Материалы, используемые при строительстве мостов

Камни, древесина, бетон и сталь – это традиционные материалы, которые используются для строительства мостов. В начальный период в строительстве использовались древесина и камни, поскольку они получаются непосредственно из природы и легко доступны.
Кирпич использовался как подгрупповой строительный материал наряду с камнем. Камень как строительный материал был очень популярен благодаря своим прочным свойствам. Многие исторические мосты, построенные из камня, до сих пор сохранились как символ архитектурной культуры прошлого.
Но некоторые деревянные мосты были смыты или находятся в стадии деградации из-за воздействия окружающей среды.
С течением времени мостостроение претерпело большее развитие с точки зрения материалов, используемых для строительства, чем с точки зрения технологии строительства мостов.
Бетон и сталь – это искусственные материалы, созданные человеком. Строительство мостов из этих искусственных материалов можно назвать вторым периодом развития мостостроения. Отсюда началось развитие современной технологии мостостроения.
В современных мостах используется бетон, сталь или их комбинация. Разрабатываются и другие инновационные материалы, чтобы они могли хорошо сочетаться с терминологией мостов.
Для строительства мостов теперь используются волокна, которые относятся к категории высокопрочных материалов. Эти материалы также используются для укрепления существующих мостов.

Камни для строительства мостов

На протяжении долгого времени в истории камень использовался в единственном виде. В основном они используются в виде арок. Это объясняется тем, что они обладают более высокой прочностью на сжатие.
Использование камней позволило инженерам легко строить мосты, которые отличаются эстетической привлекательностью и высокой прочностью.
Если рассматривать историю строительства мостов с использованием камней, то римляне были самыми великими строителями мостов с использованием камней. Они имели четкое представление и понимание нагрузки на мост, геометрии, а также свойств материалов. Благодаря этому они строили мосты с очень большими пролетами по сравнению с другими мостовыми сооружениями того периода.
Этот период также был конкурентным для китайцев. В Китае также был построен большой мост под названием знаменитый мост Жучжоу. Чжучжоуский мост является самым старым в мире мостом с открытой аркой, каменной и сегментной аркой. Нихонбаши – самый известный каменный мост в Японии. Его называют Японским мостом.

Мост Чжучжоу, Китай

Со временем каменные мосты оказались наиболее эффективными и экономичными благодаря долговечности и гарантии низких эксплуатационных расходов на протяжении всего срока службы.

Древесина или дерево для строительства мостов

Дерево широко использовалось при строительстве мостов, в отличие от сегодняшнего дня, где оно используется для строительства зданий и сооружений. В настоящее время сталь и бетон обеспечивают большую гибкость в работе, поэтому использование дерева и бруса для мегамостов сократилось.
Однако существуют инновации, связанные с сохранением древесины, что способствует увеличению спроса на древесину в строительстве.
Преимуществами древесины как инженерного материала являются высокая прочность и возобновляемость в природе. Они получаются непосредственно из природы и, следовательно, являются экологически чистыми.
Низкая плотность древесины позволяет ей приобретать высокую удельную прочность. При низком значении плотности они обладают значительной прочностью. Это свойство позволяет легко транспортировать их.
Некоторые недостатки, связанные с древесиной как строительным материалом, заключаются в том, что она:

высокая анизотропность
Восприимчивость к термитам, заражению и древесным червям
высокая горючесть
Восприимчивость к гниению и болезням
Не может быть использован при высоких температурах

В мире существует множество деревянных мостов. На рисунке 2 показан Математический мост, расположенный в Кембридже. Еще один мост – мост Тогэцу-Кё через реку Кацура в Киото.

Математический мост, Кембридж

Рис.3. Мост Тогецу-Кё, Япония

Сталь для строительства мостов

Сталь обладает высокой прочностью по сравнению с любым другим материалом. Это делает ее пригодной для строительства мостов с большими пролетами. Мы знаем, что сталь представляет собой комбинацию сплавов железа и других элементов, в основном углерода.
В зависимости от количества и разнообразия элементов, свойства стали изменяются соответствующим образом. Свойства прочности на разрыв, пластичности и твердости зависят от изменения ее конституции.
Сталь, используемая в обычном строительстве, имеет прочность в несколько сотен мегапаскалей. Эта прочность почти в 10 раз превышает прочность на сжатие и растяжение, получаемую из обычной бетонной смеси.
Главным встроенным свойством стали является пластичность. Это способность к деформации до окончательного разрушения. Это свойство стали является важным критерием при проектировании конструкций.

