177Инновации в области мостостроения: прогрессивные материалы и конструктивные решения
Нагимов Марат Фатихович
заместитель генерального директора, АО «Автострада», marat2501 @таП.ш
Строительство мостов - это не только техническая деятельность, но и научная, направленная на разработку новых материалов и технологий. Строительство, реконструкция и ремонт мостов являются одними из самых сложных видов строительных работ. Особенность мостов заключается в уникальности каждого из них. Многие мосты - это памятники инженерной мысли, которые уже давно вошли в архитектуру города. Строительство мостов осуществляется с учетом специфики местности и требует сложных расчетов, которые учитывают особенности грунта, нагрузки на опоры и многое другое. Кроме этого, следует учитывать интенсивность движения и влияние внешних факторов. Введение. В России с каждым годом все больше и больше мостов приходит в негодность или разрушается. Многие мосты и многие другие искусственные сооружения уже износились, проводятся их ремонт и строительство. В данной статье рассматриваются современные технологии строительства мостов, инновации в области мостостроения, описываются прогрессивные материалы и конструктивные решения, применяемые в мостостроении. Целью данной статьи является рассмотрение инноваций в области мостостроения, описание прогрессивных материалов и конструктивных решений.
Методология. В данной статье были использованы следующие теоретические методы исследования: анализ, синтез, дедукция, индукция, обобщение, абстрагирование, формализация и др. Результаты. Основные проблемы, с которыми сталкивается современное мостостроение - это аварийная ситуация при строительстве моста или в процессе его эксплуатации, небольшие повреждения мостов на протяжении многих лет, неоконченное строительство, малые дефекты мостового полотна, трудности с финансированием, низкая квалификация инженеров-проектировщиков, низкая квалификация проектировщика и строителей. Строительные работы требуют участия профессиональных строителей, которые могут обеспечить безопасность и надежность возведения моста. В связи с этим разрабатываются все новые и новые инновации в области мостостроения, появляются более прогрессивные материалы и конструктивные решения. Выводы. Разработки, помогающие инженерам построить более совершенный мост, могут быть самыми разными. Каждый день строители мостов сталкиваются с новыми вопросами: как быстрее или дешевле построить мост; как проводить сложные ремонтные работы или сократить время на их обслуживание? Российская Федерация быстро прогрессирует в решении вопросов, связанных с мостовой промышленностью. Это подтверждает актуальность вопросов применения нано- и геоматериалов в мостостроении, а также исследование их положительных свойств. Ключевые слова: мостостроение, инновации, материалы, конструкции, конструктивные решения, инновационное мостостроение.
(0 сч о сч
В связи с переходом на солнечное энергетическое топливо, возникает необходимость в выборе наиболее выгодного по ключевым параметрам ресурса. Актуальными становятся вопросы применения наноматериалов и геоматериалов в мостостроении, а также исследование их положительных свойств.
Начнем с анализа двух источников возобновляемой энергии: солнечной и ветровой, применяемых в строительстве. Ветровую энергетику начали использовать еще парусные суда. Затем появились мельницы, затем естественная циркуляция воздуха. С 1887 года Джеймс Блит (США) первым в мире создал ветрогенератор, который обеспечивал электричеством, получаемым от ветра. Человеком, открывшим нам доступ к солнечной энергетике, стал Чарльз Фрицц из Нью-Йорка. В 1884 году американский физик изобрел настольный электрогенератор, который питался электричеством от небольшой пластинки селена. К преимуществам ветровиков можно отнести то, что они могут устанавливаться в местах, где ветренно (например, берега рек или горные склоны). Выработка электроэнергии в таких местах составит 173% от общей выработки. С этим утверждением согласился исследователь из Лондонского университета Остр Сото [4, с. 142].
Существует разработка вертикального ветряка, который устанавливается на пилонах мостов. Ветровая установка с вертикально-вращающейся осью дает электроэнергию даже в условиях слабого ветра, а также обеспечивает электроэнергией все мостовое сооружение (экономия электроэнергии). Из минусов ветровой установки можно отметить периодичность работы, сложность технического обслуживания и простоту ремонта [5].
Если говорить о солнечных панелях, то их монтаж достаточно прост: угловые и болтовые соединения, реже кронштейны. Многие российские производители устанавливают солнечные панели на более длительный срок службы, чем ветряные генераторы, начиная с 25-ти лет [6].
