Безлагерни и безфугови пътни мостове

Д-р инж. Иван Якимов, инж. Момчил Якимов Въпреки усъвършенстването им, лагерите (Л), и особено деформационните фуги (ДФ), остават най-бързо повреждащите се елементи на мостовете. Обичайната дълготрайност на ДФ е до 15 години – няколко пъти по-малка от тази на останалите части на съоръжението. Повредите на ДФ предизвикват повреди и на близкостоящите им елементи – най-вече лагери и пътни настилки. Поддържането и смяната им са твърде скъпи, изискват спиране на движението по моста, а в неремонтирано състояние са много опасни. Затова е стремежът поне да се намали броят на Л и на ДФ във връхните конструкции. В отговор бяха развити и добре усвоени през 80-те години на миналия век т.нар. температурно-непрекъснати конструкции, при които на междинните опори на моста лагерите се запазват, но пътните плочи на част от съседните полета се свързват монолитно. Положителните ефекти за сигурността и комфорта на движението са категорични, а негативите от неравномерното натоварване на стълбовете с хоризонтални надлъжни сили, както и нуждата да се поставят Л с различен ход в зависимост от разстоянието им до неподвижните лагери, са поносими. Към средата на второто десетилетие на настоящия век в редица страни на Европа започнаха интензивно да навлизат безлагерните и безфуговите мостови конструкции, наричани още интегрални1 и полуинтегрални2. При всякакви условия ли могат да се правят интегрални и полуинтегрални мостове? Има ли някакви ограничения? Има ли официални нормативи? Какъв е световният, евентуално и българският опит? На отговора на тези въпроси е посветена настоящата публикация. Някои нормативни указания за прилагане на интегрални мостове Във Великобритания от 1996 г. всички мостове с дължина до 60 м трябва да бъдат без лагери и фуги (интегрални). Изключение се допуска само при големи надлъжни наклони (1). В Германия след проведени значителни изследвания (2), (3), (4), особено след 1996 г., бяха построени множество интегрални пасарелки с оригинални конструкции. Последва масирано изграждане на интегрални мостове с различно предназначение, за някои от които ще стане дума по-долу. През 2011 г. в Швейцария бяха публикувани указания (5), (6), с които се дава приоритет на интегралните мостове. Но още през 1972 – 1974 г. по проект на големия швейцарски мостовак Cristian Menn беше направен полуинтегралният мост Felsenau при Берн с отвори до 144 м. Опитът през 1989 г. да се реализира почти същият мост в България с виадукта на АМ „Хемус“, км. 48+000 (по стария километраж) беше полууспешен. Мостовете в Австрия на абсолютно всички пътища, вкл. и на магистралните, щом имат дължина, по-малка от 40 м, от 2013 г. трябва да се проектират само като интегрални (7). Аналогични предписания има и в редица други европейски страни. В САЩ интегрални мостове се правят от 1905 г. (Колорадо), а от 1930 г. за това има и официален държавен документ (8), (9). Примери за построени интегрални и полуинтегрални мостове През 1979 г. е завършен полуинтегралният мост-естакада на долината Kocher, справедливо наречен „икона на германското мостостроене“. Общата му дължина е 1128 м, с четири средни, монолитно свързани с връхната конструкция стълба, следвани симетрично от два стълба със стави горе, и от още два симетрични стълба до устоите с подвижни лагери. През 2001 г. в околностите на Верона, Италия, започва строителството на моста Isola della Scala, с отвори по схемата 29,9 + 11 * 31,00 + 29,9 = 400,8 м, с конвенционални едноотворни предварително напрегнати греди на гумени лагери. Поради икономически проблеми на възложителя през 2003 г. строителството е спряно при завършено долно строене и монтирани греди – по 6 броя в отвор. За да може