CC BY
100
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Аспирант кафедры «Телекоммуникационные, радиотехнические системы и сети», ОмГУПС.
Тел.: +7 (3812) 31-06-94/
E-mail: l.m.aleksandrovich@mail.ru
Пономарев Антон Витальевич
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, доцент кафедры «Теоретическая электротехника», ОмГУПС.
Тел.: (3812) 31-06-88.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Кандаев, В. А. Программный модуль формирования панорамного изображения внутренней поверхности подземной части пустотелых железобетонных опор контактной сети и анализа распознанных неод-нородностей [Текст] / В. А. Кандаев, М. А. Леденев, А. В. Пономарев // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2017. - № 1 (29). -C. 99 - 105.
35, Marx st., Omsk, 644046, the Russian Federation. Post-graduate student of the department «Telecommunications, radio systems and networks», OSTU. Phone: +7 (3812) 31-06-94. E-mail: l.m.aleksandrovich@mail.ru
Ponomarev Anton Vitalievich
Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx av., Omsk, 644046, Russian Federation. Candidate of Technical Sciences, the senior lecturer of the department «Theoretical electrical engineering», OSTU.
Phone: (3812) 31-06-88.
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Kandaev V.A., Ledenev M.A., Ponomarev A.V. The software module of formation of the panoramic image of an internal surface of an underground part of hollow reinforced concrete support of contact network and the analysis of the recognizable inhomogeneities. Journal of Transsib Railway Studies, 2017, vol. 29, no. 1, pp. 99 -105 (In Russian).
УДК 624.04: 624.5
А. С. Дороган
Дальневосточный государственный университет путей сообщения (ДВГУПС), г. Хабаровск, Российская Федерация
РЕТРОСПЕКТИВА ВАНТОВО-ВИСЯЧИХ МОСТОВ ПОВЫШЕННОЙ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ
Аннотация. Показано возросшее влияние вантово-висячих мостов (ВВМ) для перекрытия морских проливов. Дана ретроспектива больших балочно-комбинированных и вантово-висячих мостов. Приведена перспектива больших балочно-комбинированных мостов. Рассмотрены различные схемы вантово-висячих мостов с прямолинейными «вантами». Предлагаются две новые схемы вантово-висячих мостов с криволинейными вантами, которые можно использовать для мостового перехода с материка на о. Сахалин через пролив Невельского.
Ключевые слова: висячий мост, вантовый мост, вантово-висячий мост.
Alexader S. Dorogan
Far Eastern State Transport University (FESTU), Khabarovsk, the Russian Federation
CABLE-STAYED SUSPENSION BRIDGES WITH HIGH AERODYNAMIC
STABILITY
Abstract: The increased influenceof cable-stayed - suspension bridges for crossing of sea passages is shown. The retrospective show of their development is given. The prospect of the big beam - combined bridges is resulted. Various schemes of vantovo-suspension bridges with rectilinear cables are considered. Two new schemes of cable-stayed suspension bridges with curvilinear cables are offered.
Keywords: suspension bridge, cable-stayed bridge, cable-stayed suspension bridge.
Ретроспектива больших балочно-комбинированных мостов.
Висячий мост «Akashi Kaikyo» с о. Хонсю через пролив на о. Сикоку имеет рекордный пролет - 1991 м (Япония, 1998 г.).
На втором месте - висячий мост «Xihoumen», построенный на большом архипелаге Zhoushan с пролетом 1650 м (Китай, 2009 г.), где балка жесткости с продольным «окном».
На четвертом - висячий мост «Yi Sun-sin» в Гванжу с пролетом 1545 м (Корея, 2013 г.).
Вантовый мост с мыса Назимова (Владивосток) через пролив Босфор Восточный на о. Русский имеет рекордный пролет Lo = 1104 м (полная длина - 1885 м).
Второй вантовый мост «Сучьжоу» через р. Янцзы имеет меньший пролет - 1088 м (Китай, 2008 г.), третий вантовый мост «Камнерезов» в Гонконге - 1018 м (2009 г.).
Для балочно-вантового моста предельный пролет L„ = 1400 м установлен из условия прочности стальной или сталежелезобетонной балки на сжатие.
Ретроспектива вантово-висячих мостов.