Рис.4. Мост Хачиманбаши

Первый железный мост, мост Данджобаши, был построен в 1878 году в Японии. На рисунке 4 ниже показан мост Данджобаши. В 1929 году мост Данджобаши был перенесен на нынешнее место и назван мостом Хачиманбаши.
Он имеет большую историческую и техническую ценность как современный мост. В 1989 году мост был отмечен Американским обществом инженеров-строителей.
Химический состав и метод производства определяют свойства конструкционной стали. Основными свойствами, которые должны быть указаны проектировщиками мостов, когда требуется спецификация продукции, являются:

Прочность

Жесткость

Пластичность

Долговечность

Свариваемость

Когда мы говорим о прочности стали, подразумевается как предел текучести, так и предел прочности при растяжении. Поскольку конструкции в большей степени проектируются в упругой стадии, очень важно знать значение предела текучести.
Предел текучести в основном используется, так как он больше указан в нормах проектирования. В Японии рекомендуемые нормы рассчитаны на предел прочности. Например, SS400 обозначается пределом прочности 400 МПа. Это исключение.
Свойство пластичности очень сильно зависит от конструкторов и инженеров при проектировании аспектов, связанных с конструкциями групп болтов и распределением напряжений в предельных условиях. Еще одним важным свойством является устойчивость к коррозии за счет использования атмосферостойкой стали.

Бетон для строительства мостов

В большинстве современных мостовых конструкций в качестве основного материала используется бетон. Бетон хорошо сопротивляется сжатию и слаб на растяжение. Железобетонные конструкции являются средством решения этой проблемы.
Бетон имеет тенденцию иметь постоянное значение модуля упругости при низких уровнях напряжения. Но это значение уменьшается при более высоком напряжении. Это способствует образованию трещин и их последующему распространению.
Другими факторами, которым подвержен бетон, являются тепловое расширение и усадка. Ползучесть образуется в бетоне из-за длительного напряжения.
Механические свойства бетона определяются его прочностью на сжатие.
Для строительства мостов используется армированный или предварительно напряженный бетон. Арматура в R.C.C. придает конструкции свойство пластичности. В настоящее время армирование для обеспечения пластичности является дополнительным требованием, главным образом, в сейсмостойком строительстве.
В настоящее время RCC изготавливается из стали, полимеров или другой комбинации композитных материалов. Существует много экологичных материалов, которые могут заменить цемент. Это новая инновация в устойчивом мостовом строительстве.
По сравнению с мостовым строительством из РСС, преднапряженный бетон является наиболее предпочтительным и используемым. Предварительное сжимающее усилие вызывается в бетоне с помощью высокопрочных стальных сухожилий до фактической эксплуатационной нагрузки.
Таким образом, это сжимающее напряжение противостоит растягивающему напряжению, которое возникает во время фактической нагрузки. Предварительное напряжение вызывается в бетоне либо посредством натяжения после натяжения, либо посредством предварительного натяжения стальной арматуры.
Многие недостатки обычного железобетона, такие как ограничение прочности, тяжелые конструкции, сложность строительства, решаются с помощью преднапряженного бетона.
Читайте также: Какие бывают виды бетона? Каковы области их применения?

Композитные материалы в строительстве мостов

Композитные материалы разрабатываются и используются как для строительства новых мостов, так и для восстановления.
Армированный волокнами пластик – один из таких материалов, представляющий собой полимерную матрицу. Она армируется волокнами, которые могут быть стеклянными или углеродными. Эти материалы легки по весу, долговечны, обладают высокой прочностью и пластичны по своей природе.
Новые решения и материалы поощряются в связи с проблемами износа стальных и бетонных мостов.
Другим материалом является реактивный порошковый бетон (RPC), который был разработан в Корее. Этот материал представляет собой форму высокоэффективного бетона, армированного стальными волокнами. Эта смесь поможет сделать стройные колонны для мостов с большим пролетом. Это также гарантирует высокую долговечность.
Композитные материалы используются при ремонте колонн мостов и любых других несущих элементов для повышения пластичности и устойчивости к сейсмическим нагрузкам.
Для покрытия колонн (колонн, которые не являются пластичными по своей природе) используется стекловолокно, пропитанное эпоксидной смолой. Это альтернатива методу стальной оболочки.
Читать далее:
Виды строительных материалов, их свойства и применение в строительных работах
Проблемы со здоровьем при использовании строительных материалов во время и после строительства
Мостовые опоры – типы опор для мостовых конструкций и их детали

Читайте далее: