствие единых принципов и методов проектирования вантовых мостов усложняет их строительство и эксплуатацию и мешает оптимизировать затраты, связанные с организацией строительства.
Также в России нет стандарта по использованию несъемной сталефибробетонной опалубки при возведении пролетов монолитного типа. Сталефибробетон известен своей повышенной трещиностойкостью. К тому жен он позволяет сократить сроки работ и трудозатраты на проект. Бетон этого вида применяется в мостостроении для увеличения несущей способности и повышения устойчивости к деформациям.
Недостаток производства полимерных композиционных материалов – тоже является одной из проблем современного мостостроения. Их дефицит ограничивает возможность использования новейших конструкций и форм мостовых сооружений, увеличивает сроки строительных работ в сравнении с другими странами.
Импортозамещение в строительстве мостов
Международные санкции достаточно сильно повлияли на сферу российского мостостроения. Рынок покинула американская компания «Maurer», производившая деформационные швы, норвежские и немецкие производители антикоррозийных системы защиты. Однако им на место пришли российские компании с менее известными именами, но качественной продукцией, которая почти не уступает импортным аналогам.
У ряда строительных организаций возникли проблемы с обслуживанием уже имеющейся спецтехники «New Holland», «JCB», «Liebherr», «Bauer». Решением стали поставки деталей и техники через ОАЭ, Казахстан и Армению. Конечно, цена закупок и сроки поставок увеличились, но не то, чтобы очень критично.
Большой выбор мостостроительной техники предлагает Китай. При этом в плане качества и надежности спецтехника из Поднебесной мало в чем уступает европейцам и американцам. Российские производители также увеличили выпуск буровых установок, гидроподъемников и автовышек.
Оснащение для вантовых мостов долгие годы закупалось в Швейцарии и Франции. Например, ванты для знаменитого Русского моста во Владивостоке поставляла французская компания Freyssinet. В настоящее время мостовые канаты закрытого типа производятся на российском предприятии «Северсталь», а системы преднапряжения выпускаются компанией «СТС» (Современные Технологии Строительства).
Выпуск шпунтовых свай налажен на предприятиях концерна «Северсталь». Холодногнутые шпунты позволяют снизить стоимость строительства почти на 30%, а многогранные можно использовать даже в Арктической зоне.
Инновационные проекты
Одним из самых амбициозных и обсуждаемых проектов является массовое возведение алюминиевых мостов. В Европе подобные искусственные сооружения возводятся с 1990 года, в России первый алюминиевый мост был построен еще в 1969 году в Ленинграде. При этом последние его исследования показали, что даже спустя более чем полвека, ни его несущая способность, ни отдельные элементы не пострадали.
С 2017 года в России было возведено несколько пешеходных мостов, однако к строительству автодорожных видов еще не приступили. Их возведение требует модернизации нормативной базы. Так, в 2019 году Минстрой РФ принял по алюминиевым мостам свод правил СП 443.1325800.2019, теперь же изменений ждут своды и нормативы, регулирующие процессы монтажа и обследования.
Строительство алюминиевых мостов в России активно поддерживается на государственном уровне как эффективный способ развития инфраструктуры в труднодоступных районах и на территориях Арктической зоны.
В СПбГАСУ усовершенствовали вилочный погрузчик
Производительность складских помещений можно повысить, используя модернизированный вилочный погрузчик.
Обычному вилочному погрузчику необходимо сделать несколько маневров, чтобы развернуться на 90 градусов к складской полке и выгрузить паллет с грузом. Аспирант Дмитрий Семенов и профессор Иван Воронцов из Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета предложили использовать модификацию рабочего узла, оснастив его поворотным механизмом, а гидравлическую схему — гидромотором, который контролировал бы работу узла.
При этом регулировку подачи рабочей жидкости в системе нужно сделать не ступенчатой, а объемной бесступенчатой, что позволит осуществлять подъем/опускание грузозахватных вил и поворот рабочего узла плавно, исключая резкие движения и толчки. Гидравлическая схема и сопутствующий поворотный механизм могут применяться в складских помещениях с шириной проходов, не превышающих 1,75 метра.
В ходе работы ученые опросили персонал логистической компании, изучили уже существующие решения по вилочным погрузчикам, в том числе рассмотрели современные технологии — виртуальную и дополненную реальность, автоматизированные складские помещения, беспилотные вилочные погрузчики. Рассчитали схему и проверили теоретические результаты с помощью компьютерного моделирования. Получен патент на изобретение.
Авторы патента уверены: разработка может быть интересна организациям, занимающимся хранением и сортировкой продукции пищевой промышленности, логистическим компаниям по доставке бытовых приборов и инструментов, предприятиям в сфере машиностроения и станкостроения.
«В дальнейшем мне необходимо включить описание поворотного механизма в содержание своей кандидатской диссертации, выполнить автоматизацию вилочного погрузчика посредством написания программы для ЭВМ и создать цифровую модель системы управления рабочим циклом. Затем предстоит воплотить результат в виде опытного образца и защитить данное исследование в кандидатской», — рассказал Дмитрий Семенов.
В планах молодого ученого — приступить к модернизации других гидравлических систем подъемно-транспортных, строительных и дорожных машин, поскольку отечественная техника должна соответствовать современным тенденциям развития и создавать конкуренцию европейским и азиатским аналогам.
