Концептуальное проектирование вантового моста начинается с определения типа проектируемого вантового моста и его подходящего местоположения.
Расположение вантового моста играет важную роль в этом отношении. Например, в ситуации, когда в месте расположения моста ожидается землетрясение, может быть полезно принять во внимание сейсмические характеристики.
В основном, тип моста с вантовыми опорами определяется на основе факторов, отличных от сейсмических критериев, а затем рассматривается сейсмическое проектирование. Это может быть связано с тем, что не существует точных методик или методов, которые можно использовать для сравнения сейсмических характеристик различных типов мостов с вантовыми опорами и, соответственно, выбора наилучшего варианта.
Сейсмический расчет моста с вантовыми опорами используется для определения практичности и пригодности выбранного типа, другими словами, он используется в качестве проверочного расчета.
Концептуальный сейсмический проект нового моста, который рассматривается в следующих разделах, может быть использован для сейсмического ретрофита существующих мостов, за исключением того, что в последнем случае проектирование начинается с исследования, затем проводится диагностика моста и, наконец, проектирование.
Наконец, следует сказать, что проектирование сейсмической модернизации старых мостов сложнее, чем новых, потому что ситуация фиксирована, и, следовательно, вариантов меньше в первом случае по сравнению со вторым, который имеет более широкие возможности для выбора.
Концептуальное планирование конструкции вантового моста
Концептуальное проектирование вантового моста
Концептуальный сейсмический проект вантового моста
Концептуальный сейсмический проект вантового моста может включать следующее:
- Определить сейсмическую характеристику моста с вантовыми опорами
- Проектирование для предотвращения разрушения
- Проектирование для устранения сейсмической уязвимости различных компонентов моста
Определение сейсмической характеристики моста с вантовыми опорами
Обычно пролеты мостов с вантовыми опорами длинные, и они имеют специфические сейсмические характеристики, включающие длинный период вибрации, низкое демпфирование, сложные режимы вибрации, чувствительность к многоопорным движениям грунта и большие деформационные швы.
Период фундаментальной вибрации большинства вантовых опор составляет от 2 до 8 секунд. Это не только делает силу реакции моста значительно меньшей по сравнению с короткопролетным мостом, но и вредное влияние P-дельты будет намного больше. Причина большего эффекта P-дельты в длиннопролетных мостах с вантовыми опорами заключается в большем прогибе пролетного строения.
Коэффициент демпфирования вантового моста составляет 1-2%, а подвесного моста – 1,5-2%, и эти значения намного ниже 5% критического демпфирования, используемого для сейсмического анализа моста. Поэтому, когда мост испытывает землетрясение, его вибрации требуется много времени, чтобы исчезнуть.
Что касается режима вибрации, то вибрация моста на вантовых опорах существенно усложняется, поскольку каждый компонент моста имеет свой собственный период вибрации и форму режима вибрации. Они будут влиять друг на друга, и, следовательно, режимы вибрации моста будут очень сложными.
Поскольку расстояние между опорами моста довольно большое, то не только время приема сейсмических колебаний каждой опорой различно, но и типы грунта могут быть разными, а значит, и вибрации будут разными.
Это приведет к различным сейсмическим колебаниям грунта на каждой опоре, и в конечном итоге расстояние между опорами будет влиять на поведение сейсмической реакции моста.
Другим параметром, влияющим на сейсмическое поведение моста, являются большие деформационные швы. Существуют различные источники, которые приводят к началу движения в мостовой конструкции. Например, колебания температуры, сейсмические силы и нагрузки от эксплуатации. Поэтому в мосту будут происходить значительные перемещения, которые необходимо учитывать и устранять.
Поэтому мосты на вантовых опорах нуждаются в больших деформационных швах, чтобы создать пространство для движения моста. Конечно, это огромная проблема, которую проектировщики должны решить должным образом. Мост Рио-Антиррио в Греции может выдерживать перемещения до 2,5 м при нормальных условиях и до 5 м в чрезвычайно тяжелых ситуациях.
Наконец, поскольку большинство вантовых мостов строятся в стратегических местах и требуют значительного бюджета для строительства, поэтому эти мосты должны быть спроектированы таким образом, чтобы их срок службы был больше, чем у обычных мостов.
Проектирование моста с вантовыми опорами для предотвращения обрушения
Существует ряд методов, с помощью которых мосты противостоят вредным и опасным последствиям землетрясения. Эти методы могут включать рассеивание энергии, многократное сочленение, изоляцию основания, улучшение пластичности, резервирование и усиление. Эти методы будут рассмотрены в следующих разделах:
Рассеивание энергии в мостах с вантовыми опорами
Способность мостовых конструкций на вантовых опорах противостоять землетрясениям может быть значительно увеличена за счет применения средств рассеивания энергии. Эти устройства улучшают сейсмические характеристики мостовой конструкции путем поглощения ударов или энергии, возникающей при землетрясении.
Основными и наиболее распространенными и применяемыми видами средств рассеивания энергии или демпферов являются жидкостно-вязкие демпферы (Рисунок-3, Рисунок-4 и Рисунок-5), фрикционные демпферы (Рисунок-6 и Рисунок-7) и металлические демпферы текучести (Рисунок-8).
Устройства для рассеивания энергии не только уменьшают перемещения, но и снижают потребность в силе.
