09.11.2017 | Транспорт РФ
В. И. Трищенко, председатель Алюминиевой Ассоциации

Активно развивающаяся в последние десятилетия мировая инновационная практика возведения мостов из алюминиевых сплавов, к сожалению, пока остается невостребованной в России. Виной тому состояние нормативной базы, нехватка квалифицированных кадров, а часто и просто сила инерции.

В программе развития транспортной системы России на период до 2021 г. центральное место занимает решение задачи строительства и реконструкции автодорог. Неудовлетворительное состояние и недостаточность дорог современного уровня в настоящее время приводят к потере объема ВВП, сопоставимого с расходами на оборону страны.

Характерный показатель в оценке этой отрасли — плотность дорожной сети. По этому индикатору даже в европейской части Россия занимает одно из последних мест среди развитых стран, а ситуация в регионах, таких как, например, Дальневосточный федеральный округ, по наличию и плотности автодорог с твердым покрытием еще хуже. Для решения такой масштабной задачи потребуются привлечение значительных финансовых средств и мобилизация производственных ресурсов.

Алюминиевый мост Arvida Bridge (Канада, 1950 г.)

При этом важно отметить, что у нас наблюдается существенный дефицит мостовых сооружений. Очевидно, что для развития дорожной инфраструктуры следует максимально использовать инновационные решения при возведении мостов, являющихся важной составляющей строительства и реконструкции автодорог. В связи с этим большое значение имеет опыт мировой практики использования алюминия в мостовых конструкциях. Это направление в нашей стране только сейчас начало занимать соответствующее место в структуре решения современных задач строительства.

Преимущества алюминиевого мостостроения

Одной из важнейших современных тенденций развития промышленности и строительства является все более расширяющееся внедрение современных инновационных материалов и технологий. К таким материалам, безусловно, относится и алюминий, по праву носящий название материала 21 века и находящий широчайшее применение во всех сферах промышленного производства.

Современное состояние достижений металлургической промышленности, производящей алюминий и сплавы на его основе, развитие инновационных технологий производства алюминиевых конструкций, экономические и экологические требования к строительству заставляют обратить самое серьезное внимание на использование алюминия в такой важной сфере современного строительства, как мостостроение. Это обусловливается уникальными особенностями алюминия и алюминиевых конструкций:

• а) низким удельным весом (треть от удельного веса стали);
• б) высокой удельной прочностью, превосходящей сталь и железобетон;
• в) превосходной коррозионной стойкостью (вплоть до использования в условиях морского климата);
• г) практически абсолютной хладостойкостью при низких отрицательных температурах.

Все это позволяет на основе уникальных физико-механических свойств алюминиевых сплавов получить следующие неоспоримые преимущества перед традиционными стальными и железобетонными мостами.

1. Коммерческая выгода от применения более легких конструкций позволяет:

• увеличить переменную нагрузку на мост при его обновлении;
• снизить стоимость подъемных мостов и мостов с длинными пролетами, у которых вес конструкции является основной нагрузкой;
• расширить существующие мосты путем добавления легких конструкций;
• упростить сборку и строительство, снизить транспортные расходы.

2. К преимуществам с точки зрения развития окружающей среды следует отнести:

• минимизацию потребления материалов;
• снижение стоимости и влияния на окружающую среду от операций техобслуживания.

3. Выгоды от использования современных технологий изготовления конструкций из алюминиевых сплавов:

• применение алюминиевых профилей с большим разнообразием поперечных сечений (высотой до 600 мм и шириной до 400 мм);
• повышение качества сборки крупногабаритных фрагментов в заводских условиях.

4. Стоимость алюминиевых конструкций конкурентоспособна:

• при оптимальном конструировании начальная цена алюминиевых изделий может быть сопоставима со стальными аналогами;
• в течение полного жизненного цикла алюминиевые конструкции имеют преимущество за счет меньших затрат на техническое обслуживание и более длительного срока службы.

Алюминиевая пешеходная констуркция через р. Тайн (г. Ньюкасл, Великобритания, 2001 г.)

При столь очевидных экономико-социальных преимуществах мостов из алюминиевых сплавов в настоящее время существует ряд серьезных факторов, сдерживающих в нашей стране расширенное применение алюминия в мостовых конструкциях [1]:

А) Недостоверная оценка экономических результатов из-за нежелания заказчика при проведении технико-экономического обоснования учитывать затраты на весь жизненный цикл сооружения, включая проектирование и строительство, эксплуатационные затраты, затраты на демонтаж и утилизацию, а также возможный возврат денежных средств от повторного использования материалов с отслуживших жизненный цикл алюминиевых мостовых конструкций (АМК).

