Алюминиевое слово мостостроения

Проект длиною в пять лет

В 2019 году специалисты Главного управления автомобильных дорог Нижегородской области установили, что существовавший на тот момент однополосный мост через реку Линда на автодороге Толоконцево – Могильцы находится в аварийном состоянии. После анализа трафика было решено отказаться от реконструкции существующего моста и строить новую переправу.

Согласование и разрешение построить первый в России и в Восточной Европе автомобильный мост с конструкциями из алюминиевых сплавов Министерство строительства и жилищно-коммунального хозяйства РФ выдало в марте 2021 года. В основу разработанных специалистами СТУ легли результаты четырех лет исследований и полигонных испытаний. Также за основу был взят и зарубежный опыт строительства и эксплуатации алюминиевых мостов.

В исследованиях, которые легли в основу проекта, приняли участие специалисты из Института легких материалов и сплавов (ИЛМиТ), Московского государственного строительного университета (МГСУ), Центра научных исследований искусственных сооружений «Мосты» (МАДИ). Научно-техническое сопровождение по объекту на стадии проектирования и строительства оказывало АО ЦНИИТС, а разработчиком специальных технических условий для проектирования выступило ООО МИП «НИЦ МИС».

Опыт реализации пилотного проекта в Нижегородской области станет ключевым моментом при утверждении Минстроем России Изменений № 1 СП 443.1325800.2019 в части автодорожных мостов.

Испытания на прочность

Традиционно алюминий ассоциируется с «мягким» металлом, однако в промышленности и строительстве редки случаи работы с «чистым» металлом – в основном специалисты работают со сплавами. Алюминиевые сплавы, применяемые в мостостроении, практически не уступают мостовым сталям по прочностным характеристикам, при этом почти в три раза легче стали, что потенциально приводит к повышению доли полезной нагрузки, воспринимаемой мостовым сооружением.

Преимущества алюминия были наглядно продемонстрированы при строительстве моста: балки пролетных строений и ортотропные плиты впервые были выполнены полностью из алюминиевых сплавов – аналогичных технологий мостостроения в РФ ранее не применялось.

Для моста через реку Линда проводились расчеты, характерные для всех сооружений подобного типа:

• расчеты по первой группе предельных состояний: прочность, устойчивость (местная и общая) и выносливость;
• расчеты по второй группе предельных состояний: определение прогибов, деформаций и собственных частот колебаний конструкции;
• расчеты по прочности сварных и болтовых соединений, в том числе подбор крепления ортотропной плиты к главным балками пролетного строения и определение степени вовлечения ее в совместную работу конструкции.

Мост длиной 72 метра состоит из четырех пролетов по 18 метров каждый. Балки пролетного строения изготовлены из плит толщиной от 25 мм до 42 мм сплава 1565Чм, а ортотропная плита из сплава 6082Т6. При изготовлении конструкции была применена уникальная технология сварки трением с перемешиванием (СТП).

СТП представляет собой процесс, происходящий в металлах в твердом агрегатном состоянии, при котором механическое соединение происходит посредством погружения специального вращающегося инструмента, состоящего из двух частей, называемых плечом и пином (штифт, выступ), в поверхность стыка двух жестко закрепленных пластин на глубину, примерно равную его толщине, так, чтобы плечо не вступало в контакт с материалом. Тепло выделяется за счет трения между вращающимся инструментом и материалом обрабатываемой детали, что приводит к размягчению области вблизи инструмента. Уникальность технологии состоит в том, что прочность сварного шва равняется прочности основного металла.

Использование сплава 1565Чм для балок пролетного строения обусловлено не только его физико-механическими свойствами, но и тем, что такой сплав относится к категории термически неупрочняемых сплавов, для которых характерно отсутствие снижения прочностных характеристик в зоне сварного шва.

Балки пролетных строений укрупнялись на строительной площадке при помощи болтовых соединений по типу «лего» и не требовали сварки: в случае, если будет необходимость заменить поврежденную часть, дорожники просто открутят болты и поставят новый элемент. Далее монтировались на опоры, после чего на них были смонтированы ортотропные плиты. На завершающем этапе выполнялись работы по гидроизоляции и укладке покрытия из литого асфальтобетона.

Усилиями Алюминиевой Ассоциации и профильного экспертного сообщества была проведена огромная работа по созданию нормативной документации.