Впервые вантово-висячий мост был построен через р. Ниагару в 1855 г., Lo = 250 м; вантами поддерживались 0,25 Lo; имел два яруса проезда: под железную дорогу и экипажи [1].
Удачно построен американский мост по схеме 182 + 322 + 182 м через р. Огио в Цинциннати (1867 г.).
Распорный вантово-висячий мост «Brooklyn» в Нью-Йорке построен по схеме 287 + 487 + + 287 м (1883 г.), впервые здесь приенены фермы жесткости.
Мост «de Lamothe» на р. Allier, Lo = 113 м (Франция, 1883 г.); кабель работает только на среднем участке длиной 95 м; крайние ванты поставлены под углом 45° (рисунок 1).
Мост «Vernaison» через р. Рону построен по схеме 52,5 + 233 + 42,4 м (1903 г.); на длине 28 м от каждого пилона пролеты поддерживаются вантами. Сборка пролетного строения проведена без подмостей (рисунок 2).
Мост через р. Blavet близ Гавра построен по схеме 37 + 163 + 37 м (1904 г.); кабелем поддерживается только средний участок длиной 91 м (рисунок 3).
Мост «Jons-Nievros» через р. Рону, Lo = 200 м (1905 г.).
Действующий автодорожный мост «Trellins», Lo = 146 м (Франция, Альпы, 1906 г.).
Действующий автодорожный мост «Sidi M'Cid», Lo = 160 м (Алжир, Constantine, 1912 г.).
В марте 2016 г. закончен монтаж распорного вантово-висячего моста через Босфор длиной 1,4 км. Здесь использовали демпферы для вант и подвесок.
Рисунок 1 - Вантово-висячий мост «de Lamothe» через р. Allier, Lo = 113 м (1883 г.)
Рисунок 2 - Вантово-висячий мост «Vernaison» через р. Рону, построенный по схеме 52,5 + 233 + 42,4 м (1903 г.)
Рисунок 3 - Вантово-висячий мост через р. Б1ауе1 близ Гавра, построенный по схеме 37 + 163 + 37 м (1904 г.)
Перспектива большепролетных балочно-комбинированных мостов.
Планируется строительство железнодорожного мостового перехода с материка на о. Сахалин через пролив Невельского в новом створе южнее мыса Лазарева шириной 12,5 км.
В Японии разработаны проекты гигантских мостов на внутренних и внешних путях сообщения.
Проект мостового перехода с о. Хоккайдо на о. Сахалин через пролив Лаперуза (в створе мыс Соя - мыс Крильон) шириной 40 км с глубинами до 50 м.
Проект мостового перехода через пролив Цугару (Сангарский) между о. Хонсю и о. Хоккайдо. Рядом проходит построенный подводный тоннель Сейкан.
В новом створе ширина перехода 19 км, а наибольшая глубина достигает 270 м.
Для перекрытия международного судового хода предполагается перекрыть его двумя вантово-висячими (гибридными) пролетными строениями с Lo = 4000 м, а подходы - висячими пролетными строениями с Lo = 2000 м.
Перспективным является переход с Порт-Артура (Китай) через Чжилинский пролив до полуострова Шаньдун в створе Дэнчжоу для скоростной железной дороги общей протяженностью 114 км. Проходит по дуге через цепь островков четырьмя участками: 45 + 21 + 28 + + 20 км.
Проект мостового перехода с полуострова Лейзхоа на материке (юг Китая) через пролив Qiongzhou на о. Хайнань. Планируется многопролетный висячий мост длиной 26,3 км, наибольший пролет Lo = 3000 м.
Похожий проект мостового перехода разработан для пересечения Зондского пролива с о. Суматра на о. Ява (Индонезия). Планируется висячий мост длиной 27 км и наибольший пролет около 3000 м.
Вантово-висячие мосты с прямолинейными вантами.
В конце XX - начале XXI в. происходит бум строительства «морских» мостов, пересекающих морские проливы и бухты. Морские мосты значительно отличаются от обычных большепролетных мостов:
- имеют фундаменты на значительной глубине;
- учитывают области слабых грунтов (илов);
- расположены обычно в местах действия сильных тайфунов и подводных течений;
- имеют пролеты, достаточные для безопасной подмостовой навигации судов.
Поэтому главная задача при проектировании морских мостов - это увеличение длины
пролетов и снижение высоты пилонов, что уменьшит стоимость этих мостов.