Сокращение стоимости строительства с использованием алюминия обусловлено сравнительно малым весом АМК. Вес алюминиевого полотна («мертвая» нагрузка) моста при одинаковой грузоподъемности в 5–6 раз меньше веса железобетонного (80–120 кг/м2 для алюминиевых сплавов против 500 кг/м2 для железобетона) и в 2–4 раза меньше веса стального. Это позволяет, применив алюминиевую конструкцию и используя существующие опоры и балки, увеличить грузоподъемность моста (рабочую нагрузку) в 2–3 раза и расширить его проезжую часть. Очевидно, что по сравнению с решением этой задачи путем сооружения нового моста или, по меньшей мере, проведения работ по усилению опор, балок и полотна из железобетона или стали стоимость работ существенно снижается. Кроме того, малый вес АМК позволяет собирать крупногабаритные и транспортабельные конструкции высокой заводской готовности, что резко сокращает сроки их монтажа и строительства в целом.

Сокращение стоимости эксплуатации АМК обусловлено, главным образом, высокой коррозионной стойкостью алюминиевых сплавов. Конструкции не требуют работ по окраске ни при сооружении, ни в процессе эксплуатации на весь срок службы (более 50 лет). Кроме того, алюминий отличается повышенной хладостойкостью: его прочность растет при понижении температуры. Это снимает необходимость регулярных ревизий сооружений в условиях эксплуатации при температурах ниже –35 ºС.

Б) Недостаточный учет логистических и экономических потерь при сокращении сроков перекрытия движения автотранспорта при реконструкции или при строительстве нового моста. Алюминиевые мостовые конструкции демонстрируют наибольший эффект в снижении стоимости жизненного цикла при реконструкции мостов. Замена изношенных или устаревших железобетонных или стальных конструкций на АМК обеспечивает продление срока службы и повышение эксплуатационных характеристик мостов.

В) Дефицит отечественной нормативно-технической документации, необходимой для эффективного и полномасштабного проектирования, строительства и эксплуатации мостов из алюминиевых сплавов. В соответствии с нынешним законодательством для каждого проекта вновь проектируемого моста из алюминиевых сплавов на текущий момент необходима разработка специальных технических условий (СТУ) с учетом всех особенностей строительства и эксплуатации объекта, которые не учитываются действующими стандартами и нормативными документами.

Г) Ограниченный объем знаний по АМК, в том числе о свойствах и характеристиках алюминиевых сплавов, из-за сокращенного курса преподавания предметов в большинстве строительных и инженерно-технических университетов; нехватка практического опыта при проектировании и эксплуатации АМК, что вынуждало инженеров-конструкторов и проектировщиков применять сталь и железобетон. Недостаток профессиональной квалификации по новому материалу и, как следствие, консервативность по отношению к столь ответственным сооружениям, как мосты, препятствовали применению алюминия.

Д) Особенности проектирования и реализации узловых соединений алюминиевых конструкций, что требует опыта проектирования металлоконструкций с применением современных методов компьютерного моделирования. Профили мостового полотна должны быть собраны в единое целое, чтобы создать требуемую ширину полотна. Во всех случаях используют механические (разъемные или неразъемные типы соединения) или сварные методы. Каждый вид соединений имеет свои недостатки.

Однако созданный в 1991 г. способ сварки трением с перемешиванием (СТП) [2] внес кардинальные изменения в повышение качества сварных соединений. Способ использует тепло, выделяемое в процессе трения специальным инструментом. Максимальная температура при этом не превышает 480 ºС (при температуре плавления алюминия — 660 ºС). Все результаты FSW превосходят дуговую сварку АДС, включая усталостную прочность и очень малую деформативность швов. В настоящее время этот способ широко используется в зарубежном мостостроении.

Все вышеперечисленное позволяет выделить наиболее эффективные объекты использования АМК в мостостроении:

• реконструкция мостов с железобетонным полотном, опирающимся на стальные балки (сталебетонные мосты), где в отсутствие возможности увеличения собственного веса перекрытия («мертвой» нагрузки) за счет использования алюминиевого полотна решается задача увеличения грузоподъемности моста и расширения его проезжей части;
• сооружение или реконструкция мостов в труднодоступных районах, где ограничены возможности доставки материалов, конструкций и оборудования по весу или по срокам (ограничение сезона работ);
• реконструкция мостов на загруженных трассах, где отсутствует возможность длительного ограничения или прерывания движения;
• реконструкция исторических мостов, когда требуется увеличение грузоподъемности при сохранении внешнего вида;
• сооружение мостов в местах исторической застройки, где необходимы наименьшие размеры, минимальное физическое и эстетическое воздействие на среду;
• сооружение и реконструкция мостов во всех остальных случаях, когда величина «мертвой» нагрузки является критичной.

