CC BY
122
_________________________________________ISSN 2227-1252
Мости та тунелі: теорія, дослідження, практика, 2014, № 6
МОСТИ ТА ТУНЕЛІ: ТЕОРІЯ, ДОСЛІДЖЕННЯ, ПРАКТИКА
УДК 624.21/8
М. И. КАЗАКЕВИЧ*
* Каф. «Мосты», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел. 49 (211) 495 36 17, эл. почта [email protected]
СОВРЕМЕННОЕ РАЗВИТИЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И СТРОИТЕЛЬСТВА СРЕДНЕ- И ДЛИННОПРОЛЕТНЫХ МОСТОВ НА ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГАХ (HSR) КИТАЯ
Цель. Обзор методов проектирования и строительства железнодорожных мостов средних и больших пролетов на высокоскоростных магистралях Китая. Методика. Для достижения поставленной цели изучен опыт проектирования и строительства средне и длиннопролетных мостов на высокоскоростных железных дорогах Китая. Результаты. Анализ традиционных и современных подходов к проектированию мостов на высокоскоростных магистралях железных дорог Китая и разработка современных требований к проектированию таких мостов. Научная новизна. Предлагаются новые, высокоэффективные подходы к разработке проектов железнодорожных мостов на высокоскоростных магистралях. Практическая значимость. Применение полученных результатов к расчетам и проектированию мостов на высокоскоростных магистралях железных дорог Китая.
Ключевые слова: среднепролетные мосты; длиннопролетные мосты; мосты Китая; жесткая рама; гибкая арка; деформация балки
Введение
Данный обзор подготовлен на основе обширного материала, преимущественно, на китайском языке и потому труднодоступного для детального изучения. Тем не менее, вашему вниманию предлагается научный материал, посвященный:
- условной классификации мостов на высокоскоростных железных дорогах HSR Китая, построенных за последние 7-10 лет;
- масштабным научным, техническим и технологическим проблемам, которые решались, решены и сформулированы для дальнейших решений при эволюционном переходе от средних длин пролетов (100...200 м) к большим длинам (200.500 м) и от скоростей движения поездов 200.250 км/час к скоростям 350 км/час и выше.
Цель
Проектированию мостов на линиях HSR предшествуют масштабные изыскания, исследования специфических особенностей:
- выбор створа мостового перехода;
- анализ данных многолетних наблюдений климатических (ветер, снег, гололёд, температурные режимы), сейсмических и волновых (при пересечении водоёмов любого типа) нагрузок и воздействий.
Большой спектр научных исследований выполнялся по заданию Министерства железных дорог Китая в крупнейших научных центрах не только китайских, но и американских (Калифорнийский, Мичиганский и др.) университетов.
Привлечение университетов Китая и, в первую очередь, США объясняется традиционной ролью университетской науки в западных странах в развитии наук всех направлений.
HSR в Китае состоят из старых, но подвергшихся реконструкции линий со скоростью движения 200.250 км/час и вновь построенных линий со скоростью ~ 350 км/час. На данный момент все это составляет 9356 км - новых линий и 3209 км - реконструированных линий.
К 2020 году общая длина HSR в Китае превысит 20 000 км. Это будет полная сеть железных дорог, которая соединит все провинциальные центры и все большие города Китая с населением свыше 5 млн. человек.
© М. И. Казакевич, 2014
47
_________________________________________ISSN 2227-1252
Мости та тунелі: теорія, дослідження, практика, 2014, № 6
МОСТИ ТА ТУНЕЛІ: ТЕОРІЯ, ДОСЛІДЖЕННЯ, ПРАКТИКА
Большинство мостов имеют стандартизированные балки с пролетами 24, 32 и 40 м и только сравнительно немного мостов имеют неразрезные балки от 48 до 100 м. Например, 90 % мостов в секторе Пекин - Шанхай имеют мосты с пролетами стандартными (24, 32 и 40 м) и 5 % - с неразрезными балками, а ещё 5 % - с длинопролетными балками.