Классические висячие мосты (ВМ) при больших пролетах имеют невысокую изгибную вертикальную и крутильную жесткость пролетных строений и, как следствие, - слабую общую аэродинамическую устойчивость. Для распорных ВМ требуется сооружение объемных и дорогих анкерных массивов (АМ).
Вантово-балочные мосты лишены этих недостатков, но длина их пролетов и высота пилонов ограничены, велик также риск их монтажа длинными консолями.
Вантово-висячие мосты (ВВМ) являются комбинацией вантового и висячего мостов. ВВМ объединяют в себе преимущества вантовых и висячих мостов и исключают их недостатки, обеспечивая возможность перекрывать большие морские проливы. Эти мосты демонстрируют достаточно высокую изгибную жесткость и хорошие технико-экономические показатели.
Несмотря на это ВВМ не нашли широкого применения из-за прерывистой конфигурации несущих конструкций и сложного механического поведения. Как следствие, ВВМ не получили дальнейшего развития за последние десятилетия.
Известны висячие мосты, усиленные вантами, которые относятся к системам повышенной жесткости (СПЖ), это «смешанные» ВВМ:
применение наклонных нисходящих вантов на участках вблизи пилонов (рисунок 4, а) [2]; благодаря этому балка жесткости (БЖ) как бы получает дополнительные упругие опоры
вблизи точек наибольших перемещений; на таких участках узлы БЖ поддерживаются одновременно подвесками и вантами; предварительное натяжение такой СПЖ сложнее; изгибная жесткость системы несколько увеличивается; это Бруклинский мост и старый мост через Ниагару;
отдельные проекты восходящих вантов, которые фиксируют очертание кабеля, что увеличивает жесткость ВМ (рисунок 4, в).
Известны ВВМ, когда различные участки БЖ поддерживаются отдельно подвесками и отдельно вантами (рисунок 4, б), это «локальные» ВВМ.
а б в
Рисунок 4 - Схемы разновидностей вантово-висячих мостов
Это старые мосты «de Lamothe» и «Vernaison» через р. Рону.
В практике проектирования и мостостроения известны такие вантово-висячие мосты.
Внешне распорные вантово-висячие мосты; earth-anchored suspension bridges with cable-stays (EA-SBCS). Их называют еще комбинированными системами Дишингера («Dischinger type»). Кабель закрепляется на анкерные массивы; балка жесткости на всей ее длине свободна от продольных сил (рисунок 5).
Висячая часть БЖ поддерживается подвесками криволинейного кабеля и находится в состоянии чистого изгиба [3]. Вантовая часть БЖ подвешена вантами, создающими в балке продольные силы. Вантовая и висячая части не оказывают влияния друг на друга, поэтому они могут моделироваться как независимые конструкции.
Разработаны проекты гигантских распорных ВВМ с Lo = 2500 - 3000 м через морские проливы.
Рисунок 5 - Схема распорного вантово-висячего моста
Безраспорные вантово-висячие мосты; self-anchored cable-stayed suspension bridges (SA-CSSB). Это новый тип ВВМ, созданный из объединения идеи безраспорных висячих и ван-товых мостов. Он имеет следующие преимущества: достаточно высокую изгибную жесткость и хорошую аэродинамическую устойчивость, уменьшение стоимости, применимость для просадочных оснований.
Кабель закрепляется на концах БЖ, которая воспринимает горизонтальный распор кабеля (рисунок 6).
Рисунок 6 - Схема безраспорного вантово-висячего моста
Здесь вантовая и висячая части БЖ действуют как сжато-изогнутые элементы, создавая примерно одинаковый отпор. Этот тип моста хорошо приспособлен для многопилонных систем с меньшими ограничениями по геологическим условиям оснований.
Инженерами из института мостов Технологического университета Даляня спроектированы и построены два моста такого типа в Даляне (Китай) с составной конструкцией БЖ из стали и железобетона:
- мост «Zhuanghe Jianshe» по схеме 46 + 110 + 46 (2008 г.), пилоны железобетонные;
- мост «Jinzhou Bay» по схеме 132 + 400 + 132 м (2006 г.) имеет рекордный пролет для ВВМ.
Вантово-висячие мосты с ездой посередине, когда нижние части поддерживающего кабеля образуют балочные шпренгели. Поэтому их называют еще вантово-шпренгельными мостами (рисунок 7). Известно другое название таких систем: combined cable-stayed bridges -CCSB.