Процессы, происходящие в окружающей среде, тесно взаимосвязаны. Таким образом, свет солнца и ветер позволяют значительно увеличить коэффициент полезного действия (КПД) солнечных панелей. Основными компонентами являются прозрачные панели, вырабатывающие свет. Они принимают свет от солнца и направляют его на солнечные панели, установленные на стандартных солнечных панелях. Они вырабатывают электроэнергию, а не электричество. Благодаря использованию цветовой гаммы, панели могут быть окрашены в любой цвет, что делает их не только источником энергии, но также и дополняет городской пейзаж.
Еще одним важным фактором является невысокая стоимость таких панелей по сравнению с другими типами. Инновационные проекты и предложения, основанные на фундаментальных знаниях, приводят мир к визуально привлекательному и рациональному решению. Таким образом, объединение мостов с возобновляемыми источниками энергии при помощи целостных структур, в том числе дизайнеров, инженеров и государства, позволит достичь наилучшего результата.
Далее рассмотрим прогрессивные материалы, используемые в мостостроении. Композитный материал, используемый в мостостроении, обладает исключительными механическими свойствами, которые позволяют повысить прочность и долговечность моста, обеспечить его простоту в эксплуатации и ремонте. Около 20% российских мостов и мостовых конструкций находятся в аварийном состоянии. Предполагаемый срок службы этих устройств составляет пятьдесят лет. Однако по мере того, как они становятся все более и более старыми, стоимость их ремонта также возрастает. Мосты подвергаются воздействию агрессивных химических веществ, постоянно меняющихся температурно-влаж-ностных режимов и постоянных нагрузок. Для ремонта и реконструкции мостовых сооружений лучше всего применять современные полимерно-композитные покрытия [2, с. 45].
Строительство мостов, в первую очередь, включает в себя следующие этапы: гидроизоляция моста; подготовительные работы перед возведением мостового перехода; создание и монтаж строительных конструкций; монтаж металлических труб (и сборных конструкций из них); монтаж пролетного строения мостов; строительство монолитных конструкций мостов и путепроводов; окраска фасадов; остекление сходов с лестницы; замена пролетного строения; в настоящее время ведутся работы по усилению мостового полотна геосинтетическими материалами.
Качественное и долговечное гидроизоляционное покрытие для мостового перехода или пешеходного перехода выполняется с помощью геоматериала, который называется геомембраной (рисунок 1).
также сокращаются расходы на обслуживание и ремонт. Эффективная гидроизоляция мембранами обеспечивает конструкции необходимыми качествами: влагонепроницаемость и химическая стойкость.
Укладка вышележащего слоя позволяет выдержать высокие физические нагрузки и температурные перепады. Поэтому для обеспечения равномерной нагрузки на конусы, их надежного закрепления и длительной службы широко используются габио-новые конструкции (рисунок 2). Они позволяют защитить опоры от деформации, уменьшить время их эксплуатации. Помимо этого, габионы выполняют функцию защиты опоры от повреждений. Заполнители для грунта выбираются в зависимости от типа почвы [1].
Рисунок 1. Геомебрана для укрепления мостового конуса габионом
При выборе гидроизоляционного материала снижается статическая нагрузка на конструкцию, а
Рисунок 2. Габионовые трубы и конструкции для строительства мостов и эстакад
Их используют для строительства железнодорожных путей и тоннелей. Они обладают высокими эксплуатационными характеристиками. Ценными качествами металлических труб, сборных конструкций из них являются прочность, долговечность и экономичность, простота в монтаже и транспортировке, устойчивость к землетрясениям.
Современные технологии строительства мостов являются одними из наиболее консервативных в строительной отрасли. Несмотря на изменения, происходящие в этой сфере, разработка новых решений и согласование их с заказчиком занимает длительное время. Но новые технологии возведения мостов с использованием новых строительных материалов успешно применяются в строительстве. Основным материалом для возведения мостов традиционно является прочный, долговечный и надежный бетонный раствор. При всех его достоинствах, у него есть один существенный минус. Это большой вес и большие габариты. Этот фактор может стать проблемой в тех случаях, когда необходимо увеличить пролеты опор. Сегодня на смену бетону пришли новейшие материалы и технологии, позволяющие возводить мосты. Прочные мосты с большим пролетом сегодня создаются на основе сверхлегкого бетона, изготовленного из легкого высокопрочного материала. Объемный вес материала составляет 2000 кг на кубический метр, а удельный вес -25 Мпа [3, с. 5-7].
