Алюминиевые мосты: спрос отстает от предложения

В программе развития транспортной системы России на период до 2021 г. центральное место занимает решение задачи строительства и реконструкции автодорог. Неудовлетворительное состояние и недостаточность дорог современного уровня в настоящее время приводят к потере почти 3 % ВВП, что равносильно сумме расходов на оборону страны.

Характерный показатель в оценке этой отрасли — плотность дорожной сети. По этому индикатору даже в европейской части Россия занимает одно из последних мест среди развитых стран, а ситуация в регионах, таких как, например, Дальневосточный федеральный округ, по наличию и плотности автодорог с твердым покрытием — еще хуже. Для решения подобной масштабной задачи потребуется привлечение значительных финансовых средств и мобилизация производственных ресурсов.

При этом важно отметить, что у нас наблюдается существенный дефицит мостовых сооружений. Очевидно, что для развития дорожной инфраструктуры следует максимально использовать инновационные решения при возведении мостов, являющихся важной составляющей строительства и реконструкции автодорог. В этой связи большое значение имеет опыт мировой практики использования  алюминия в мостовых конструкциях. Это направление в нашей стране только сейчас начало занимать соответствующее место в структуре решения современных задач строительства. 

Преимущества алюминиевого мостостроения 

Одной из важнейших современных тенденций развития промышленности и строительства является все более расширяющееся внедрение современных инновационных материалов и технологий. К таким материалам, безусловно, относится и алюминий, по праву носящий название «материала 21 века» и находящий широчайшее применение во всех сферах промышленного производства.

Современное состояние достижений металлургической промышленности, производящей алюминий и сплавы на его основе, развитие инновационных технологий производства алюминиевых конструкций, экономические и экологические требования к строительству заставляют обратить самое серьезное внимание на использование алюминия в такой важной сфере современного строительства, как мостостроение. Это обусловливается уникальными особенностями алюминия и алюминиевых конструкций: а) низким удельным весом (треть от удельного веса стали); б) высокой удельной прочностью, превосходящей сталь и железобетон; в) превосходной коррозионной стойкостью (вплоть до использования в условиях морского климата); г) практически абсолютной хладостойкостью при низких отрицательных температурах.

Все это позволяет на основе уникальных физико-механических свойств алюминиевых сплавов получить следующие неоспоримые преимущества перед традиционными стальными и железобетонными мостами.

1. Коммерческая выгода от применения более легких конструкций позволяет:

• увеличить переменную нагрузку на мост при его обновлении;

• снизить стоимость подъемных мостов и мостов с длинными пролетами, у которых вес конструкции является основной нагрузкой;

• расширить существующие мосты путем добавления легких конструкций;

• упростить сборку и строительство, снизить транспортные расходы.

2. К преимуществам с точки зрения развития окружающей среды следует отнести:

• минимизацию потребления материалов;

• снижение стоимости и влияния на окружающую среду от операций техобслуживания.

3. Выгоды от использования современных технологий изготовления конструкций из алюминиевых сплавов —

• применение алюминиевых профилей с большим разнообразием поперечных сечений (высотой до 600 мм и шириной до 400 мм);

• повышение качества сборки крупногабаритных фрагментов в заводских условиях.

4. Стоимость алюминиевых конструкций конкурентоспособна:

• при оптимальном конструировании начальная цена алюминиевых изделий может быть сопоставима со стальными аналогами;

• в течение полного жизненного цикла алюминиевые конструкции имеют преимущество за счет меньших затрат на техническое обслуживание и более длительного срока службы.

При столь очевидных экономико-социальных преимуществах мостов из алюминиевых сплавов в настоящее время существует ряд серьезных факторов, сдерживающих в нашей стране расширенное применение алюминия в мостовых конструкциях [1]:

А) Недостоверная оценка экономических результатов из-за нежелания заказчика при проведении технико-экономического обоснования учитывать затраты на весь жизненный цикл сооружения, включая проектирование и строительство, эксплуатационные затраты, затраты на демонтаж и утилизацию, а также возможный возврат денежных средств от повторного использования материалов с отслуживших жизненный цикл алюминиевых мостовых конструкций (АМК).

Сокращение стоимости строительства с использованием алюминия обусловлено сравнительно малым весом АМК. Вес алюминиевого полотна («мертвая» нагрузка) моста при одинаковой грузоподъемности в 5–6 раз меньше веса железобетонного (80–120 кг/м² для алюминиевых сплавов против 500 кг/м² для железобетона) и в 2–4 раза меньше веса стального. Это позволяет, применив алюминиевую конструкцию и используя существующие опоры и балки, увеличить грузоподъемность моста (рабочую нагрузку) в 2–3 раза и расширить его проезжую часть. Очевидно, что, по сравнению с решением этой задачи путем сооружения нового моста или, по меньшей мере, проведения работ по усилению опор, балок и полотна из железобетона или стали, стоимость работ существенно снижается. Кроме того, малый вес АМК позволяет собирать крупногабаритные и транспортабельные конструкции высокой заводской готовности, что резко сокращает сроки их монтажа и строительства в целом.