мостът да бъде изпълнен при запазване на първоначалната му цена, възложителят предлага иновативно решение: връхната конструкция да се преработи и да стане интегрална, без лагери и без деформационни фуги, при запазване на построените вече стълбове, устои и на всички изработени греди – монтирани и немонтирани. През 2006 г., след тригодишно прекъсване на работата, направената част от пътната плоча е била разрушена. На базата на обстойно изследване на зоните на замонолитване на ригелите на стълбовете и монтажните греди, проведено в Университета във Venedig, мостът е бил завършен за една година и оттогава се експлоатира без каквито и да е проблеми, като се нарежда между най-дългите към 2007 г. интегрални мостове (400,8 м). През 2005 – 2006 г. на терен в „Младост 4“ в София беше построена полуинтегрална мостова естакада с 22 отвора по 15 м по растера на изграждащата се едновременно с естакадата сграда с автосервиз на „Хюндай“. Естакадата по цялата си дължина (332 м) е без лагери и фуги. Горната част на източния устой е конструирана и изпълнена като фрикционен демпфер за сеизмични въздействия, с възможности да бъде и без деформационна фуга. В план естакадата е в права, а в профил – в изпъкнала вертикална крива. Височината на стълбовете варира от 5 м до 12 м. Част от средните стълбове са вилкообразни, а останалите са плътни. Някои от плътните стълбове са конструирани като пендели (със стоманобетонови стави горе и долу, а други – като полупендели (със стави само горе). Всички стоманобетонови стави са конструирани така, че да могат да поемат огъващите моменти от напречния земетръс. Стълбовете на естакадата, вкл. и най-високите, са бетонирани без прекъсване без работни фуги. Заради експозицията на естакадата (изток – запад) и сянката на близко разположената сграда (сервиза на „Хюндай“), както и особеностите на методиката за изчисляване на температурните деформации по Еврокод 1, измерваните в продължение на над 10 г. дилатации при двата устоя на естакадата са около пет пъти по-малки от нормативните. Всички снаждания на армировката, както на стълбовете, така и във връхната конструкция (с изключение на тротоарните конзоли), са изпълнени с конични муфени снаждания Lenton, с което е избегнато неизбежното образуване на пластични стави в зоните на снажданията, правени „чрез разминаване на армировката“. През 2006 г. този мост е бил един от най-дългите полуинтегрални в света от обикновен стоманобетон. А един от най-красивите мостове – естакадата Sunnibeg (13) в Швейцария (1996 г.), е направен без деформационни фуги и без лагери, вкл. и при устоите, като интегрална вантова конструкция тип exstra-dosed, с обща дължина 526 м, в природно и културно защитена местност на обходен път на един манастир (проектант Christian Menn). Освен хоризонталната крива, в която е разположена естакадата, и стройните стълбове са спомогнали за напречното температурно „дишане“ на конструкцията, и с това за рязкото намаляване на разрезните усилия от температурните въздействия. През 2012 г., за около три месеца, на общински път с финансиране от фирмата собственик на ВЕЦ „Кунино“, беше направен интегрален монолитен мост от обикновен стоманобетон с дължина 30 м над т.нар. долна вада на ВЕЦ-а. Мостът е в слабо изпъкнала вертикална крива. Средата му в горещите летни месеци се повдига около 10 мм, а през студените зимни месеци се връща обратно, без остатъчни деформации. Категорията на пътя, на който е конструкцията, позволи мостът да се остави без обичайната хидроизолация и без настилка. И до момента този мост стои добре и не създава никакви експлоатационни проблеми. Стройните стълбове и тънките връхни конструкции на безлагерните и безфугови мостове са особено подходящи за случаи, когато трябва да се запази или подчертае природна или културна забележителност. Такъв е напр. случаят с Waschmueltalbruecke в Германия. Със стомано-стоманобетонните връхни мостови конструкции с ниски пилони тип exstra-dosed са постигнати подходящо големи отвори и свободно пространство под моста, за да се вижда с цялата си красота съседният стар каменен сводов мост от червен пясъчник – паметник на културата, построен 1935 – 1937 г. Над отводнителния канал за високи води Perschling на нискокласния път L 2207 в Долна Австрия е построен през 2009 г. стоманобетонов рамков интегрален мост със светъл отвор 32 м, без хидроизолация и без пътна настилка (подобен на опи­са­ния по-горе мост при ВЕЦ „Кунино“ в България). И австрийският мост до момента не е създавал никакви експлоатационни проблеми. Една отсечка с дължина 51 км от АМ S1 и А5 северно от Виена, Австрия, е изградена чрез публично-частно партньорство (ПЧП) (17) през 2007 – 2010 г. с договор за строителство и поддържане в продължение на 30 години. На отсечката има повече от 100 съоръжения, от които 78 са мостове. 85% от тях са интегрални, а останалите 15% са полуинтегрални или конвенционални. Значителен е броят на пътните надлези на нискокласни пътища. Те са направени без хидроизолация и без пътна настилка, но с високоякостен бетон на пътната плоча (С 35/45; HL B; XF4 (A); XM2), с ограничаване разтварянето на пукнатини до 0,2 мм. За 10 години експлоатация тези мостове не са показали никакви дефекти. Шестетажният паркинг с 8200 паркоместа на новия Провинциален панаир на Баден – Вюртенберг, Германия (18) е построен над една голяма пътномагистрална детелина до летището на Щутгарт, Германия. Основните носещи елементи на паркинга са огромни стоманени ферми (с височината на шестте етажа), с параболичен горен пояс, с корави възли, без лагери и фуги, изцяло интегрална стоманена многоетажна гредоскара върху стоманени колони, реализирана с надлъжно навличане. Построената през 2017 г. 12-километрова автомагистрала А11, свързваща магистралите N31 и N49 между градовете Брюж и Кнокке, Белгия, финансирана чрез ПЧП, съкрати времепътуването между двата града от 35 до 7 минути. Магистралата пресича няколко шосета и жп линии, както и плавателния канал Boudwijn, на който е направен отваряем (подвижен) мост за корабен габарит 15 м. Когато мостът се отваря, движението по автомагистралата се прекъсва за 15 минути. На магистралата са построени три групи интегрални и полуинтегрални мостове от предварително напрегнат стоманобетон. Един от тях – виадукт К032 между надлеза на Stationsweg и моста над плавателния канал – е проектиран от Schlaich Bergermann Partner, SBP, GmbH, Stuttgart по възлагане от белгийската строителна компания Jan de Nul Group. Точно този полуинтегрален виадукт K032 от първата група мостове заслужава особено внимание заради геометрията си: дължината – около 650 м, с регулярни отвори по 35 м и максимален отвор 55 м, ширина 35,20 м, целият в циркулярна крива. Строителният консорциум Via Brugge сключи договор да построи и да поддържа в продължение на 20 години 12-километровата автомагистрала АМ 11, и точно поддръжката беше причината Jan de Nul Group да поиска преработката на проектите за виадуктите и те да станат интегрални и полуинтегрални. Геометрията на този мост почти напълно съвпада с тази на нереализирания проект на виадукта на км. 322 АМ „Струма“. Мостът-естакада на бул. „Христофор Колумб“ в София, над жп линия за Пловдив, е построен през 1962 г. с монтажни 20-метрови греди от обикновен стоманобетон, с V-образни стълбове и ригели с „обратно Т“ напречно сечение, така че на всеки стълб се получават по две деформационни фуги. Целият мост е в хоризонтална крива и в изпъкнала