Преимущества строительства ВВМ с ездой посередине:
- уменьшение высоты опор в виадуках, усиление БЖ системой вантов и нижних стоек;
- изменение эстетики и архитектурного тектонизма кабельных систем;
- строительство через глубокие долины или широкие реки без устройства сплошных подмостей.
La = 50 x 5 = 250 , La = 250 , Lb = 25 x 20 = 500 , La = 250 , La = 50 x 5 = 250
Рисунок 7 - Схема распорного вантово-висячего моста с ездой посередине
Наиболее известный ВВМ с ездой посередине - автодорожный однопролетный (Lo = 258 м) виадук «Obere Argen» (Германия, 1991 г.), он является распорным.
Распорные ВВМ могут быть применены для перекрытия пролетов до 2500 м, а безраспорные - до 1000 м.
Применим составную конструкцию пролетных строений из разных материалов (би-конструкция БЖ):
стальные для подвесных частей Lb, где нет продольных сил от действия прикрепленного кабеля;
железобетонные (ж. б.) для консольных частей La, где они есть.
Вантово-висячие мосты с криволинейными «вантами». Автор предлагает две новые схемы вантово-висячих мостов c криволинейными «вантами» [4].
В них основной распорный несущий кабель усиливается безраспорными дополнительными кабелями (ДК), играющими роль криволинейных «вантов»: с ярусным или сосредоточенным креплением к пилону.
Схема по типу «арфа». Трехъярусная система «арфа» имеет дополнительные криволинейные «ванты» и может найти реальное применение (рисунок 8).
Рисунок 8 - Схема висячего моста с дополнительными криволинейными «вантами», трехярусная «арфа»
Кабель 1 крепится к анкерным массивам и не имеет подвесок на прилегающих к пилонам участках с Ьа = 250 м, где включает в себя прямолинейные ветви. Кабель 1 также крепится к пилону на высоте 120 м.
ДК 2-5 играют роль криволинейных «вантов», но к этим «вантам» крепятся подвески. ДК 2-5 позволяют применять эффективное регулирование натяжения подвесок на разных участках БЖ в виде «ступенчатой эпюры», что исключено для «классических» ВМ.
Схема по типу «пучок». Одноярусная система «пучок» имеет дополнительные криволинейные «ванты» (рисунок 9). ДК крепятся к пилону в одном уровне (/ = 1), который может не совпадать с уровнем крепления распорного кабеля 1.
Система «пучок» может быть востребована благодаря оригинальному облику.
Предложенные системы мостов могут с успехом применяться не только для автодорог подвижной нагрузки, но и для железной дороги - класса С11, что допускается обоснованием «НИИ мостов» РЖД.
направление монтажа БЖ
направление монтажа БЖ
направление монтажа БЖ
Рисунок 9 - Схема висячего моста с дополнительными криволинейными «вантами», одноярусный «пучок»
Наличие железобетонных секций БЖ и напрягающих их дополнительных кабелей обусловливает повышенную аэродинамическую устойчивость по сравнению с «классическими» ВМ [4].
Новые схемы ВВМ с составными БЖ и криволинейными «вантами» могут составить достойную конкуренцию как «классическим» ВМ, так и распорным ВВМ с прямолинейными вантами. Такие ВВМ можно эффективно применять для перекрытия сверхгигантских пролетов с Ьр = 4000 - 5000 м.
Предлагаемые системы мостов (см. рисунки 8, 9) не имеют аналогов ни в существующих проектах, ни в построенных мостах. Эти системы по своим технико-экономическим характеристикам позволяют применять их под железнодорожную нагрузку на скоростных переходах между островами на Дальнем Востоке. В указанных системах балка жесткости является составной по длине: железобетонные секции и стальные секции, что затрудняет расчет их аэродинамической устойчивости.
Моделирование аэродинамической устойчивости. Предлагается теоретический подход для расчета различных аэродинамических явлений: флаттер, бафтинг.
Известны трехмерные уравнения движения для вязкого газа (аэродинамика):
ди з ди-
/, -1 ■др +
,=1 ] дх ■ г р дх. 7 И I
где /г - вектор ускорений (м2/с) от пульсации ветра; р - давление газа; к = ц / р - кинематическая вязкость газа.
