Железобетонный балочный мост: проектирование, строительство и будущие тренды

История возникновения

По всей США почти 590 000 дорожных мостов перекрывают реки, сухие впадины и даже другие дороги и железные дороги. Хотя знаковые арки, канатные и фермы мостов захватывают взор, основой шоссейной сети является практичный и экономичный железобетонный балочный мост, также называемый балко-ферменным мостом.

Балочный мост — это простая горизонтальная плита, лежащая на опорах на каждом конце. Поскольку нагрузка плиты полностью передается вертикально на колонны, эти опоры могут быть менее массивными, чем те, что нужны для арок или подвесных мостов, которые перераспределяют часть веса горизонтально.

Балочные мосты обычно используются для пролетов 250 футов (76,2 м) или менее. Более большие расстояния достигают путем соединения нескольких простых балок в непрерывный пролет. Самый длинный мост в мире, дамба Лек-Пончартрен в Луизиане, состоит из двух параллельных двухполосных непрерывных пролетов длиной почти 24 мили (38,4 км). Первый мост, завершенный в 1956 году, содержит более 2000 отдельных пролетов; его сестринский мост, законченный 13 лет позже, длиннее на 228 футов, но использует только 1500 пролетов.

Мост состоит из трех ключевых элементов: подстройка (фундамент), передающая вес моста в грунт; надстройка, горизонтальная платформа между колоннами; и покрытие, дорожное покрытие, добавленное к надстройке.

История

Ранние люди подражали природе, переходя через ручьи по упавшим деревьям, а затем укладывая бревна или каменные плиты для создания переходов. Для более широких вод они насыпали камни и уложили балки из дерева или камня между колоннами и берегом.

Геродот описал самый ранний документированный мост в 484 г. до н.э. — древесную конструкцию на каменных колоннах через Ефрат, построенную около 300 лет ранее.

Римляне, прославившиеся каменными и бетонными арками, также строили балочные мосты. Самый ранний римский балочный мост, Понс Сублиций через Тибр в 620 г. до н.э., был сделан из деревянных балок (сублиций). Римское строительство использовало коффердамы: круговое расположение деревянных столбов, забитых в грунт, запечатанных глиной и откачанных для застывания бетона на месте.

Переход от искусства к науке начался в 1717 году, когда французский инженер 위бер Готье опубликовал трактат о мостостроении. В 1847 году американский инженер Сквайр Уиппл выпустил Работу о мостостроении, введя первые аналитические методы для напряжений и деформаций в мостах. Консультативное мостостроение стало специальностью гражданского строительства в 1880-х.

Прогресс в строительстве балочных мостов в значительной степени следовал улучшению строительных материалов.

Строительные материалы и их развитие

Современные шоссейные балочные мосты в основном строят из бетона и стали. Римляне использовали известь-пуццолановую смесь, быстро застывавшую даже под водой, прочную и водонепроницаемую. В Средние века известьный раствор заменил её, но был водорастворимым. Современный портландцемент, изобретенный в 1824 году Джозефом Аспдином, стал широко использоваться для фундаментов в начале 1900-х.

Бетон отлично работает на сжатие, но слабее на растяжение. Попытки 19 века усилить его включали вкладывание железа. Французский инженер Франсуа Энебик довел до совершенства железобетон в 1880-х, используя стальные арматурные стержни. Первый значимый американский мост на железобетоне — мост Алворд-Лейк в парке Золотые Ворота Сан-Франциско, завершенный в 1889 году и все еще эксплуатируемый.

Следующий прорыв — предварительное натяжение: натяжение стальных стержней в бетонной балке до или после литья. Это предварительно сжимает бетон, компенсируя растягивающие силы, возникающие под нагрузкой. Предварительное натяжение применяют к сборным балкам, перевозимым на площадку, или к монолитному бетону. Преднатяжение применяет натяжение до заливки; постнатяжение — после застывания бетона вокруг стали.

