Анализ причин обрушения вантовых и висячих мостов

В настоящей статье рассматриваются наиболее характерные аварии вантовых и висячих мостов и анализируются их причины.

Ключевые слова: вантовый мост; висячий мост; авария; обрушение мостовых конструкций; безопасность эксплуатации; примеры аварий мостов.

В современном мире все большую популярность приобретают вантовые и висячие мосты. Среди преимуществ этих конструкций выделяют следующие: возможность использовать различные архитектурные формы; способность создать большепролетные сооружения; реальность уменьшения расхода дорогостоящей высокопрочной стали за счет оптимизации работы сечения несущих металлических конструкций на растяжение.

Необходимо отметить и недостатки таких конструкций, а именно: повышенная степень деформации — особенно это характерно для висячих мостовых сооружений; устройство ряда опорных дополнительных контуров для принятия распора растянутых нитей.

Также данный тип конструкции имеет ряд сложностей при расчете: значительная геометрическая нелинейность работы, особенно распорных конструкций; выбывание из работы части вант при отдельных загружениях некоторых схем; необходимость повышенного контроля предварительного напряжения, проверки аэродинамической устойчивости конструкции, ветровых и сейсмических воздействий.

В связи с трудным расчетом и другими причинами появляются коллапсы как во время строительства, так и во время эксплуатации мостов, а также возможные аварийные ситуации, приводящие к полному обрушению сооружений. Ниже предлагается рассмотреть наиболее интересные случаи по данной проблеме с детальным анализом и примерами.

Аварии, вызванные недостаточным учетом ветровой нагрузки и аэродинамической неустойчивостью.

7 ноября 1940 года произошло крушение моста Тэкома — Нэрроуз в штате Вашингтон (США). (См. рис. 1) Основная причина аварии — чрезмерные динамические крутильные колебания, вызванные ветром [1]. Мост трехпролетный комбинированной системы (висячий с балкой жесткости). Общая длина моста 1662 м, подвешен на двух стальных канатах Ø 438 мм каждый. Пилоны стальные на бетонных быках. Одной из проблем, предвещающих аварию, являлась малая высота балки жесткости — 2,44 м, что составляло 1/100 пролета, в связи с этим конструкция подвергалась сильным колебаниям. Обрушение произошло по причине аэродинамических колебаний. Обрыв подвесок центрального пролета повлек провисание боковых пролетов и наклон пилонов. Вертикальные и крутильные колебания моста явились следствием чрезмерной гибкости конструкции относительно малой способности моста поглощать динамические силы. При проектировании моста рассмотрели расчет на действие статических нагрузок, в том числе особое внимание уделили ветровой, но воздействие аэродинамической нагрузки не учли. Крутильные колебания возникли в результате действия ветра на проезжую часть около горизонтальной оси, параллельной продольной оси моста. Опускание канатов с одной стороны моста и поднятие его с другой вызвали наклон проезжей части и породили крутильные колебания.

Аварии из-за ошибок в проектировании.

15 января 2018 года на этапе возведения обрушилась одна из двух башен вантового моста в Чирахара, Колумбия [2]. (См. рис. 2) Общая длина моста 446 метров. Мост должен был состоять из двух железобетонных башен ромбовидной формы. На момент аварии обе башни уже были построены. В результате расследования причин аварии сделано несколько выводов. Обрушение одной из башен вантового моста произошло из-за ошибки проектирования с неверным предположением о прочности, которая должна была обеспечиваться поперечными стяжками и диафрагмой на ромбовидной опоре, также в отчете указывалось на отсутствие армирования в поперечной балке башни. Не обрушившуюся башню необходимо снести, по причине того, что в железобетоне на момент возведения уже найдены трещины с запредельной шириной раскрытия.

Рис. 2. Крушение моста Чирохара, 15 января 2018 год [2]

Аварии по причине непродуманной технологии ведения строительно-монтажных и ремонтных работ.

26 ноября 2011 года произошло разрушение моста Кутай Картанегара, Индонезия [3]. (См. рис. 3) Общая длина моста 710 метров. Подвесная секция 270 метров. Обрушение произошло в результате разрыва одного из стальных тросов, который поддерживал мост, и последующей цепной реакции. Изначально мост был построен с подъемом на 3,7 метра в середине пролета, который к концу 2011 года снизился до 3 метров. Были даны инструкции по техническому обслуживанию с целью восстановления проектного положения путем поддомкрачивания каждой вертикальной подвески. Считается, что провисание было результатом перемещения одного из основных блоков анкерного крепления кабеля. Последующее обрушение было инициировано разрушением при сдвиге одного из соединений подвески с палубой. Затем нагрузки усилились, когда подрядчик по техническому обслуживанию установил домкрат только с одной стороны настила моста, в то время как движение транспорта продолжалось с другой стороны. К тому же, не было произведено никаких расчетов относительно того, какой эффект будет иметь данная последовательность подъема, однако, очевидно, что это приведет к значительному увеличению нагрузок на подвеску. Болты, соединяющие подвесы с настилом, оказались очень хрупкими. По всей видимости, весь мост рухнул примерно за 30 секунд, после того, как первое соединение подвесок вышло из строя, его нагрузка была перераспределена на соседние подвесы, которые также вышли из строя, очень быстро «расстегнув» всю платформу моста. Таким образом, можно сказать, что настил моста вышел из строя из-за того, что подвесные соединения сверху и снизу были слишком слабыми, что, возможно, усугубилось использованием хрупких компонентов, нагрузки на подвес были увеличены из-за прогиба настила моста и нерациональной последовательности установки домкратов.

Рис. 3. Разрушение моста Кутай Картанегара, 26 ноября 2011 год [3]

Исходя из исследования можно выделить несколько основных причин аварий мостовых сооружений:

− недостаточный учет ветровой нагрузки и аэродинамическая неустойчивость;

− ошибки в проектировании;

− непродуманная технология ведения строительно-монтажных и ремонтных работ.

Строго говоря, чаще всего сочетается негативное действие нескольких факторов, причем трудно определить одну основную причину обрушения моста. Однако, необходимо стараться находить точную причину аварии в данных конструкциях, чтобы предотвратить в дальнейшем наступление опасных ситуаций как во время строительства, так и во время эксплуатации объектов.

Литература:

1. Майстренко И. Ю., Овчинников И. И., Овчинников И. Г., Кокодеев А. В. Аварии и разрушения мостовых сооружений, анализ их причин. Часть 1 // Интернет-журнал «Транспортные сооружения», Том 4, № 4 (2017).
2. Jose Sanchez. Report published on fatal Colombian bridge collapse. Журнал «Bridge design & engineering» (2018).
3. Declan Lynch. Connection shear failure likely cause of Indonesian bridge collapse. Журнал «New Civil Engineering» (2011).