Admin

Применение балок с гофрированной стенкой в мостовых сооружениях

ЧИЖОВ С.В., Петербургский государственный университет путей сообщения (ПГУПС), канд. техн, наук, КАПТЕЛИН С.Ю., ПГУПС, канд. техн, наук, РУСИН А.А., ПГУПС, аспирант

Аннотация. Рассмотрен мировой опыт применения конструкций балок с гофрированной стенкой в пролетных строениях мостовых сооружений. Проанализированы их достоинства по сравнению с конструкциями сварных балок с плоской стенкой и приваренными ребрами жесткости. Рассмотрена возможность применения конструкций балок с гофрированной стенкой в мостовых сооружениях.
Ключевые слова: гофрированная стенка, сталежелезобетонный мост, металлический мост, предварительно напряженный железобетон.


Мостовые сооружения играют ключевую роль в инфраструктуре транспортных объектов. Одним из наиболее важных элементов таких сооружений являются пролетные строения, которые несут на себе вес дорожного покрытия и транспортных средств. В последние годы для повышения экономических показателей рассматривают применение в пролетных строениях гофрированных стенок балок.
В промышленно-гражданском строительстве гофрированные балки начали широко применяться в середине 1980-х гг. Были разработаны определенные методики расчета. Проектировали их, используя численный метод расчета тонкостенных стержней открытого профиля, концептуальные положения которого были разработаны проф. В.З. Власовым. Следует отметить, что гофрированные балки можно также рассчитывать, применяя теорию оптимального проектирования, где основным критерием является распределение материала в соответствии с формой гофрирования стенки [1, 2].


Первое сталежелезобетонное пролетное строение неразрезной системы с коробчатыми главными балками с металлическими гофрированными стенками и предварительно напряженными железобетонными плитами проезжей части и нижнего пояса было применено в конструкции автодорожного моста Pont de Cognac во Франции в 1986 г. (рис. 1) [3].
С того времени в мире построено свыше 200 мостовых сооружений подобных конструкций. Мост Aigawa Bridge (Япония) имеет самый длинный пролет из когда-либо построенных гофрированных балок; его длина составляет 179 м (рис. 2) [4].
Первый двухпутный железнодорожный мост с пролетными строениями с гофрированной стенкой был построен через р. Куробэ (Япония) в 2004 г. [5]. Длина моста составляет 344 м с максимальным пролетом 72 м (рис. 3).
Гофрированные металлические стенки объединены с железобетонными плитами проезжей части и нижнего пояса за счет пропуска поперечной арматуры плиты проезжей части в отверстия гофрированных стенок (рис. 4).
Сталежелезобетонные главные балки неразрезного пролетного строения имеют коробчатое сечение (рис. 5).
Нижний железобетонный пояс имеет переменную толщину, минимальную в середине пролета (для обеспечения защиты арматуры от коррозии) и максимальную над опорой (для восприятия сжимающих напряжений). Армирование пролетных строений выполнено рабочей арматурой, установленной в железобетонных поясах и внешним армированием высокопрочными канатами, расположенными в соответствии с напряженным состоянием в неразрезной балке (рис. 6).


В настоящее время наиболее интенсивно исследуется применение гофрированной стенки для транспортных сооружений в КНР, Японии, Швейцарии, США и Казахстане. Гофрированные балки пролетных строений все более широко применяются в современном мостостроении благодаря их технологичности, экономичности, долговечности и надежности.
Процесс производства балок с гофрированной стенкой в заводских условиях полностью автоматизирован, что позволяет с высокой точностью изготавливать > изделия необходимого сечения и требуемого качества.
Разработаны различные формы гофры и способы гофрирования листового металла. Самым технологически рациональным считается вертикальное расположение гофры в виде синусоиды, трапеции или треугольника.

В цельнометаллических главных балках пролетных строений при увеличении перекрываемого пролета требуется увеличить высоту поперечного сечения, что приводит к необходимости обеспечения местной устойчивости стенки балки. Вследствие утолщения стенки либо приварки ребер жесткости (рис. 7, а) растут металлоемкость и стоимость конструкции.
Кроме того, сварные швы в местах приварки ребер жесткости являются концентраторами напряжений и способствуют образованию усталостных трещин.
Балка с гофрированной стенкой (рис. 7, б) обладает необходимой прочностью, местной устойчивостью стенок при меньшей толщине листового металла, что подтверждается исследованиями проф. В.В. Горева [6]. Он сравнил расход стали для трех видов балок с минимально допустимыми сечениями при одинаковых условиях и нагрузках (рис. 8).
Экономия металла гофрированной балки по сравнению со сплошностенчатой составила 21 %, по сравнению с балкой с гибкой стенкой — 9 %.
Результаты проведенного исследования позволяют сделать следующие выводы.
Гофрирование значительно повышает изгибную жесткость стенки в плоскости, перпендикулярной оси пролетного строения. Сравним моменты инерции балок прямого и синусоидального сечений (рис. 9).
Момент инерции стенки с высотой гофры 8 см при толщине стенки 6 мм превышает момент инерции плоской стенки толщиной 12 мм в 40 раз (см. таблицу).

Возрастание момента инерции позволяет предотвратить опасность образования и роста усталостных трещин в сварном шве, соединяющем стенку со сжатым поясом балки, и сварных швах приварки ребер жесткости.
Конструкция балок с гофрированной стенкой, по мнению авторов, позволит возобновить применение отмененных Приказом МПС от 08.12.1981 № 38361 пролетных строений типового проекта 3.501-75.
В рамках дипломного проектирования на кафедре «Мосты» ПГУПСа коллективом авторов настоящей статьи разработан дипломный проект на тему «Проект эстакады на ПК 762 + 78,65 — ПК 766 + 15,25 ВСМ-2 “Москва-Казань—Екатеринбург”», удостоенный премии К.Г. Протасова. В нем разработаны конструкции экстара-дозного пролетного строения со сталежелезобетонной коробчатой балкой жесткости с тремя трапецеидально-гофрированными металлическими стенками в поперечном сечении и предварительно напряженными железобетонными плитами (рис. 10).


На основе проведенного исследования можно сделать вывод о перспективности применения гофрированной стенки в мостостроении, так как это будет способствовать значительной экономии металла, увеличению срока службы мостов и обеспечению безопасности на дорогах. Дальнейшие исследования ускорят
широкое внедрение гофрированной стенки в гражданском и транспортном строительстве и повысят качество транспортной инфраструктуры.
Экономическая эффективность использования гофрированных балок увеличивается при росте объемов производства. Потребуется вложить значительную долю инвестиций в организацию мест по производству гофрированного металла, наладить комплексный процесс по выпуску продукции, создать нормативную базу по результатам исследований и испытаний, изучить и улучшить способы монтажа таких конструкций. Данные исследования актуальны для реализации перспективных планов создания ВСМ со значительным количеством искусственных сооружений.

[топ]Список источников

1. Дмитриева Т.Л. Параметрическая оптимизация в проектировании конструкций, подверженных статическому и динамическому воздействию: Монография. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2010. 175 с. EDN TOGMMB.
2. Дмитриева Т.Л., Ле Чан Минь Дат, Нгуен Ван Ты. Реализация алгоритмов численной оптимизации в современных программных комплексах: монография. Иркутск: Изд-во ИрНИТУ, 2015. 160 с.
3. Rui Juan Jiang; Francis Tat Kwong Au; and Yu Feng Xiao (2014) Prestressed Concrete Girder Bridges with Corrugated Steel Webs: Review, American Society of Civil Engineers, DOI: 10.1061/(ASCE) ST.1943-541X.0001040 (дата обращения: 22.02.2024).
4. Aigawa Bridge // Wikipedia. 2020. URL: https://highest-bridges.com/wiki/index.php?title=Aigawa_Bridge (дата обращения: 23.02.2024).
5. Kurobegawa Bridge: фото. URL: https://www.doboku-watching.com/index.php?Kiji_Detail&kijiId=630 (дата обращения: 26.03.2024).
6. Металлические, конструкции. Т. 1. Элементы конструкций: учебник / под ред. В.В. Горева. М.: Высш, школа, 2004. 551 с.

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК