CC BY
723
УДК 69.059.22
Бокарев Сергей Александрович
ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения»
Россия, Новосибирск1 Проректор по научной работе Доктор технических наук, профессор E-Mail: bokarevsa@stu.ru
Проценко Дмитрий Владимирович
ООО СибМостПроект Россия, Новосибирск Инженер, аспирант E-Mail: ProtsenkoDV@bk.ru
О предпосылках создания новых конструкций временных
мостовых сооружений
Аннотация. В статье приведен краткий обзор характеристик существующих временных мостовых сооружений, история создания таких мостов и обоснована необходимость проектирования универсальных быстровозводимых мостов.
Предпосылкой для необходимости проектирования новой временной мостовой конструкции послужили стихийные бедствия в Краснодарском крае в 2012 г. и на Дальнем Востоке в 2013 г, где применение быстровозводимых сооружений могло бы значительно увеличить шансы спасения человеческих жизней.
Разработанную, в том числе автором, новую конструкцию моста, можно монтировать со скорость не менее 25 метров в сутки без применения тяжелой техники и кранов и доставлять в любой пострадавший район воздушным транспортом. Разрезные пролетные строения могут достигать в длину от 3 до 60 метров, при этом габарит пролетного строения так же варьируется. Сечение моста подбирается оптимальным из расчета нагрузка/количество металла.
На настоящий момент построена экспериментальная модель моста ТАЙПАН масштабом 1:1 и проведены всесторонние испытания, показавшие высокую корреляцию с расчетными значениями (минимальный запас 4.91%). Мостовое сооружение не имеет аналогов на территории Российской Федерации. На конструкцию получен патент №137558 от 20.02.2014 года.
Ключевые слова: Сборно-разборные мосты, временные мосты, быстровозводимые мосты, Тайпан, мостовые сооружения, мостовые конструкции, реконструкция мостов.
1 630049, г. Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, д. 191/3, каб. 27
В результате стихийных бедствий (наводнение, сход сели, землетрясение, техногенная катастрофа), военных или других чрезвычайных ситуаций происходит разрушение мостов и путепроводов. Разрыв транспортных артерий существенно осложняет оказание помощи пострадавшим местам. Максимально быстрое возобновление автомобильного и железнодорожного движения является одной из главных задач восстановления жизнеобеспечения отрезанных стихией районов. Мостовой переход - это сложное инженерное сооружение, состоящее из отдельных объектов (опор, пролетных строений, эстакад, подходных насыпей и т.д.), капитальный ремонт или новое строительство которых может длится годы. Поэтому в экстренных случаях используют временные быстровозводимые конструкции, монтаж которых занимает всего несколько суток, а иногда и часов. Последовательно рассмотрим существующие варианты восстановления мостового перехода.
В исключительных случаях, при возникновении чрезвычайной ситуации могут сооружать примитивные мосты, например, срубив дерево и опрокинув его на другой берег. На рисунке 1.а показан такой способ переправы, распространенный среди альпинистов. Примитивные мосты - это и подвесные мосты, сооруженные из подручных материалов. Сплетенные из лиан и других ползучих растений веревки натягивают через ущелье, горный поток или овраг, пространство между ними застилают или досками. Вид такого моста приведен на рисунке 1б. Ненадежность конструкции, низкая грузоподъёмность все это практически исключает примитивные мосты для серьезного использования при ликвидации последствий стихийных бедствий.
а) б)
Рис. 1. Примитивные мосты а - переправа по бревну; б - висячий мост из тростника
Самым распространенным и самым быстрым способом устройства мостового перехода на сегодняшний день является наведение понтонной переправы. Для её монтажа требуется доставить понтоны к месту строительства и спустить на воду, после чего происходит их объединение. Плавучие элементы несут нагрузку за счет герметично устроенного корпуса. На рисунках 2.а и 2.б представлены стадия монтажа понтонного моста и его эксплуатация. Неоспоримым преимуществом этих мостов является их неограниченная длина [1]. Следует отметить, что во время ледохода и в зимнее время возведение и использование таких мостов
невозможно. Также возникают проблемы в организации такой переправы на быстротоках и мелководье. Для доставки и монтажа требуется мощная, как правило, венная техника.