Хотя мосты на HSR Китая со средними и длинными пролётами составляют небольшую часть, они играют ключевую роль в завершении всей сети HSR Китая, т. к. они преодолевают такие физические препятствия, как уже существующие линии HSR, автобан, реки и т. д.
Средние и длинопролётные мосты на линиях HSR можно разделить на две категории по длине главного пролёта, которые уже были
выше приведены: средний пролет (100...200 м) и длинный пролёт (200.500 м).
Во вторую категорию включены также несколько вантово-балочных мостов с главным пролетом свыше 500 м.
Висячие мосты до настоящего времени ещё не использовались на линиях HSR в Китае, поскольку они слишком гибкие, чтобы обеспечить жёсткие эксплуатационные требования.
Тем не менее, в настоящий момент в Китае проводятся исследования по возможности использования висячих мостов на линиях HSR.
В предлагаемом Вашему вниманию обзоре содержатся: ключевая философия проектирования мостов; основные параметры конструкций и методы строительства (табл. 1).
Таблица!
Recent completed medium length special span in the HSR of China
Structural type Bridge name Main span (m) HSR segment Built
Tied steel arch East Lake 112 Wuhan-Guangzhou 2008
Hujiawan 112 Wuhan-Guangzhou 2008
Liangjiawan 112 Wuhan-Guangzhou 2008
Tingsihe 140 Wuhan-Guangzhou 2008
Yandangshan 2x90 Ningbo- Wenzhou 2009
Mulanxi 128 Fuzhou-Xiamen 2009
Xinkaihe 138 Harbin-Dalian 2012
Rigid frame Tianluo 160 Wenzhou-Fuzhou 2008
Baimahe 3x145 Wenzhou-Fuzhou 2008
Liuxihe 168 Wuhan- Guangzhou 2009
Zinihe 2x168 Guangzhou-Shenzhen 2010
Hybrid steel arch with concrete girder Kunyang 136 Wenzhou- Fuzhou 2007
Yichang Yangzte 2x275 Yichang-Wanzhou 2008
Shawan Channel 160 Guangzhou-Shenzhen 2009
Liugangyong 160 Guangzhou-Hong 2010
Xiaolan Channel 220 Kong Guangzhou-Zhuhai 2010
Zhenjiang Channel 180 2010
Xianyang West 136 Beijing-Shanghai
Songhuajiang Chan- 3x156.8 Xi’an-Baoji 2012
nel Harbin- Qiqihar 2013
Методика
Для мостов со средними пролётами (100.200 м) рассматриваются три типа:
- стальная гибкая арка с жёсткой кой (рис. 1);
- жесткая рама (рис. 2);
затяж-
© М. И. Казакевич, 2014
48
_________________________________________ISSN 2227-1252
Мости та тунелі: теорія, дослідження, практика, 2014, № 6
МОСТИ ТА ТУНЕЛІ: ТЕОРІЯ, ДОСЛІДЖЕННЯ, ПРАКТИКА_______________________________________
- гибридная система «стальная арка с бе- - ферменная арка (рис. 4);
тонной балкой» (рис. 3). - вантово-балочная ферменная балка
Для мостов с длинными пролётами (рис. 5);
(200.. .500 м и более) - три таких типа (табл. 2): - бетонная арка.
