Как устроен вантовый мост.
Первый мост придумал какой-то неведомый древний человек, бросивший плоский камень или ствол дерева через ручей, чтобы лишний раз не вступать в холодную воду. Так появилась простейшая балочная конструкция, которая и поныне используется там, где можно обойтись пролетом небольшой длины. Например, речка узкая. Или речка широкая, но мелкая, и по дну ее можно наставить много опор, чтобы пролеты между ними оставались небольшими. А вот если мост перебрасывается на большой высоте или над глубоким проливом, где каждая новая опора — это новые затраты и новые инженерные сложности, приходится принимать дополнительные меры. Ведь на мостовой пролет действуют одновременно две силы — растяжение снизу и сжатие сверху. У каждого пролета есть предел прочности, а если эту прочность постоянно увеличивать, будет расти и вес балки жесткости, а мост однажды обрушится под ее тяжестью. Конструкции, позволяющие перераспределить нагрузку с балки на разные другие приспособления (без дополнительных опор), появились давно и существуют во множестве. Это могут быть жестко соединенные с балкой ажурные фермы (так устроено большинство железнодорожных мостов в России) или арка, переносящая нагрузку с центра пролета на боковые опоры. Еще одна блестящая идея, существующая столетия, — висячие мосты. Там основная несущая конструкция выполнена в виде гибкого элемента — троса или цепи, а балка моста к ней подвешена. Таковы Крымский мост в Москве или мост «Золотые Ворота» в Сан-Франциско, да и нет им числа. Самый длинный в мире пролет (1991 м) между двумя опорами удерживает висячий мост Акаси-Кайкё, соединяющий японские острова Хонсю и Авадзи.
Однако многие высокие мосты или мосты со сверхдлинными пролетами выполнены по другой схеме — вантовой. Вантовый мост считается разновидностью висячего, однако имеет одно важное отличие: гибкой несущей конструкции там нет. Нагрузка на балку передается высоким опорам (пилонам) через систему вант — тросов. Существуют две основные схемы крепления вант к пилону — стиль веера и стиль арфы. В первом случае пучок вант крепится к одной точке, а затем подобно вееру расходится, чтобы соединиться в разных точках с балкой жесткости. Если мост выполнен в стиле арфы — ванты крепятся к разным точкам пилона и идут к балке жесткости практически параллельно. С точки зрения устойчивости конструкции «веерный» вариант предпочтительней — так минимизируется опрокидывающий момент, передаваемый на пилон, но… если вант слишком много, выводить их из одной точки довольно сложно с инженерной точки зрения. В этом случае выбирается промежуточный вариант — ближе к вееру, но ванты крепятся на пилоне на небольшом расстоянии друг от друга.
Сегодня Россия удерживает первенство по длине пролета между опорами вантового моста: Русский мост, перекинутый через пролив Босфор Восточный во Владивостоке, победил главных гигантоманов современности- китайцев. Пролет бывшего рекордсмена — моста Сутун — на 16 м короче (1088 против 1104 м).
Ванты, задействованные в Русском мосте, варьируются по длине от 135,7 до 579,8 м, и последняя цифра на сегодняшний день также рекордная. Такой длины вант для мостов еще не было, и более того, накануне строительства моста в экспертном сообществе высказывались сомнения в целесообразности создания таких длинных и тяжелых конструкций. Тем не менее французская компания Freyssinet, которая считается одним из мировых лидеров производства вант для мостов, пошла на то, чтобы эти конструкции изготовить.
Несмотря на то что создание гигантских вантовых мостов в целом представляет собой весьма сложную инженерную задачу, особенно если учесть значительные ветровые нагрузки в районах, где суша встречается с океаном, конструкция вант является, пожалуй, наиболее высокотехнологичным моментом. Ванта Freyssinet-это не простой металлический трос, а сложная, «мультистрендовая» конструкция, состоящая из отдельных тонких тросов (стрендов). Стренд формируется из шести гальванизированных проволочек, обвитых вокруг седьмой, центральной. Количество стрендов может варьироваться от единиц до сотен. Например, в вантах, поддерживающих в вертикальном положении одну из телебашен в Испании, насчитывается 205 стрендов. Для Русского моста это число оказалось скромнее — от 13 до 85. Преимущество мультистрендовой конструкции в том, что при креплении к анкерам пилона и балки жесткости каждая «ниточка» отдельно крепится и отдельно натягивается в анкерной конструкции. И что особенно интересно, отдельный стренд можно вытащить из ванты и при необходимости заменить. Внутри ванты тросики не соприкасаются друг с другом: помимо гальванизации каждый из них защищен от коррозии дополнительной оплеткой из полиэтилена высокой плотности. Вдобавок к этому весь пучок стрендов имеет двойную оболочку: внутренний слой сделан из того же черного плотного полиэтилена, а внешняя оболочка — из более мягкого, имеющего цвет, определенный дизайном моста. Например, оболочка может быть серебристо-металлической, создавая иллюзию, будто ванты сделаны целиком из металла. На вантах может быть смонтирована декоративная подсветка, и тогда «веер» или «арфа» моста выглядит особенно зрелищно.
Как только речь заходит о конструкции, подверженной воздействию стихии, начинается аэродинамика. И разумеется, ванты, как и другие элементы моста (или модели этих элементов) проходят аэродинамические испытания. В результате подобных исследований инженеры Freyssinet придумали наносить на внешнюю оболочку ванты небольшое спиралевидное ребро. Эта «змейка» отводит дождевую воду, которая при гладкой поверхности свободно текла бы вдоль ванты, увеличивая нагрузку на нее. Кроме того, ребро вносит завихрения в набегающие потоки воздуха и таким образом снижает негативные моменты воздействия ветра и дождя.
В любом случае многотонные ванты (общий вес вант для Русского моста составляет 3700 т) испытывают сильное воздействие стихии, что вызывает серьезные вибрации. Чтобы они не передавались балке жесткости (или собственно мосту), используются демпферы, представляющие собой гидравлические цилиндры с поршнями.
Другой наиболее впечатляющий конструктивный элемент вантового моста- это, конечно, пилоны. Для таких гигантов, как Русский мост, сооружение этих опор сопоставимо по технологии с возведением небоскребов .
Во всяком случае основание огромного пилона (А-образные пилоны Русского моста имеют высоту 319,6 м) выполняется по аналогичной технологии: сначала в дне пролива бурились скважины до скального грунта, куда затем заливался бетон — так получались буронабивные сваи. Поверх свай также из бетона формировался ростверк — площадка, к которой уже крепились конструкции самого пилона. Пилон для Русского моста создавался методом самоподъемных опалубок: после того как в опалубке формировался очередной участок пилона, опалубка «уезжала» вверх, чтобы надстроить следующий участок. Для облегчения конструкции сходящиеся стойки делались пустотелыми. Им придавалось переменное сечение, да и толщина бетонных стенок варьировалась от 2 до 0,7 м. Между стойками пилонов установили несколько перемычек. Нижняя капитальная перемычка из железобетона стала опорой для балки жесткости, другие преднапряженные металлические перемычки дополнительно стягивали стойки пилона.
Русский мост в силу своих масштабов относится к уникальным сооружениям, однако среди вантовых мостов меньшего размера встречаются другие достаточно оригинальные конструкции. Например, центральный пролет моста может удерживаться одним пилоном, что можно увидеть на примере Живописного моста в Москве. Здесь единственный пилон выполнен в виде ажурной арочной конструкции, причем ванты расходятся веером в обе стороны от пилона.
Другой зрелищный пример однопилонной конструкции можно увидеть в Мексике — вантовый мост пересекает реку Санта-Катарина, причем балку жесткости удерживает один наклонный пилон, а ванты от него идут параллельно в виде типичной «арфы».
Виадук Мийо не имеет рекордно длинных пролетов, зато удерживает другой рекорд и не только среди вантовых мостов, но и среди мостов вообще. Это самое высокое в мире мостовое сооружение. Один из семи пилонов (P2) вздымается над основанием на высоту 343 м, что превышает высоту Эйфелевой башни в Париже. Такие гигантские пилоны понадобились для того, чтобы перебросить автомобильное шоссе через реку Тарн в Южной Франции.
В заключение стоит заметить, что многие большие вантовые мосты (и виадук Мийо, и Русский мост, и мост в Мексике) нередко оказывались в центре общественной критики за дороговизну. Конечно, в любой стране налогоплательщики имеют право на собственное суждение об эффективности траты государственных средств, но все же, когда политические страсти утихнут, мосты останутся стоять и наверняка пригодятся будущим поколениям.
Статья «Веер и арфа» опубликована в журнале «Популярная механика» (№4, Апрель 2013).