Уравнение (1) решают в терминах давления р и скорости движения и. Граничные и начальные условия для вязкого газа: ип = 0 и и = 0. Предлагается использовать это уравнение для моделирования обтекания ветровым потоком вокруг железобетонных секций как несвязанной системы.
Известны уравнения динамики метода конечных элементов при малых смещениях:
(8И^ + &!х~ > •и]
г J
г,7 = 1,2,3, (1)
25 25
ЬЪ = 500
2525
Ьа = 250
Ьа = 250
Ьа = 250
Ьа = 250
„ д2U(t) „ ôU(i) тт/ ч w ч
M —-M + B —+ K • U (t ) = F (t ),
dt2
dt
(2)
где M - матрица масс конструкции; B - матрица коэффициентов сил вязкого демпфирования; K - матрица жесткости; F - вектор узловых сил; U - вектор узловых смещений.
При расчете аэродинамической устойчивости стальных секций дополнительно к уравнениям газа (1) предлагается рассматривать уравнения (2) для конструкции.
Для стальных секций появляется связанная система уравнений (1) и (2), которая позволяет моделировать флаттер. Предлагается использовать совместное решение уравнений (1) и (2) с помощью метода конечных или граничных элементов.
Список литературы
1. Вантовые мосты [Текст] / А. А. Петропавловский, Е. И. Крыльцов и др. - М.: Транспорт, 1985. - 224 с.
2. Качурин, В. К. Проектирование висячих и вантовых мостов [Текст] / В. К. Качурин, А. В. Брагин, Б. Г. Ерунов. - М.: Транспорт, 1971. - 280 с.
3. Дороган, А. С. Вантово-висячие мосты. Часть 1: с прямолинейными вантами [Текст] / А. С. Дороган / Строительная механика и расчет сооружений. - 2012. - № 5. - С. 1 - 9.
4. Дороган, А. С. Вантово-висячие мосты. Часть 2: с криволинейными вантами [Текст] / А. С. Дороган / Строительная механика и расчет сооружений. - 2013. - № 1. - С. 6 - 14.
References
1. Petropavlovskii, A. A., Kryl'tsov E. I., Bogdanov N. N. Vantovye mosty (Cable bridges). Moscow: Transport, 1985, 224 p.
2. Kachurin, V. K., Bragin A. V., Erunov B. G. Proektirovanie visiachikh i vantovykh mostov (Designing of Hanging and Cable-stayed Bridges). Moscow: Transport, 1971, 280 p.
3. Dorogan, A. S. Vantovo-suspension bridges. Part 1: with rectilinear guys [Vantovo-visiachie mosty. Chast' 1: s priamolineinymi vantami]. Stroitel'naia mekhanika i raschet sooruzhenii - Construction mechanics and calculation of structures, no. 5, 2012, 1 - 9 pp.
4. Dorogan, A. S. Vantovo-visiachie mosty. Chast' 2: s krivolineinymi vantami [Vantovo-hanging bridges. Part 2: with curvilinear guys]. Stroitel'naia mekhanika i raschet sooruzhenii -Construction mechanics and design of structures, no. 1, 2013, 6 - 14 pp.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Дороган Александр Станиславович
Дальневосточный государственный университет путей сообщения (ДВГУПС).
Серышева ул., 47, г. Хабаровск, 680021, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, доцент кафедры «Мосты и тоннели», ДВГУПС.
Тел.: +7 (4212) 407-524.
E-mail: newport@festu.khv.ru
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Дороган, А. С. Ретроспектива вантово-висячих мостов повышенной аэродинамической устойчивости [Текст] / А. С. Дороган // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2017. - № 1 (29). -C. 105 - 111.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Dorogan Alexader Stanislavovich
Far Eastern State Transport University (FESTU). 47, Serisheva st., Khabarovsk, 680021, the Russian Federation.
Candidate of Technical Sciences, the senior lecturer of the department «Bridges and Tunnels», FESTU. Phone: +7 (4212) 407-524 E-mail: newport@festu.khv.ru
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Dorogan A. S. Cable-stayed suspension bridges with high aerodynamic stability. Journal of Transsib Railway Studies, 2017, vol. 29, no. 1, pp. 105 - 112 (In Russian).
№20!279) ИЗВЕСТИЯ Транссиба