(с) Yandangshan Bridge (d) Xinkaihe Bridge
Рис. 1. Мосты типа «Стальная гибкая арка с жесткой затяжкой»
(b) Liuxihe Bridge
Рис. 2. Мосты типа «Жесткая рама»
© М. И. Казакевич, 2014
49
_________________________________________ISSN 2227-1252
Мости та тунелі: теорія, дослідження, практика, 2014, № 6
МОСТИ ТА ТУНЕЛІ: ТЕОРІЯ, ДОСЛІДЖЕННЯ, ПРАКТИКА
(a) Kunyang Bridge
(b) Yichang Yangtze Bridge
Рис. 3. Мосты типа «Стальная арка с бетонной балкой»
Таблица2
Recent completed and ongoing long-span bridges in the HSR of China
Structural type Bridge name Main span (m) HSR segment Built
Truss arch Dongping 242 Beijing-Guangzhou 2009
Dashengguan 2x336 Beijing-Shanghai 2011
Minjiang 198 Fuzhou-Xiamen 2011
Cable-stayed with truss gird- Tianxingzhou 504 Beijing-Guangzhou 2008
er Zhengzhou Yellow 5x168 Beijing-Guangzhou 2010
River 228 Nanjing- 2011
Yujiang Guangzhou 2013
Tongling Yangtze 630 Hefei- Fuzhou
Anqing Yangtze 580 Nanj ing-Anqing 2014 (expected)
Huanggang Yangtze 567 Wuhan- Huanggang 2014(expected)
Concrete arch Beipanjiang 445 Shanghai -Kunming 2015(expected)
© М. И. Казакевич, 2014
50
_________________________________________ISSN 2227-1252
Мости та тунелі: теорія, дослідження, практика, 2014, № 6
МОСТИ ТА ТУНЕЛІ: ТЕОРІЯ, ДОСЛІДЖЕННЯ, ПРАКТИКА
(a) Dongping Bridge
(b) Dashengguan Bridge
Рис. 4. Мосты типа «Ферменная арка»
Один из краеугольных вопросов для мостов на линиях HSR - контроль деформаций (перемещений).
Чтобы обеспечить гладкость колеи, HSR предъявляют очень высокие требования к допустимым деформациям. Независимо от выбранной конструктивной формы длинного пролёта, контроль за перемещениями, деформациями главной балки являются ключевым моментом, поскольку скорость движения поездов превышает 250 км/час [1]. Порог требований на мостах без балласта выше, чем на мостах с балластным покрытием, т.к. обеспечить плавность хода на пути без балласта очень трудно.
Таким образом, все длиннопролетные мосты на линиях HSR в Китае используют проездной путь с балластом.
Тем не менее, в Китае не существует общих детальных рекомендаций для длиннопролётных мостов, поскольку проектирование и анализ динамического поведения осуществляются индивидуально, хотя, по крайней мере, допустимые отклонения (деформации) должны соответствовать среднепролётным мостам.
Существует четыре основных положения (критериев) контроля:
1. вертикальные отклонения балки должны быть меньше 2,0 мм;
2. кручение торцов балки должны быть меньше 0,4 %;
3. длительные отклонения (например, при ползучести бетона) должны быть меньше L/1000 (мм); L - в мм;
4. продольные перемещения фундаментов.
© М. И. Казакевич, 2014
51
_________________________________________ISSN 2227-1252
Мости та тунелі: теорія, дослідження, практика, 2014, № 6
МОСТИ ТА ТУНЕЛІ: ТЕОРІЯ, ДОСЛІДЖЕННЯ, ПРАКТИКА
(a) Tianxingzhou Bridge
(b) Yujiang Bridge
(c) Zhengzhou Bridge
Рис. 5. Мосты типа «В антово-балочная ферменная балка»
Все эти четыре требования необходимо неукоснительно соблюдать для обеспечения плавности хода и безопасности движения поездов.
Устойчивость колеи и плавность движения поездов на HSR в сильной степени зависят от контроля вертикальных и поперечных отклонений главной балки в процессе эксплуатации.
© М. И. Казакевич, 2014
52
_________________________________________ISSN 2227-1252
Мости та тунелі: теорія, дослідження, практика, 2014, № 6
МОСТИ ТА ТУНЕЛІ: ТЕОРІЯ, ДОСЛІДЖЕННЯ, ПРАКТИКА
Проектная спецификация Министерства железных дорог Китая имеет вполне определённый набор требований для кратковременных и длительных отклонений, но только для коротких балок [2]:
- вертикальные отклонения должны быть меньше 1,1 L/1000;
- поперечные отклонения должны быть меньше L/4000;
- кручение торцов балки должны быть для балластного пути меньше 0,2 % и для безбалластного пути - 0,1 %.
Для длинных пролётов таких рекомендаций по техническим требованиям нет, так же, как их нет и для неразрезных балок средней длины, арочных мостов и вантово-балочных мостов. Их динамическое поведение, деформации должны изучаться во взаимодействии с подвижной нагрузкой с учётом результатов изысканий и исследований перечисленных выше специфических особенностей, чтобы вырабатывать индивидуальные требования и рекомендации для длиннопролётных мостов.