вертикална крива. Оставен без какъвто и да е ремонт, състоянието му към 2005 г. беше изключително тежко, особено на местата на „изчезналите“ деформационни фуги по краищата на монтажните греди и по ригелите. Столичната община сключва инженерингов договор със строителната фирма „Мостстрой“ за ремонт на естакадата. При изготвянето на проекта се оказва, че уврежданията на конструкцията не позволяват какъвто и да е ремонт. Експертизите на водещи специалисти са в същия дух. Мостът според тях трябва да се разруши и да бъде построен отново по нов проект. Но това излизаше много над договорната цена на ремонта, извън финансовите възможности на строителната фирма, а и изключително неприемливо като време за построяване на нов мост, който да поеме движението към летището от естакадата на бул. „Брюксел“, за да започне още по-неотложният неин ремонт. Строителната компания възложи направата на нов проект за решаване на проблема, с изискване да не се разрушава съществуващата конструкция на моста. В новия проект тя се превърна в полуинтегрална многоотворна гредоскара, с премахване на лагерите при стълбовете, замонолитване на краищата на монтажните греди в ригелите и с поставяне на допълнителна армировка за поемане на отрицателните огъващи моменти. Единствените слаби места след реконструкцията останаха двете деформационни фуги при устоите, които при първа възможност трябва да бъдат премахнати и мостът да стане напълно безфугов – т.е. интегрален. Трябва да бъде спомената и една група от български полуинтегрални мостове, или поне тези от тях, които са построени след 1985 г. Това са: – мост „Съединение“ на р. Марица в Пловдив (1984 – 1986 г.) – първи у нас, построен по метода „конзолен монтаж“ с надречни отвори 44 + 88 + 44м, по български проект и с изцяло българско изпълнение; – мост-естакада на АМ „Хемус“ на 48-ми км по стария километраж, първият у нас с конзолно бетониране, с максимален отвор 140 м; – „Дунав мост 2“ при Видин, инженерингово изпълнение от испанската фирма FCC, по метода на конзолния монтаж, комбиниран (пътен и железопътен) с полуинтегрална над плавателната част на реката (по германската класификация) вантова (exstra-dosеd) конструкция с отвори + 125 + 3 * 180 + 115 м; – конзолно бетониран мост на прохода „Маказа“ при с. Лозенградци, по български проект и изпълнение на турска фирма. Влияние на големината на централния ъгъл на закривяването върху принудените нормални сили във връхната конструкция на моста Големината на принудените нормални сили във връхните конструкции на интегралните мостове зависи от големината на централния ъгъл на закривяването им, от радиуса на кривата, от експозицията на моста (изток-запад или север-юг), от температурата на въздуха в дните на бетонирането, от масивността на бетонираната конструкция и т.н. При големина на централния ъгъл около 60° големината на принудените нормални сили във връхната конструкция на моста (напр. от температурни въздействия) е около 20% от тази в права, а при централен ъгъл 90° - само 10% (20). Насипен мост (край на моста) Зоната между края на връхната конструкция на моста и конвенционалния път няма общоприето название. Например в Германия, Австрия и Швейцария са в употреба поне две названия, базирани на немския език – Brueckenend, край на моста, и Dammbruecke, насипен мост. Ако архитект Richard Dietrich е имал основание да нарече публикуваната си през 2016 г. книга Faszination Bruecken – „Магията мостове“, може и да се твърди, че „магията интегрални мостове“ е в „краищата на мостовете“. Да се направят монолитни връзки между стълбовете и връхната конструкция и да не се поставят деформационни фуги над тях не е много сложна конструктивна задача. Но да се проектира и построи един