Сокращение стоимости эксплуатации АМК обусловлено, главным образом, высокой коррозионной стойкостью алюминиевых сплавов. Конструкции не требуют работ по окраске ни при сооружении, ни в процессе эксплуатации на весь срок службы (более 50 лет). Кроме того, алюминий отличается повышенной хладостойкостью — его прочность растет при понижении температуры. Это снимает необходимость регулярных ревизий сооружений в условиях эксплуатации при температурах ниже –35 ºС.

Б). Недостаточный учет логистических и экономических потерь при сокращении сроков перекрытия движения автотранспорта при реконструкции или при строительстве нового моста. Алюминиевые мостовые конструкции демонстрируют наибольший эффект в снижении стоимости жизненного цикла при реконструкции мостов. Замена изношенных или устаревших железобетонных или стальных конструкций на АМК обеспечивает продление срока службы и повышение эксплуатационных характеристик мостов.

В) Дефицит отечественной нормативно-технической документации, необходимой для эффективного и полномасштабного проектирования, строительства и эксплуатации мостов из алюминиевых сплавов. В соответствии с нынешним законодательством для каждого проекта вновь проектируемого моста из алюминиевых сплавов на текущий момент необходима разработка специальных технических условий (СТУ) с учетом всех особенностей строительства и эксплуатации объекта, которые не учитываются действующими стандартами и нормативными документами.

Г) Ограниченный объем знаний по АМК, в т. ч. о свойствах и характеристиках алюминиевых сплавов, из-за сокращенного курса преподавания предметов в большинстве строительных и инженерно-технических университетов; нехватка практического опыта при проектировании и эксплуатации АМК, что вынуждало инженеров-конструкторов и проектировщиков применять сталь и железобетон. Недостаток профессиональной квалификации по новому материалу и, как следствие, консервативность по отношению к столь ответственным сооружениям, как мосты, препятствовали применению алюминия.

Д) Особенности проектирования и реализации узловых соединений алюминиевых конструкций, что требует опыта проектирования металлоконструкций с применением современных методов компьютерного моделирования. Профили мостового полотна должны быть собраны в единое целое, чтобы создать требуемую ширину полотна. Во всех случаях используют механические (разъемные или неразъемные типы соединения) или сварные методы. Каждый вид соединений имеет свои недостатки.

Однако созданный в 1991 г. способ сварки трением с перемешиванием (FSW) [2] внес кардинальные изменения в повышение качества сварных соединений. Способ использует тепло, выделяемое в процессе трения специальным инструментом. Максимальная температура при этом не превышает 480 ºС (при температуре плавления алюминия — 660 ºС). Все результаты FSW превосходят дуговую сварку MIG, включая усталостную прочность и очень малую деформативность швов. В настоящее время этот способ широко используется в зарубежном мостостроении.

Все вышеперечисленное позволяет выделить наиболее эффективные объекты использования АМК в мостостроении, это:

• реконструкция мостов с железобетонным полотном, опирающимся на стальные балки (сталебетонные мосты), где при отсутствии возможности увеличения собственного веса перекрытия («мертвой» нагрузки) за счет использования алюминиевого полотна решается задача увеличения грузоподъемности моста и расширения его проезжей части;

• сооружение или реконструкция мостов в труднодоступных районах, где ограничены возможности доставки материалов, конструкций и оборудования по весу или по срокам (ограничение сезона работ);

• реконструкция мостов на загруженных трассах, где отсутствует возможность длительного ограничения или прерывания движения;

• реконструкция исторических мостов, когда требуется увеличение грузоподъемности при сохранении внешнего вида;

• сооружение мостов в местах исторической застройки, где необходимы наименьшие размеры, минимальное физическое и эстетическое воздействие на среду;

• сооружение и реконструкция мостов во всех остальных случаях, когда величина «мертвой» нагрузки является критичной.

Автомобильные и железнодорожные мосты в мировой истории

За прошедшие годы в мире накоплен богатый опыт создания и эксплуатации алюминиевых мостов разнообразного назначения. История использования алюминия в мостостроении началась с замены существующих тяжелых стальных и деревянных настилов моста Smithfield Street Bridge в Питтсбурге на алюминиевое покрытие в 1933 г. Полученное уменьшение собственного веса моста позволило значительно увеличить его несущую способность.

Первым примером использованием алюминия для строительства целого пролета моста был мост Grasse River Bridge в г. Массена, штат Нью-Йорк, построенный в 1946 году. Элемент был частью многопролетной конструкции, остальная часть которой была построена из стали. Алюминиевый пролет имел вес 43 % от сопоставимого стального пролета. 

....................................................................................................................................

Полностью статья опубликована в № 5 журнала "Транспорт Российской Федерации"