Битум в гидроизоляции: от чудес света до наших дней
Битум известен людям не одно тысячелетие. Его уникальное свойство не пропускать воду высоко ценилось еще в древности. С середины XIX века началась новая история материала, но он все так же незаменим в строительстве.
Природный герметик
У многих людей слово «битум» ассоциируется с покрытием современных автодорог. Однако еще задолго до их появления человечество применяло битум для защиты своих жилищ от влаги. Речь идет о природном материале, который образуется из нефти в результате длительного выветривания. Часто в местах естественного выхода нефти на поверхность земли появляются битумные озера. Древние люди, жившие на территориях, богатых залежами «черного золота», охотно пользовались натуральным битумом в строительстве. Из него делали прочный кирпич, который не пропускал воду, применяли «жидкий асфальт» для герметизации и гидроизоляции сооружений. Сложно представить, что в Индии был найден бассейн, облицованный асфальтом, который построили свыше пяти тысяч лет назад!
«Bitumen» с латинского — «липкий, смолистый», происходит от древнего «jatu» (санскрит) — смола, выделяющаяся из деревьев
Если верить летописям, создание Висячих садов Семирамиды — одного из семи чудес света —не обошлось без битума. Чтобы «вырастить» грандиозный зеленый оазис посреди пустыни и обеспечить ему постоянный полив, требовалось огромное количество воды. Для ее подачи были устроены многочисленные каналы, желоба, лотки, трубы, и вся эта система нуждалась в гидроизоляции. Единственным материалом, который в то время мог справиться с данной задачей, был битум. Позже природный асфальт пригодился для возведения Великой Китайской стены и многих других легендарных объектов.
Эпоха асфальта
Новая эпоха применения битумов началась чуть менее двухсот лет назад — с промышленным освоением нефтяных месторождений в Европе. До этого улицы в городах мостили камнями, но уже в 1835 году применили асфальтобетон для устройства тротуаров Королевского моста в Париже. Годом позже такое покрытие смогли оценить жители Лондона, а затем Филадельфии. С середины XIX века битумно-минеральные составы производят во Франции, Швейцарии, США и других странах. В Российской империи первый асфальт был уложен в 1866 году на улицах Петербурга, а к 1880 году появился в Кронштадте, Москве, Риге, Киеве, Одессе и Харькове.
Мощным толчком к развитию нефтяной промышленности стало появление автомобилей, первый из которых в 1896 году сконструировал Генри Форд
Бурно развивающаяся автомобильная индустрия требовала новых технологических решений, лучшим из которых оказался асфальт. Для строительства дорог стали применять искусственные битумы, полученные в результате окисления сырья. Первые промышленные партии такого битума выпустили в 1844 году, применив технологию барботажа воздуха через слой нефтяных остатков при температурах 204° и 316° по Цельсию.
Литой асфальт (на основе природных битумов) впервые был уложен в 1876 году в США. Спустя шестнадцать лет индустриальным методом изготовили пилотную дорожную конструкцию шириной три метра. А в 1904 году с помощью гудронатора со свободным истечением горячего битума построили дорогу протяженностью 29 км.
Битум: новое прочтение
В 1936 году, через 44 года после строительства первого битумного дорожного покрытия, в Турине открылся завод IMPER ITALIA. Он производил гидрофобизаторы, герметики и битумные эмульсии, предназначенные для гидроизоляции крыш и фундаментов. Со временем компания расширила ассортимент, включив в него защитные покрытия для стальных конструкций и бетонных сооружений.
За 87 лет предприятие прошло большой путь развития в области изоляции, постоянно совершенствуя свои продукты. Рос и географический охват — сегодня бренд представлен в 85 странах мира.
Создатели материалов сделали ставку на уникальный состав, включив в него АПП-полимеры. Это обеспечило повышенную теплостойкость покрытия. Оно способно выдерживать самые высокие температуры (до +130 ͦ по Цельсию) и не «течет» на солнце. Такое свойство позволяет эффективно использовать материал в любом климате, в том числе в жарких регионах.
Линейка IMPER включает материалы разных ценовых категорий — стандарт, бизнес, премиум. Особое место в этом ряду занимают мембраны IMPER LUX Н и IMPER LUX В (для нижнего и верхнего слоев гидроизоляции). Они отличаются высокой эластичностью, тепло- и морозостойкостью. Изделия, выполненные на полиэфирной основе, универсальны: подходят и для кровли, и для фундаментов. Материалы с основой из стеклоткани предназначены только для кровельных решений.
Помимо этого, компания развивает линейку сопутствующих товаров, которые необходимы для устройства надежной и долговечной гидрозащиты, — это специальные мастики и праймеры. Также ведется работа и над другими новинками, которые обещают удивить потребителей.
Итак, современные битумосодержащие материалы в XXI веке далеко ушли по своим характеристикам от родоначальника — природного битума. Передовые технологии позволили приблизить их к совершенству: улучшить надежность, прочность, стойкость к воздействию экстремальных температур, сделать удобным и монтаж, и эксплуатацию. Но, как и пять тысяч лет назад, этот материал по-прежнему помогает решать различные задачи в строительстве, обеспечивая комфорт и безопасность людей.