Справка

Ассоциация «Объединение производителей, поставщиков и потребителей алюминия» (Алюминиевая Ассоциация) создана при поддержке Министерства промышленности и торговли РФ в декабре 2015 года. 

Деятельность Ассоциации направлена на создание оптимальных условий для развития алюминиевой промышленности и смежных с ней отраслей. В Ассоциацию входят 140 компаний, в том числе крупнейшие предприятия алюминиевой отрасли России. На долю этих компаний приходится порядка 80% всего объема производства алюминиевой продукции высоких переделов.

подробнее

Специальные технические условия (СТУ) для автодорожного моста через реку Линда включали в себя более строгие конструктивные требования по сравнению с пешеходными мостами из алюминиевых сплавов. Основными результатами научных исследований, включенных в СТУ, являются:

• испытание ортотропной плиты из сплава 6082Т6 на статическую и динамическую нагрузку;
• подбор конструкции дорожной одежды на ортотропной плите из сплава 6082Т6;
• испытание на огнестойкость ортотропной плиты с конструкцией дорожной одежды;
• разработка регламента сварки СТП для плит толщиной более 40мм (впервые в РФ);
• проведено более 1000 испытаний и измерений образцов для контроля качество сварных швов и др. расчеты монтажных соединений и расчеты пролетного строения на выносливость.

На пилотном автодорожном мосту будет установлена система мониторинга, фиксирующая статические и динамические параметры сооружения в реальном времени, которые передаются в систему данных. Все испытания и обследования объекта будут проводиться с регламентированной частотой.

Перспективы алюминиевого строительства

Сам факт строительства автодорожного моста из алюминиевых сплавов – результат нескольких лет работы научно-исследовательских институтов, множества исследований и испытаний – на динамику, растяжение, огнестойкость, износостойкость, качество сварного шва и многие другие.

Одним из преимуществ конструкций из алюминиевых сплавов являются низкие затраты при эксплуатации сооружения госзаказчиком. Они не требуют регулярного восстановления антикоррозийного покрытия и специального ухода. Кроме того, конструкции полностью изготавливаются на заводе и легко доставляются к месту строительства. А благодаря легкому весу деталей нет необходимости привлекать дополнительную рабочую силу и тяжелые краны на этапе монтажа.

Алюминий обладает большим потенциалом в области мостостроения: он имеет ряд неоспоримых преимуществ перед другими строительными материалами. Мосты и мостокомплекты из алюминиевых сплавов позволяют экономить бюджеты регионов благодаря низкой стоимости владения и длинному жизненному циклу.

С точки зрения эстетики алюминий и сплавы на его основе позволяют создавать архитектурно оригинальные и даже футуристические конструкции. Таким образом, это одновременно экономичное, экологичное и визуально красивое решение для инфраструктурных проектов.

На перспективности «алюминиевого строительства» положительно сказывается и актуализация нормативной базы в области строительства. Так, в сотрудничестве с Росстандартом, Минпромторгом России, Минстроем России и более чем 15 смежными с ТК 099 «Алюминий» техническими комитетами по стандартизации реализуется Перспективная программа стандартизации алюминиевой промышленности на 2022-2026 годы. Развитие нормативно-технической базы в сфере строительства – необходимый и неразрывно связанный с научно-техническим прогрессом шаг, позволяющий зафиксировать опыт применения алюминиевых изделий и конструкций в стандартах и сводах правил. Так, результатом мониторинга автодорожного моста из алюминиевых сплавов станет ожидаемое распространение СП 443 не только на пешеходные, но и на автодорожные мосты через три года эксплуатации.

Сейчас Алюминиевая Ассоциация активно развивает направление дорожной инфраструктуры. На текущий момент введено в эксплуатацию более 18 мостовых сооружений, всего более 70 мостовых конструкций находятся в разной степени реализации, включая экспортные проекты пешеходных мостов, которые востребованы за рубежом в силу своих уникальных свойств.

Технологии строения мостов играют не последнюю роль и в смежных областях, например, при развитии речной и морской инфраструктуры, метростроения и энергетики. Эксперты строительства отмечают, что алюминий обладает высоким потенциалом, который еще даже не полностью раскрыт. Благодаря ежедневной работе научного и инженерного сообщества создаются новые сплавы, измеряются и повышаются характеристики прочности – все это постепенно будет расширять сферы применения алюминия в строительстве.