В связи с более высокими требованиями по обслуживанию этих мостов по сравнению с обычными железнодорожными мостами, тщательно изучались технические разработки, связанные с динамической реакцией мостов на линиях HSR, особенно те, которые связаны с сейсмостойкостью, взаимодействием «рельсовый путь - конструкции моста», эффект ползучести бетона, температурные воздействия и т.д. [3-8].
При развитии строительства мостов на линиях HSR в Китае учитывались такие специфические разработки, как температурные расширения, сейсмические и ветровые воздействия, действие ползучести. Понадобились также дополнительные исследования в случае сложных нагрузок, которые могут вызвать значительные отклонения.
Каждая балка с длиной пролёта более 100 м требует особых мер для контроля температурных расширений и укорочений при остывании рельса, т.к. в этом случае непрерывные сварные рельсы могут разрушиться в жаркую погоду и вызвать сход поезда с рельсового пути.
В многопролётных мостах HSR широко используются стопоры и противоугоны специальной конструкции.
Проанализированы многочисленные комбинации механизмов расширения вантовобалочных мостов.
Было установлено, что оптимальным способом контролировать температурные воздействия на рельсовый путь является применение небольших стопоров в определённых точках вдоль главной балки и больших механизмов стабилизации расширения на обоих торцах балки [9,10].
Численный анализ однопилонного вантовобалочного моста длиной 112 м показал, что продольное перемещение и уровень напряжений рельса можно значительно снизить, используя регулятор расширения в зоне стыка пилона и балки.
Основанные на существующих конструкциях мостов требования к возможности противостоять сейсмической опасности лишь упоминаются в HSR Норм Китая. Но это общие положения, которые относятся только к мостам с малыми пролётами, т.е. менее 48 м.
Сейсмическое проектирование и анализ поведения длиннопролётных мостов HSR в Китае остаются всё ещё случайными, т.е. производятся для каждого моста индивидуально, а общей методологии, общего подхода нет.
На большинстве длиннопролётных мостов HSR устанавливают гасители вдоль продольной оси моста, чтобы снизить очень большую динамическую реакцию на сейсмическое воздействие и чрезвычайное торможение поезда.
Подобно сейсмическому проектированию анализ аэродинамического воздействия длиннопролётных мостов также производится индивидуально. Но в большинстве случаев длиннопролётные мосты в Китае в процессе проектирования обязательно подвергаются динамическому анализу наряду с полномасштабными испытаниями моделей в аэродинамической трубе.
Таким образом, на деформации главной балки влияют скорость поезда и скорость ветра.
Испытания моделей в аэродинамической трубе спаренной балки, соединённой поперечной балкой позволили определить оптимальное соотношение «высота - ширина» для улучшения аэродинамических качеств такой конструктивной формы [11-13].
Длительные деформации ползучести могут вызвать возникновение неровностей поверхности рельса, что является явной угрозой для безопасности поездов на линиях HSR.
Все средне - и длиннопролётные мосты на HSR в Китае используют балластный рельсо-
© М. И. Казакевич, 2014
53
_________________________________________ISSN 2227-1252
Мости та тунелі: теорія, дослідження, практика, 2014, № 6
МОСТИ ТА ТУНЕЛІ: ТЕОРІЯ, ДОСЛІДЖЕННЯ, ПРАКТИКА
вый путь, где действие ползучести легче контролировать, регулировать, чем при безбалластном покрытии.
С точки зрения строительного проектирования действие ползучести регулируется с помощью увеличения высоты балки и снижения разности напряжений между верхними и нижними волокнами балки при комбинации длительных нагрузок.
Кроме того, чтобы снизить динамическое поведение балки, скорость поезда приходится ограничивать до 250 км/час.
Выводы
В заключение, обобщая отмеченные выше проблемы, можно указать три наиболее важные аспекта в проектировании мостов на линиях HSR в Китае в будущем, в т. ч. ближайшем.