а) б)
Рис. 2. Понтонная переправа а - спуск понтона на воду; б - эксплуатация переправы
Дешевой и быстровозводимой разновидностью понтонных мостов через водную преграду являются понтонно-модульные платформы, представленные на рисунках 3.а и 3.б. На каждой платформе предусмотрены специальные проушины, которые позволяют собирать конструкцию любого габарита и любой длины. Существенный недостаток этих мостов - низкая грузоподъемность. Максимальная нагрузка на пластиковый модуль не превышает 400 кгс/м2. Применение таких мостов оправдано для переправы людей в экстренных ситуациях, а так же для устройства причалов или плавучих ферм.
а) б)
Рис. 3. Понтонно-модульная переправа а - плавучая ферма; б - испытания платформ под автомобильной нагрузкой
При сохранении опор возможно использование как временных, так и капитальных металлических и железобетонных пролетных строений. Восстановление железнодорожных мостов возможно установкой новых капитальных пролетных строений из резерва мобилизационных складов. Использование таких конструкций, естественно, являются самыми надежным способом восстановления транспортного сообщения. Если же необходимо заново
сооружать опоры, то сначала производят изыскательные работы, выполняют расчет и конструирование, составляют проект строительства моста и только после этого приступают к его монтажу что занимает, порой, несколько лет. Такое капитальное сооружение, в отличие от временных, можно эксплуатировать в течение продолжительного промежутка времени тяжелой, в том числе перспективной нагрузкой. Однако, применение этих мостов не может решить краткосрочные задачи, нацеленные на спасение людей.
Деревянные мосты, как правило, возводят из бруса или бревен, изготовленных из деревьев близлежащего к месту строительства лесного массива. Преимущество таких мостов в их дешевизне и доступности материала: дерево - материал недорогой, легкий, прочный. Существуют проекты мостов, разработанные под различные временные нагрузки (пешеходные, автомобильные, железнодорожные). Не редким случаем является строительство деревянных переправ без проекта. На рисунке 4 показан автодорожный мост опоры и пролетные строения которого выполнены из дерева. Все соединения элементов деревянных мостов выполняют "по месту", потому, повторное применение элементов такой конструкции практически исключено [2]. Трудоемкость возведения, ограниченность в длине пролетов (как правило, до 9 метров)
Существуют инвентарные конструкции временных
металлических мостов. Самое распространенное такое решение -САРМ (средний автодорожный разборный мост), вид которого представлен на рисунке 5.
Они состоят из готовых типовых элементов, которые хранятся на складе. Монтаж моста осуществляют как минимум двумя стреловыми кранами и расчетом из 260 человек. Основным
преимуществом САРМ является их широкое распространение и наличие на базах мобилизационного резерва [3]. Эти мосты проектировались для решения тактических задач в военных целях. Использование таких конструкций для «гражданского» строительства не всегда оправдано: например, строительство переправы для обеспечения транспортного
сообщения небольшой
грузоподъемности (пешеходные мосты, мосты для легковых автомобилей и др.) влечет за собой перерасход материала и дополнительные расходы на СМР.
делает деревянные конструкции мало востребованными.
Рис. 4. Временный автодорожный деревянный мост
Рис. 5. Средний автодорожный разборный мост
Ряд интересных решений временных мостов был реализован в нескольких экземплярах. Например, монтаж понтонно-модульного моста, приведенного на рисунке 6.а, требует применение вертолетов, а грузоподъемность такого моста не превышает 20 тонн. Монтаж тяжелого механизированного моста, приведенного на рисунке 6.б, производят с рекордной скоростью до 42 метров в час. Длина моста неограниченна и кратна 10.5 метрам, допустимая масса транспортного средства составляет 60 тонн. Такие мосты в первую очередь позиционируются как военные, нацеленные на переправу транспорта и грузов в труднопроходимых условиях. Ограниченность применения таких мостов связана в первую очередь с их высокой стоимостью.