Проектирование

Каждый мост требует индивидуального дизайна, учитывающего топографию, водные течения, ледообразование, ветер, сейсмическую активность, грунтовые условия, прогнозируемый трафик, эстетику и стоимостные ограничения. Конструктивная надежность требует анализа постоянной нагрузки (собственный вес моста), эксплуатационной нагрузки (трафик) и экологической нагрузки (ветер, сейсмические силы, столкновения). С конца 1960-х избыточность — обеспечение того, что отказ одного элемента не обрушит всю конструкцию — стала стандартным принципом проектирования.

Производственный процесс

Строительство варьируется по месту и назначению, но следующие шаги иллюстрируют типичный железобетонный мост над мелкой рекой с промежуточными колоннами.

Ниже примерные размеры из свободного моста 1993 года через Рио-Гранде в Альбукерке, штат Нью-Мексико: длина 1245 футов, ширина 10 полос, 88 колонн, 11 456 кубических ярдов конструктивного бетона, 8000 кубических ярдов бетона покрытия и 6,2 миллиона фунтов арматурной стали.

Подстройка

• Строят коффердам вокруг каждой локации колонны и откачивают воду. Сверлят скважины до основания (≈80 футов / 24,4 м глубиной). Пока грунт извлекают, глинистый раствор удерживает скважину от обвала. Опускают арматурную клетку диаметром 72 дюйма (2 м) в раствор-наполненную скважину и закачивают бетон на дно. Раствор вытесняется наверху, собирают и повторно используют.
• Подготавливают примыкания моста на берегу реки. Заливают бетонную затылочную стену между верхом берега и дном реки для удержания грунта за концом моста. Формируют выступа (подседку) на верхушке затылочной стены; крыльевые стены могут выступать наружу для удержания наполнения примыкания.
• Для этого примера каждая опорная точка использует пару колонн. Устанавливают железобетонную перекрывку перпендикулярно направлению моста, соединяющую верхи двух колонн. Другие дизайны могут использовать прямоугольную опору или одиночную Т-образную колонну.

Надстройка

• Краном устанавливают стальные или предварительно натянутые железобетонные балок между парами колонн. Болтами крепят балки к колонным перекрывкам. В Альбукерке каждая балка была высотой 6 футов (1,8 м), длиной до 130 футов (40 м) и весом до 54 тонн.
• Укладывают стальные панели или сборные бетонные плиты через балки для формирования сплошной платформы. Один производитель предлагает 4,5-дюймовую (11,43 см) глубокую гофрированную стальную панель; альтернатива — остающаяся на месте стальная опалубка для бетонного покрытия.

Покрытие

• Укладывают барьер влаги над платформой надстройки; полимер-модифицированный асфальт горячей укладки — распространенный выбор.
• Строят трехмерную арматурную сетку поверх барьера, со слоями у нижней и верхней грани будущей бетонной плиты.
• Заливают бетонное покрытие. Для шоссе типичны 8–12 дюймов (20,32–30,5 см) бетона. Если использовались остающиеся на месте опалубки, заливают прямо в них; иначе используют скользящую опалубку для непрерывной заливки, уплотнения и выравнивания. Наносят противоскользящую текстуру зачесыванием свежей плиты щеткой или мешком. Устраивают продольные швы каждые 15 футов (5 м) для предотвращения трещин; загерметизируют эластичным герметиком.

Контроль качества

Проектирование и строительство мостов должны соответствовать стандартам таких агентств, как Ассоциация государственных дорожных и транспортных чиновников, Американское общество испытаний и материалов, и Американский бетонный институт. Материалы и конструктивные компоненты тестируют на протяжении строительства. Для проекта Альбукерке статические и динамические испытания прочности проводили на образцовом колонном фундаменте и на двух производственных скважинах.

Будущее

Исследования госорганов и отраслевых ассоциаций фокусируются на более легких, прочных и долговечных материалах. Будущие инновации включают высокопрочные бетонные формулировки, полимерные композиты с волокнистым армированием для замены бетона в некоторых компонентах, эпоксидные покрытия и электрохимические системы защиты арматуры, альтернативные синтетические армирующие волокна и более быстрые, точные методы испытаний.