1. обеспечение вертикальной жёсткости;
2. кручение торцов балки;
3. продольная жёсткость мостов.
В Китае современная система мониторинга больших мостов не располагает достаточно репрезентативной информацией по деформациям мостов и рельсового пути, но такие исследования целенаправленно уже проводятся с использованием оптимального расположения сенсоров, различных систем мониторинга и, что особенно важно, быстрой диагностики опасностей.
Дальнейшее развитие HSR в Китае связывают с новыми специальными пролётами в будущем, которые зависят от социальных потребностей, конкурса проектов, новых концепций и экспериментов.
В Китае планируются длиннопролётные мосты, основанные на новой технике и тщательных предварительных исследованиях [14-16].
Например, изучается перспектива вантово -балочного моста с главным пролётом 1092 м через р. Янцзы как часть линии Нантонг -Шанхай, на котором будут и HSR и автобан [16].
Кроме того, сейчас проводится предварительное изучение возможности висячих мостов на линиях HSR, таких как мост Янчжоу через
р. Янцзы с главным пролётом 1120 м и мост через пролив Кьёгчжоу с главным пролётом 1408 м.
На этой оптимистической для мирового мостостроения ноте я завершаю свой обзор.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Chen, L. J. Development and practice of large -span bridges on China HSR [Text] / L. J. Chen,
J. Qiao // Rail Econ. Res., 2010. - v. 98, -pp. 46-50 (in Chinese).
2. Ministry Railways of China. Code for Design of Highs Speed Railway, TB 10621-2009 [Text]. -China Railway Press; 2009 (in Chinese).
3. Yi, L. X. Engineering characteristic and key technique of Dashenguan Changjiang river bridge [Text] / L. X. Yi // Steel Constr., 2007. - v. 22. -pp. 78-80 (in Chinese).
4. Fryba, L. A rough assessment of railway bridges for high speed trains [Text] / L. A. Fryba // Eng. Struct.; 2001. - v. 23. - pp. 548-556.
5. Raghunathan, R. S. Aerodynamics of high-speed railway train [Text] / R. S. Raghunathan, H. D. Kim, T. Setoguchi // Prog. Aerospace Sci.; 2002. - v. 38. - pp. 469-514.
6. Dias, R. A study of the lateral dynamic behaviour of high speed railway viaducts and its effect on vehicle ride comfort and stability [Text] / R. Dias, J. M. Goicolea Ruigomez, F. Gabaldon Castillo, M. Cuadrado Sanguino, J. Nasarre, P. Gonzalez Requejo. - 2008.
7. Calcada, R. Track-bridge interaction on high-speed railways [Text] / R. Calcada, R. Delgado, A. Campos a Matos, J. M. Goicolea, F. Gabaldon. - Portugal; 2007. - pp. 15-66.
8. Kumar, Rakesh Effect of temperature gradient on track-bridge interaction [Text] / Rakesh Kumar, Akhil Upadhyay // Interact. Multiscale Mech., 2012. -v. 5(1). - pp. 1-12.
9. Xu, Y. Bridge overall design by siyuan survey on Wuhan - Guangzhou high-speed railway [Text] / Y. Xu, F. H, Jin, F. T. Yand, S. M. Cai // Rail. Stand Des., 2010. - v. 1. - pp. 94-99 (in Chines).
10. Zhu, B. Design of continuous welded rail upon long span cable - stayed bridge with steel - concrete composite box beam [Text] / B. Zhu // Rail. Stand Des., 2012. - v.2. - pp. 4-15 (in Chinese).
11. Li, Y. Dynamics of wind - rail vehicle-bridge systems [Text] / Y. Li, S. Qiang, H. Liao, Y. Xu // J. Wind Eng. Ind. Aerodyn., 2005. - v. 93. - pp. 483507.
12. Wang, S. Nonlinear coupling vibration analysis of wind load-train-long-span bridge system [Text] /
S. Q. Wang, H. Xia, W. W. Guo, X. T. Du // J Beijing Jiaotong Univ., 2012. - v. 36. - pp. 36-46 (in Chinese).
13. Li, Y. Study on vibration rules of longitudinal force of continuous welded rails on long-span cable - stayed bridge [Text] / Y. Li // J. Rail. Eng. Soc., 2012. - v. 169. - pp. 42-46 (in Chinese).