а) б)
Рис. 6. Экзотические временные переправы а - испытания понтонно-модульного моста в США; б - тяжелый механизированный мост
В основном, существующие в Российской Федерации временные сборно-разборные мостовые переходы разработаны еще во времена СССР и «морально» устарели. Их конструкции, как правило, не универсальны, т.е. неизменны по длине и величине пропускаемой нагрузки. Максимальная длина одного балочного разрезного пролетного строения составляет 33 метра. Это влечет необходимость устройства промежуточных опор при перекрытии широких препятствий, что не всегда возможно и занимает дополнительное время. У всех рассмотренных сборно-разборных конструкций невозможна оптимизация сечений элементов в зависимости от массы пропускаемой нагрузки. Единственным решением, которое смогло исключить этот недостаток, является разрезное пролетное строение с двумя решетчатыми фермами (патент РФ №2476635, кл. Е0Ш 15/133, 2013г). В конструкции этого моста имеется два варианта грузоподъемности: обычный и повышенный. Для монтажа практически всех без исключения существующих решений временных сооружений необходимо применение тяжелой техники и большого числа монтажников. Соответственно, даже при возможности быстрого монтажа самой конструкции, доставка в район постройки необходимой техники займет много времени. Целью данного исследования является обеспечение возобновление пешеходного, автодорожного или железнодорожного движения в зоне стихийного бедствия в кратчайшие сроки за счет применения при временном восстановлении мостовых сооружений универсальной, сборно-разборной конструкции временного моста.
Из проведенных выше данных следует, что такая мостовая конструкция должна соответствовать следующим современным требованиям:
1. Максимальная длина пролетного строения не менее 60 метров;
2. Длина пролета должна быть переменной и кратной 3 метрам для случая его использования на сохранившихся опорах капитального моста;
3. Максимальный вес любого элемента пролетного строения, не должен превышать одной тонны, что позволит ограничиться легким крановым оборудованием;
4. Конструкция пролетного строения должна обеспечивать возможность изменять его геометрические характеристики, определяющие его несущую способность, в зависимости от массы и габарита пропускаемой нагрузки;
5. Продолжительность монтажа пролетных строений для малых и средних мостов не должна превышать 2-3 суток, что соответствует скорости его монтажа примерно 25 метров в сутки;
6. Конструкция должна обеспечивать многократность применения;
7. Время доставки конструкций моста в любую точку России не должно превышать одних суток.
С учетом всех вышеперечисленных требований, были разработаны конструкция и технология сооружения временного моста, названного ТАЙПАН. Основная идея состоит в том, что мост собирают подобно конструктору из отдельных элементов (панель, поперечная балка, ортотропная плита, опорная стойка) максимальной массой 800 кг и габаритом 3,00 х 1,50 х 0,12 м. Ортотропные плиты проезда покрыты полимерным материалом, обеспечивающим надежное сцепление колес автомобиля с проезжей частью.
Сборка не требует применения спецтехники: собирается жесткий каркас посредством различных сборно-разборных соединений. При отсутствии опор, либо при невозможности их устройства (в случае, когда необходим максимально быстрый монтаж конструкции), фундаментом могут служить любые близлежащие бетонные блоки, при достаточности их размеров.
Отдельные конструктивные элементы пролетного строения и общий вид моста приведены на рисунке 7. На конструкцию моста получен патент №137558, кл. E01D 15/133 от 20.02.2014 года. Применение коротких блоков позволяет получить мосты практически любой длины, как с разрезными, так и неразрезными балочными пролетными строениями, рассчитанными на пропуск автомобильной нагрузки А11 и Н11 [4] или колонны танков массой до 50 тонн каждый. Промежуточные опоры собирают из тех же элементов, что и пролетное строение. В качестве фундамента и устоев могут быть использованы любые бетонные блоки.
Рис. 7. Сборно-разборный мост Тайпан. Общий вид
Сборка пролетного строения происходит на берегу соединением элементов жесткого каркаса шплинтами, в необходимых случаях с применением легкого кранового оборудования -автомобиля с гидроманипулятором (самопогрузчик). По предварительным оценкам скорость монтажа составит не менее 25 метров в сутки. После сборки пролетного строения производят его надвижку в русло. При надвижке необходимо использовать аванбек, который позволяет отказаться от противовеса. Надвижку осуществляет либо группа людей (например, рота солдат), либо бульдозер, толкающий пролетное строение.