О я о
X
о 3 5 К
0)
с н ■о о
5 Н
О
а о-о н и а
Рисунок 3. Легкий высококачественный бетон, который позволяет уменьшить вес покрытия на 40% без ущерба прочности
Таким эффектом обладает пористый известняк, вулканическая пемза и вермикулит. В настоящее время наноструктурированные бетоны являются одними из самых востребованных. Он создается с помощью ввода в состав астральных атомов - нано-материалов, обладающих фуллероподобным свойством. Наличие в цементном камне таких структур позволяет создать условия, способствующие микродиффузии, что повышает прочность и долговечность изделия. Применение современных материалов позволяет ускорить процесс строительства. Составные элементы конструкций изготавливаются и собираются на производстве. На строительных площадках выполняют сварку металлических элементов с последующим обволакиванием их бетонным раствором. Затвердевая, они образуют фундаменты и опоры мостового перехода.
В настоящее время в мостостроении широко применяются стеклопластик и стекло. Наноструктури-рованные пленочные покрытия улучшают эксплуатационные характеристики материала, а также повышают его теплоизоляцию. При добавлении в стеклянную массу двуокись кремния можно получить огнеупорное покрытие. Наночастицы нанопорошка диоксида титана улучшают гидрофильность готового изделия, а также способствуют самоочищению от пыли. В связи с вышеперечисленными полезными свойствами, стеклопластик все чаще используется для строительства мостов. Новосибирский мост стал первым стеклопластиковым мостом в России.
Стеклопластиковые мосты не требуют транспортировки крупногабаритных пролетных строений, так как вся конструкция собирается на месте. Материал не поддается коррозии и снижает эксплуатационные расходы. Стеклопластиковые настилы обладают высокой прочностью и долговечностью, что позволяет говорить о том, что их срок службы может достигать 75-100 лет. Настил из стеклопластика весит всего 10-15% от веса бетонного покрытия моста, что значительно снижает нагрузку [3, с. 8-10].
Современные материалы из железобетона и металла постепенно заменяются на новые, более долговечные и прочные. Нанокультурные композиты N имеют высокие эксплуатационные характеристики. еч Легковесные, но прочные, они не подвергаются воз-^ действию сильных ветров, в меньшей степени под-2 вержены биологической и химической коррозии.
Нанотехнологии позволяют создавать арматуру из наноматериалов, которая используется в качестве армирующих лент и креплений. Молибден и ванадий уменьшают водородное набухание стали, предотвращая ее разрушение.
Полимерные композиты состоят из полимерных материалов, в основе которых лежит керамическая основа, армированная наполнителем. Благодаря монолитности, изделие обладает рядом положительных свойств. Композитные материалы не подвержены коррозии, воздействию агрессивных химических сред, к образованию трещин и гниениям при воздействии высокой или низкой температуры, а также имеют невысокую стоимость по сравнению со стандартными железобетонными конструкциями (не превышающую стоимость бетонных и стальных конструкций).
В настоящее время композитная плитка используется для возведения надземного пешеходного перехода. Например, они являются основой для перил и настилов, а также платформ, которые обеспечивают безопасность дорожного движения в городе. Конструкцию, в которой используются композиты, часто называют мостом будущего, потому что они качественные, долговечные, экономически обоснованные и эстетичные.
Пластиковые отходы получили новую жизнь благодаря переработке термопластичных структурных композиций, разработанных компанией «Ахюп» и университетом Ретгерса (США). Уже были построены несколько мостов из полимерных композитных материалов, в том числе фундаменты и двутавровых балок, настила и шпал. Эти материалы были использованы при строительстве двух железнодорожных мостов в штат Вирджиния. Они имеют пролеты 24 и 12 м, рассчитанные на перевозку 130 тонн груза [1].
Первый в мире пластиковый мост для армии был построен почти десять лет назад. В документе, подготовленном доктором Томасом Носкером и инженерным корпусом армии США. С начала строительства он ни разу не был отремонтирован и его внешний вид сохранился. Инженеры и конструкторы разработали дизайн элементов, которые позволяют завершить проект даже при минимальных затратах. Как это было сделано с двутавровыми балками Форт-Брэгга. Продукт полностью переработанный, в его состав входят различные виды пластиковых бутылок, автомобильных бамперов и даже стаканчиков для кофе. Все это смешано с пенополиуретаном, чтобы обеспечить оптимальную прочность и долговечность.
Еще один вид композитов - балки, разработанные компанией «НС Brydges». Новый восьмипро-летный мост на 164 метра состоит из 64 стальных балок, армированных полимерной оболочкой, стальной прядью предупредительного напряжения и арматуры для растяжения. Арки сжимаются при помощи силового каркаса, а арки сжимаются при помощи саморасширяющейся арматуры. Применение балок в этом месте имеет много преимуществ по сравнению с другими мостами. Кроме того, проект
предусматривает защиту от ржавчины, обеспечиваемую композитным покрытием. Система имеет небольшой вес, около трети от массы коробчатых балок, что позволяет сэкономить на подструктуре и монтаже [1].
Обеспечивается непрерывность конструкции, что позволяет контролировать динамические нагрузки. Также обеспечивается максимально эффективное использование каждого материала. Сжатие бетона заключается в том, что он сжимается в тонкостенной гранитной оболочке, которая может быть залита после того, как она будет установлена на место. Пластиковая оболочка может быть использована в различных целях. В первоначальном виде она служит для фиксации бетонной смеси. Но, помимо этого, она позволяет передавать большую часть продольной нагрузки и вертикальных нагрузок в другие элементы конструкции. Кроме того, она обладает прекрасной защитой от ржавчины.
Конструкция современного моста должна быть разработана таким образом, чтобы использовать минимальное количество материалов для создания легкого веса. Бетон является одним из самых универсальных строительных материалов. В современном мостостроении ммы извлекаем пользу из прочности, жесткости и долговечности обычных материалов. Бальзы - это бальзующая смесь. Коррозионную стойкость также обеспечивает новая конструкция, недавно испытанная для замен стальных решеток на водном пути в Луизиане. В сентябре был открыт мост через пруд Пьера Парта Байу на территории Успенского прихода в Париже [1].
Однослойные углеродные нанотрубки также проверяются путем половинного их использования. Геометрические панели были разработаны в соответствии с существующими структурами. Для достижения необходимой жесткости арматуры в конструкционных оболочках были применены два вида арматуры: высокопрочная сталь и двухосное стекловолокно. По поверхности дороги постоянно перемещаются грузоподъемные машины, а так как основная составляющая - сахарный тростник, это значит, что грузовики могут выдерживать большие нагрузки на сжатие и сдвиг. Несмотря на то, что стоимость металлической сетки составляет примерно половину от площади композиционного материала, стоимость ее установки только на 27% выше. Итерация позволила получить оптимизированную конструкцию, состоящую из двух полос бальзовой ткани с высоким уровнем плотности торцовых волокон и армированную верхней и нижней частью двуосного стеклотканного корда. В продольном и поперечном направлениях эти полосы соединены друг с другом, а верхняя и нижняя части одного направленного кордового корда армированы между собой.
В процессе вакуумной инфузии винила эфирными смолами был получен монолитный материал. В настоящее время в России особое внимание уделяется изготовлению армирующей арматуры для бетонных конструкций, которая впоследствии используется для их армирования. В качестве армирующего материала используются стекловолокна, ба-
зальтовые волокна, углеродные волокна. Композитные арматуры по-прежнему не могут занять нишу в российском строительстве. Из-за отсутствия нормативно-правовых документов, регулирующих производство и применение арматуры из композитов, а также малого опыта в работе с данным типом материала. Кроме того, развитие нормативной базы способствуют дальнейшему развитию российского производства композиционного материала [3, с. 11-12].
Вывод.
Целью данной статьи являлось рассмотрение инноваций в области мостостроения, описание прогрессивных материалов и конструктивных решений. Таким образом, современные технологии строительства и современные строительные материалы позволяют повысить темпы строительства, не принося ущерба качеству конструкции или покрытию, а также снизить трудоемкость и затраты на строительство. В настоящее время в мире происходит постепенное замещение традиционного материала полимерами, композиторами и другими материалами. Появились новые композиты, оптимизирующие характеристики материалов в комбинации с традиционными материалами, такими как бетон, сталь и дерево. Композитный материал достаточно популярен в строительстве мостов за рубежом. Это позволяет мостостроительным конструкциям на основе композитов успешно конкурировать с мостами из традиционных материалов, а также способствует распространению в России современных конструкций мостовых конструкций. Цель статьи достигнута.
Литература
1. Власенко В.Ф., Раскутин А.Е. Применение полимерных композиционных материалов в строительных конструкциях [Электронный ресурс]. - URL: http://viam-works.ru/ru/articles?art_id=123
2. Елесин М.А. Экологически чистые и безопасные строительные материалы: учеб. пособие / М.А. Елесин, Е.В. Умнова. Норильск: НГИИ. 2022. - 83 с.
3. Применение композиционных материалов для мостовых конструкций / В.Г. Кленин, А.В. Панков, Т.Г. Сорина, А.Е. Ушаков // Внедрение опыта прикладных перспективных технологий авиастроения в промышленности и на транспорте: сб. статей. - М.: Изд-во ЦАГИ, 2021. - Вып. 3. - С. 5-12.
4. Твайделл Дж. Возобновляемые источники энергии / Твайделл Дж., Уэйр А.; пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 2020. - 392 с.
5. Трибунский М.М., Овчинников И.Г. Использование ветроэлектрических установок на пилонах мостовых сооружений // Ресурсоэнергоэффективные технологии в строительном комплексе региона [Электронный ресурс]. - URL: https://istina.msu.ru/publications/article/120177095/
6. Мост солнечного ветра - эффективное повторное использование автомагистралей, 2021 [Электронный ресурс]. -URL:https://www.evolo.us/solar-wind-bridge-efficient-reuse-of-highways/
О *
О X
о
S
S *
и
с т ■и о s т о а г
о т
09 8)
Innovations in the field of bridge construction: progressive materials and constructive solutions
Nagimov M.F.
Avtostrada JSC
Bridge construction is not only a technical activity, but also a scientific one aimed at developing new materials and technologies. The construction, reconstruction and repair of bridges are among the most difficult types of construction work. The peculiarity of bridges lies in the uniqueness of each of them. Many bridges are monuments of engineering thought, which have long been included in the architecture of the city. The construction of bridges is carried out taking into account the specifics of the terrain and requires complex calculations that take into account the characteristics of the soil, the load on the supports and much more. In addition, the intensity of traffic and the influence of external factors should be taken into account.
Introduction. In Russia, every year more and more bridges fall into disrepair or are destroyed. Many bridges and many other artificial structures have already been worn out, their repair and construction are underway. This article discusses modern bridge construction technologies, innovations in the field of bridge construction, describes progressive materials and design solutions used in bridge construction.
The purpose of this article is to consider innovations in the field of bridge construction, description of progressive materials and design solutions.
Methodology. The following theoretical research methods were used in this article: analysis, synthesis, deduction, induction, generalization, abstraction, formalization, etc.
Results. The main problems faced by modern bridge construction are an emergency situation during the construction of a bridge or during its operation, minor damage to bridges over many years, unfinished construction, minor defects in the bridge bed, difficulties with financing, low qualifications of design engineers, low qualifications of the designer and builders. Construction works require the participation of professional builders who can ensure the safety and reliability of the construction of the bridge. In this regard, new and new innovations in the field of bridge construction are being developed, more advanced materials and design solutions are emerging.
Conclusions. The developments that help engineers build a more perfect bridge can be very different. Every day bridge builders face new questions: how to build a bridge faster or cheaper; how to carry out complex repairs or reduce the time for their maintenance? The Russian Federation is making rapid progress in addressing issues related to the bridge industry. This confirms the relevance of the use of nano- and geomaterials in bridge construction, as well as the study of their positive properties.
Keywords: bridge construction, innovations, materials, structures, structural solutions, innovative bridge construction.
References
1. Vlasenko V.F., Raskutin A.E. The use of polymer composite materials in
building structures [Electronic resource]. - URL: http://viam-works.ru/ru/articles?art_id=123
2. Elesin M.A. Environmentally friendly and safe building materials: textbook.
allowance / M.A. Yelesin, E.V. Umnova. Norilsk: NGII. 2022. - 83 p.
3. Application of composite materials for bridge structures / V.G. Klenin, A.V.
Pankov, T.G. Sorina, A.E. Ushakov // Implementation of the experience of applied advanced technologies of aircraft construction in industry and transport: Sat. articles. - M.: TsAGI Publishing House, 2021. - Issue. 3. -P. 5-12.
4. Twydell J. Renewable energy sources / Twydell J., Weir A.; per. from English.
- M.: Energoatomizdat, 2020. - 392 p.
5. Tribunsky M.M., Ovchinnikov I.G. The use of wind power plants on the pylons
of bridge structures // Resource and energy efficient technologies in the construction complex of the region [Electronic resource]. - URL: https://istina.msu.ru/publications/article/120177095/
6. Solar wind bridge - efficient reuse of highways, 2021 [Electronic resource]. -
URL: https://www.evolo.us/solar-wind-bridge-efficient-reuse-of-highways/
(0 C4 O C4