© М. И. Казакевич, 2014
54
________________________________________ISSN 2227-1252
Мости та тунелі: теорія, дослідження, практика, 2014, № 6
МОСТИ ТА ТУНЕЛІ: ТЕОРІЯ, ДОСЛІДЖЕННЯ, ПРАКТИКА_______________________________________
14. Lio, J. O. Ma W.F. Construction monitoring and Gao // Bridge Constr., 200. - v. 5 - pp. 6-8 (in
control of Liuxihe bridge [Text] / J. O. Ma W.F. Chinese).
Lio, W. F. Wang // Sei. Technol. Eng., 2011. - v. 16. Zi, H. M. Feasibility study on 1092 m cable -15 (in Chinese). stayed bridge on Shanghai - Nantong HSR [Text] /
15. Xiao, H. Z. Design of Anqing Changjiang river H. M. Zi // Rail. Eng., 2011. - v. 6. - pp. 1-4 (in
railway bridge [Text] / H. Z. Xiao, W. Xu, Z. Y. Chinese).
М. І. КАЗАКЕВИЧ*
* Каф. «Мости», Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дніпропетровськ, Україна, 49010, тел. 49 (211) 495 36 17, ел. пошта [email protected]
СУЧАСНИЙ РОЗВИТОК ПРОЕКТУВАННЯ І БУДІВНИЦТВА СЕРЕДНЬО - І ВЕЛИКОПРОГОНОВИХ МОСТІВ НА ВИСОКОШВИДКІСНИХ ЗАЛІЗНИЦЯХ (HSR) КИТАЮ
Мета. Огляд методів проектування і будівництва залізничних мостів середніх і великих прогонів на ви-сокошвидкісних магістралях Китаю. Методика. Для досягнення поставленої мети вивчено досвід проектування і будівництва середньо і великопрогонових мостів на високошвидкісних залізницях Китаю. Результати. Аналіз традиційних і сучасних підходів до проектування мостів на високошвидкісних магістралях залізниць Китаю і розробка сучасних вимог до проектування таких мостів. Наукова новизна. Пропонуються нові, високоефективні підходи до розробки проектів залізничних мостів на високошвидкісних магістралях. Практична значимість. Застосування отриманих результатів до розрахунків і проектування мостів на високошвидкісних магістралях залізниць Китаю.
Ключові слова: середньопрогонові мости; великопрогонові мости; мости Китаю; жорстка рама; гнучка арка; деформація балки
MICHAEL KAZAKEVITCH*
* Dept. of Bridges, Dnepropetrovsk national university of railway transport named after academician V. Lazaryan, 2 Lazaryana Str., Dnepropetrovsk, Ukraine, 49010, tel. 49 (211) 495 36 17, e-mail [email protected]
MODERN THE DEVELOPMENT OF DESIGN AND CONSTRUCTION MEDIUM AND LONGER SPANS OF BRIDGES ON THE HIGH-SPEED RAIL (HSR) OF CHINA
Purpose. Review of methods of design and construction of railway bridges medium and longer spans on highspeed lines in China. Methodology. To achieve this goal studied the experience of the design and construction of medium and longer spans bridges on the high-speed railway in China. Findings. Analysis of traditional and modern approaches to the design of bridges on high-speed highway of railways of China’s and development of modern requirements for the design of such bridges. Originality. Is proposed new, highly effective approach to developing projects of bridges on high-speed railways. Practical value. Application of the results to the calculation and design of bridges on high-speed highways of Railway of China.
Keywords: medium spans bridges; longer spans bridges; bridges in China; rigid frame; flexible arch; deformation of the beam
Статья рекомендована к публикации д.т.н., проф. В. Д. Петренко (Украина), д.т.н., проф. А. И. Лантухом-Лященко (Украина).
Поступила в редколлегию 28.06.2014.
Принята к печати 02.07.2014.
© М. И. Казакевич, 2014
55