Предельные автомобильно-дорожные нагрузки А11 и Н11 (одиночная нагрузка 80 тонн: 4 оси по 20 тонн) [7]. При тех же характеристиках, грузоподъемность моста достаточна для пропуска колонны танков до 50 тонн каждый.
Все элементы моста типовые и схемы сооружений отличаются большим или меньшим их количеством. Основными несущими элементами являются панели размером 3х1.5 метра, которые связывают между собой при помощи шарнирных соединений - пинов, а левый и правый пояса моста объединяют поперечными балками. Таким образом, можно оптимизировать конструкцию исходя из заданых задач - длина и грузоподъемность, тем самым обеспечив рациональную материалоемкость (меньше нагрузка - меньше металла).
Рис. 8. Доставка самолетом тяжелого груза в контейнере
Транспортировку элементов можно выполнять автомобилями или по железной дороге. Доставка конструкций моста в труднодоступные районы может быть осуществлена по воздуху в контейнерах, так как это показано на рисунке 10.
ЛИТЕРАТУРА
1. ВСН 50-87. Инструкция по ремонту, содержанию и эксплуатации паромных переправ и наплавных мостов / М-во автомоб. дорог РСФСР 1988. - 131 с;
2. Цвей И.И. Деревянные конструкции мостов; ВНИИНТПИ Госстроя России, 1991. - 44 с;
3. Кручинкин А.В. Сборно-разборные временные мосты. «Транспот». М., 1987 г, -191с;
4. Беликов И.П., Бахтиаров И.П. Временные мосты / Транспортное строительство. 1989 г. № З , с 15-16;
5. Власов Г.М. Проектирование опор мостов. Новосибирск, 2004. - 332 с;
6. ВСН 136-78. Инструкция по проектированию вспомогательных сооружений и устройств для строительства мостов. - М., 1978, - 206 с;
7. ГОСТ Р 52748-2007 Нормативные нагрузки, расчетные схемы нагружения и габариты приближения. М., 2008. - 12 с;
8. Корнеев М.М. Стальные мосты. Теоретическое и практическое пособие по проектированию мостов. Том 1.Киев: Академпрес, 2010. - 532 с;
9. ОДМ 218.2.029 - 2013. Методические рекомендации по использованию комплекта среднего автодорожного разборного моста (САРМ) на автомобильных дорогах в ходе капитального ремонта и реконструкции капитальных искусственных сооружений. М. 2013. - 57 с ;
10. ОДМ 218.5.006-2008 Методические рекомендации по применению экологически чистых антигололедных материалов и технологий при содержании мостовых сооружений. М. 2008. - 22 с;
11. Патент на полезную модель от №137558 «Сборно-разборный универсальный мост» , кл. Е0Ш 15/133 от 20.02.2014 г;
12. Рязанов Ю.С. Строительство мостов. Временные вспомогательные сооружения и устройства. Издательство ДВГУПС. Хабаровск, 2005. - 153 с.
13. Селиверстов В. А. Методы определения рабочих уровней воды для проектирования временных и вспомогательных сооружений в мостостроении. -М., 1999. - 209 с;
14. СП 48.13330.2011. Организация строительства. [Актуализированная редакция СНиП 12-01-2004]. М. 2011. - 22 с;
15. СП 20.13330.2011 Нагрузки и воздействия. [Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*]. М. 2011. - 85 с;
16. СП 35.13330.2011 Мосты и трубы. [Актуализированная редакция СНиП 2.05.0384*]. М. 2011 г. - 346 с.
Рецензент: Заместитель Председателя Поволжского отделения Российской академии транспорта, академик РАТ, доктор технических наук, профессор Овчинников Игорь Георгиевич.
Bokarev Sergey Aleksandrovich
Siberian Transport University Russia, Novosibirsk E-Mail: bokarevsa@stu.ru
Protsenko Dmitriy Vladimirovich
Ltd. SibMostProekt Russia, Novosibirsk E-Mail: ProtsenkoDV@bk.ru
About prerequisites creating new designs temporary bridges
Abstract: The article gives a brief overview of the characteristics of existing temporary bridge structures, the history of creation of such bridges and the necessity of universal design of prefabricated bridges. Necessary prerequisite for the design of a new temporary bridge structure served as the natural disasters in the Krasnodar Territory in 2012, and in the Far East in 2013, where the use of pre-fabricated structures could greatly increase the chances of saving lives.