Перемещения могут быть уменьшены путем установки больших вязкостных демпферов между фермами жесткости и концевыми опорами или фермами жесткости и башнями, в то время как небольшие вязкостные демпферы устанавливаются в стратегических местах подвесного пролета для уменьшения силы вибрации.
Части вязкого демпфера для рассеивания энергии в мостах с вантовыми опорами
Вязкий демпфер
Вязкостные демпферы, применяемые на мосту Рио-Антиррио в Греции
Демпфер трения для вантового моста
Фрикционный демпфер
Металлический демпфер трения
Многочисленные сочленения в вантовом мосту
Необходимость в многочисленных сочленениях вызвана несовместимостью требований к сейсмическим характеристикам и ветровым характеристикам. Если конструкция моста предназначена для противостояния землетрясениям, то мост должен быть гибким, чтобы противостоять сейсмическим силам, в то время как конструкция должна быть жесткой, чтобы противостоять большим ветровым нагрузкам.
Когда применяется несколько сочленений, жесткие структурные элементы, которые соединяют башни моста с фермами жесткости, используются для сопротивления ветровым нагрузкам и предотвращения смещения башен и ферм жесткости.
Жесткие конструктивные элементы могут противостоять ветровой нагрузке, но не могут противостоять сейсмическим силам. Поэтому при землетрясении жесткие элементы конструкции ломаются и срабатывают демпферы.
Таким образом, конструкция приобретает гибкость, а демпферы поглощают часть энергии и уменьшают смещение между соединенными элементами моста. Эта стратегия была применена на мосту Рио-Антиррио в Греции. Мост выдерживает ветровую нагрузку в нормальных условиях, а в 2008 году он был испытан на землетрясение, и мост успешно выдержал сейсмические нагрузки.
На рисунке 9 показан установленный вязкий демпфер, используемый для сопротивления землетрясению. Материал черного цвета на рисунке предотвращает работу демпфера, и, следовательно, мост может противостоять ветровой нагрузке, но в случае землетрясения материал черного цвета, указанный на рисунке, разрушается, и демпфер срабатывает.
Вязкий демпфер вантового моста Рио-Антиррио
Изоляция основания в вантовом мосту
Изоляция основания значительно повышает сейсмостойкость вантовых мостов. Часто изоляция основания сопровождается вязкими демпферами для уменьшения вредного воздействия силы инерции.
Опора скольжения – наиболее распространенный тип изоляции основания, используемый в мостах с вантовыми опорами, например, в мостах Рио-Антиррио и Золотые Ворота.
Раскачивание и подъем фундамента моста – еще один тип изоляции основания, который использовался в ряде мостов в прошлом. На рисунке 10 показан фундамент моста Рио-Антиррио в Греции, под основание уложен слой гравия, по которому основание может перемещаться в горизонтальном направлении.
Фундамент моста Рио-Антиррио в Греции поддерживается слоем гравия и может двигаться во время землетрясения
Повышение пластичности мостовых конструкций на вантовых опорах
Повышение пластичности элементов вантовых мостов, таких как башни, опоры и пилоны, является подходящим вариантом. Если эти элементы изготовлены из стали, то пластичность можно повысить за счет обеспечения боковой жесткости.
Однако для повышения пластичности обычно используется боковое стеснение, когда элемент моста построен из бетона.
Положения об избыточности в мостах с вантовыми опорами
Резервирование имеет серьезное значение для мостов с вантовыми опорами, поскольку реакция конструкции во время землетрясения не может быть точно определена, а землетрясения имеют случайный характер.
Резервирование может быть достигнуто путем создания альтернативного пути нагрузки. Альтернативный путь нагрузки может быть достигнут путем установки ограничителей, сдвиговых шпонок и улавливающих блоков. Эти устройства не только дешевы, но и легко проектируются и крепятся в нужном месте.
Укрепление моста на вантовых опорах Надстройка
Этот метод используется для элементов надстройки мостов с вантовыми опорами. Он применяется для соединений элементов моста, несущих наибольшие нагрузки, которые должны быть спроектированы как защитные элементы.
Проектирование для устранения сейсмической уязвимости различных компонентов моста
Вантовые мосты состоят из различных компонентов. Некоторые из них обладают сейсмической уязвимостью, например, вал башни может прогибаться во время землетрясений, соединения и компенсаторы могут повреждаться, когда движение компонентов моста превышает их возможности, а фундамент моста может пострадать из-за разжижения почвы.
Поэтому сейсмическая уязвимость компонентов моста на вантовых опорах должна быть рассмотрена на стадии концептуального проектирования. Для выбора лучшего и подходящего варианта можно рассмотреть различные конструкции и материалы.
Читать далее:
Типы мостов по пролетам, материалам, конструкциям, функциям, полезности и т.д.
Характеристики мостов на вантовых опорах во время землетрясений
Метод строительства мостов на вантовых опорах
Планирование строительства мостов, включая последовательность и этапы планирования
- Сейсмические демпферы – типы, механизм работы и компоненты.
- Характеристики мостов на вантовых опорах во время землетрясений.
- Башни подвесных и вантовых мостов – функции и концептуальный дизайн.
- Демпфер с настроенной массой – компоненты, работа и применение.
- Проектирование кровельных ферм.
- Пизанская башня: Архитектурное чудо или инженерная неудача?.
- Эйфелева башня: Особенности конструкции железного гиганта.