интегрален мост, даже когато дължината му не надвишава 40 – 60 м, при което могат да се ползват препоръчаните в съответните указания конструктивни решения, се изисква познаване на проблемите на интегралните мостове и следене на нововъведенията. Разработването и предлагането на ефективни и дълготрайни конструкции за насипните мостове продължава. Заключение Съчетанието на икономически, експлоатационни, естетически, екологични и др. предимства на интегралните мостове привлича интереса както на пътните администрации, така и на строителните фирми. Особено силно това се проявява при договори за изграждане, съпроводено с дългосрочно поддържане както на отделни участъци от магистрали, така и на цели магистрали. В някои пътни администрации за мостове с дължина до 60 м неитегрално изпълнение се разрешава само по изключение. Цитирана литература 1. Design Manuel for Road and Bridges, Part 12, BD 42/96Amendment №1, The Design of Integral Bridges, UK Highways Agency, Londin, 2003. 2. Poetzl, M.; Schlaich, J.; Schaefer, K.; Grundlagen fuer den Entwurf, die Berechnung und konstruktive Durchbildung lager– und fugenloser Bruecken. Beuth Verlag, DAfSb; H. 461, Berlin, 1996. 3. Bundesministerium fuer Verkehr – Abteilung Strassenbau, Bohn; Ruhr­berg, R; Schaeden an Bruecken und anderen Ingenieurbauwerken. Ursachen und Erkentnisse. Dokumentation 1994. Verkehrsblatt-Verlag, Dortmund 1994. 4. Stephan Engelmann u.a. Entwurfen und Bemessen von Betonbruecken ohne Fugen und Lager. DAfSb, 2000, seite 124. 5. Brueckensamt fuer Strassen ASTRA, Konstruktive Einzelheitrn von Bruecken, Kapitel 3, Brueckenende, 2011, www.astra.admin.ch am 15.12.2013. 6. Walter Kaufmann, Forschungsbericht № 629, Integrale Bruecken – Sachstandbericht. Eidgenoessisches Departement fuer Umwelt, Verkehr, Energie und Komunikation UVEK, Bundesamt fuer Strassen, Bern, 2008. 7. ASFINAG Planungshandbuch Bruecke Bau V.3.O. Wien, www.asfinag.net 8. Hassiotis, A.S., Roman, E.K.;Survey of current ussues on the use integral abutment bridges, Bridges Structurs, Vol. 1, № 2, june 2005. 9. Martin, P., Burke Jr.,The Genesis of Integral Bridges. Concrete International. Washington 1996. 10. Zordan, T., Briseghella, B.,Attainment of Integral Bridge trough the Refutbishment of a Simply Supportet Structure. Structural Engineering International SEI, Issue 3, 2007.pp228 – 234. 11. Lan, C., On the Performance of Super-Long Integral Abutmant Bridges. Parametric Analysis and Design Optimization, Doctoral Thesis, Engineering of Civil and Mechanical Structural Systems. University of Trento. 24.04.12. 12. Bolina ingeneria https://bolinaingeneriaa.com/about.phop?id=10 13. Figi, h. ,Menn, Chr.,u.a. 1997. Sunnibergbridge, Klosters, Switzerland, Structurel Engineering International, Vol. 7, № 1. 14. Angelmaier, Volkhard, Eizer, Wolfgang u.a., Neubau der Waschmuelbruecke. Harmonische Symbiose Baudenkmal-Neubau. Stahlbau, V.79 n5 Mai 2010. 15. A.Linse, Kochertallbruecke – Entwuerfe iner Grossbruecke. Bauigenieur, 1978, s. 453 - 464 16. Geier, R., Klampfer, S., Gric, S.: Planung und Ausfuerung einer direkt befahrbaren integralen Bruecke in Oesterreich. Beton und Stahlbetonbau, 105 (2010), Heft 3, S. 186-195. 17. А5 Nordautobahn, Ypsilon, Niederoesterreich. https://hochtief.at/projekte/a5-nordautobahn 18. Провинциален панаир Баден-Вюртенберг – Щутгарт 19. Schlaich, M., Wenger, Ph., u.a. Die semiintegralen Spannbetonviadukte im Zuge der neuen Autobahn A11. Bautechnik 7/20, Jine 2017. 20. Geier, R., Angelmeier, W., Graubmer, C.A., Kohoutek, J. Integrale Bruecken. 2017. 1интегрален мост – който няма никакви лагери и фуги, вкл. и при устоите; 2полуинтегрален мост – който има фуги, евентуално и лагери, но само при устоите.