Developed, including the author, a new design of the bridge can be fitted with a speed of at least 25 meters per day without the use of heavy equipment and cranes and deliver to any affected area of air transport. Cutting spans can reach a length of 3 to 60 meters, while the dimensions of the span varies as well. The cross section of the bridge is chosen based optimal load / number of the metal.
Currently built mock bridge Taypan a scale of 1: 1 and carried out extensive tests, which showed a high correlation with the calculated values (minimum discrepancy 4.91% in the margin of safety). Bridge construction has no analogues in the Russian Federation. The design of the patent №137558 from 20.02.2014 year.
Keywords: collapsible bridges, prefabricated bridges, temporary bridges, prefabricated bridges, Taypan, bridge construction, bridge construction, reconstruction of bridges.
REFERENCES
1. VSN 50-87. Instruktsiya po remontu, soderzhaniyu i ekspluatatsii paromnykh pereprav i naplavnykh mostov / M-vo avtomob. dorog RSFSR 1988. - 131 s;
2. Tsvey I.I. Derevyannye konstruktsii mostov; VNIINTPI Gosstroya Rossii, 1991. - 44 s;
3. Kruchinkin A.V. Sborno-razbornye vremennye mosty. «Transpot». M., 1987 g, - 191s;
4. Belikov I.P., Bakhtiarov I.P. Vremennye mosty / Transportnoe stroitel'stvo.1989 g. № Z , s 15-16;
5. Vlasov G.M. Proektirovanie opor mostov. Novosibirsk, 2004. - 332 s;
6. VSN 136-78. Instruktsiya po proektirovaniyu vspomogatel'nykh sooruzheniy i ustroystv dlya stroitel'stva mostov. - M., 1978, - 206 s;
7. GOST R 52748-2007 Normativnye nagruzki, raschetnye skhemy nagruzheniya i gabarity priblizheniya. M., 2008. - 12 s;
8. Korneev M.M. Stal'nye mosty. Teoreticheskoe i prakticheskoe posobie po proektirovaniyu mostov. Tom 1.Kiev: Akadempres, 2010. - 532 s;
9. ODM 218.2.029 - 2013. Metodicheskie rekomendatsii po ispol'zovaniyu komplekta srednego avtodorozhnogo razbornogo mosta (SARM) na avtomobil'nykh dorogakh v khode kapital'nogo remonta i rekonstruktsii kapital'nykh iskusstvennykh sooruzheniy. M. 2013. - 57 s ;
10. ODM 218.5.006-2008 Metodicheskie rekomendatsii po primeneniyu ekologicheski chistykh antigololednykh materialov i tekhnologiy pri soderzhanii mostovykh sooruzheniy. M. 2008. - 22 s;
11. Patent na poleznuyu model' ot №137558 «Sbomo-razbomyy universal'nyy most» , kl. E01D 15/133 ot 20.02.2014 g;
12. Ryazanov Yu.S. Stroitel'stvo mostov. Vremennye vspomogatel'nye sooruzheniya i ustroystva. Izdatel'stvo DVGUPS. Khabarovsk, 2005. - 153 s.
13. Seliverstov V. A. Metody opredeleniya rabochikh urovney vody dlya proektirovaniya vremennykh i vspomogatel'nykh sooruzheniy v mostostroenii. - M., 1999. - 209 s;
14. SP 48.13330.2011. Organizatsiya stroitel'stva. [Aktualizirovannaya redaktsiya SNiP 12-01-2004]. M. 2011. - 22 s;
15. SP 20.13330.2011 Nagruzki i vozdeystviya. [Aktualizirovannaya redaktsiya SNiP 2.01.07-85*]. M. 2011. - 85 s;
16. SP 35.13330.2011 Mosty i truby. [Aktualizirovannaya redaktsiya SNiP 2.05.03-84*]. M. 2011 g. - 346 s.