Автомобильные и железнодорожные мосты в мировой истории

За прошедшие годы в мире накоплен богатый опыт создания и эксплуатации алюминиевых мостов разнообразного назначения. История использования алюминия в мостостроении началась с замены тяжелых стальных и деревянных настилов моста Smithfield Street Bridge в Питтсбурге на алюминиевое покрытие в 1933 г. [3–9]. Полученное уменьшение собственного веса моста позволило значительно увеличить его несущую способность.

Смилтфилдский мост в Питтсбурге (США, 1933 г.)

Первым примером использованием алюминия для строительства целого пролета моста был мост Grasse River Bridge в г. Массена, штат Нью-Йорк [6], построенный в 1946 г. Элемент был частью многопролетной конструкции, остальная часть которой была построена из стали. Алюминиевый пролет имел вес 43 % от сопоставимого стального пролета.

После второй мировой войны толчком для использования алюминия в строительстве в США и Великобритании послужила ситуация с накоплением значительных запасов алюминия для нужд авиационной промышленности, которая по окончании войны должна была резко сократить производство военной авиатехники. В конце 1940-х и начале 1950-х годов последовало строительство нескольких крупных алюминиевых мостов, в том числе мостов Sunderland и Aberdeen в Англии и Шотландии, сданных в эксплуатацию в 1949 и 1953 гг., и моста Arvida Bridge, построенного в г. Саненей, провинция Квебек, в 1950 г. компанией ALCAN.

В 1956 г. был построен первый автомобильный мостовой переход из алюминия в континентальной Европе — мост Schwansbell в Германии. Благодаря малому весу конструкция была собрана, а затем доставлена к месту монтажа вплавь на барже. После более 50 лет службы над водой, в промышленной среде с высоким коррозионным воздействием, эксплуатационные свойства и состояние моста остались практически неизменными.

В связи с высокой стоимостью конструкционной стали в период между 1958 и 1963 гг. в США были построены 7 автомобильных мостов из алюминия. Среди них следует отметить первый пример сварного алюминиевого моста — путепровод на шоссе 86 в г. Де-Мойн, штат Айдахо. Этот четырехпролетный мост неразрезной системы был предварительно собран в виде четырех частей (два пролета по 21 м массой 9,5 т и два пролета по 12 м массой 7,3 т), устанавливаемых на месте подъемным краном [3, 6]. Данный мост хорошо зарекомендовал себя, пока не был заменен в 1993 г. более крупной и грузоподъемной конструкцией.

Среди автомобильных алюминиевых мостов, построенных в Европе, следует отметить подвесные мосты во Франции: через р. Рона в Лионе (1971 г.), в Montmerie-sur-Saone (1973 г.) и через р. Рона в Grosiere (1980 г.).

Мост Forsmo, построенный в Норвегии в 1995 г., является примером современного полностью алюминиевого автомобильного строения. В его строительстве были использованы прочные и долговечные сплавы 5xxx и 6xxx серий [5]. Конструкция к строительной площадке перевозилась на автомобильной платформе и устанавливалась при помощи одного подъемного крана.

Еще одним примером постройки подвесного алюминиевого моста в Европе является мост Real Ferdinando в Италии, установленный в 1998 г. Пролет моста 85 м, в конструкциях использованы сплавы типа 7020 Т6 и 6060 Т6.

Другие современные полностью алюминиевые автомобильные мосты, как правило, предназначены для специальных случаев, когда малый вес особенно важен для получения успешной конструкции. К их числу относятся подъемные (или разводные) мосты, например мост Riekerhavenburg, построенный в Нидерландах в 2003 г., наплавные мосты и мобильные понтонные мосты для спасательного и военного применения [6, 10].

Пешеходные мосты

Особая активность в строительстве алюминиевых пешеходных мостов наблюдается в последние годы в Европе и Северной Америке. Одним из самых заметных и оригинальных мостов является пешеходная конструкция через р. Тайн около г. Ньюкасла в Англии (Gateshead Millennium Bridge).

Мост, конструкция которого весит 800 т, предназначен для движения пешеходов и велосипедов в крупнейший английский культурно-развлекательный комплекс. Алюминиевое полотно моста и стальная несущая конструкция, к которой подвешено полотно, представляют собой дуги, расположенные во взаимно перпендикулярных плоскостях. Для пропуска морских судов обе дуги моста поворачиваются на 45º относительно горизонтальной оси.

Пешеходные мосты из алюминиевых сплавов, возведенные в Северной Америке и в Европе, имеют разнообразные конструктивные решения, продиктованные особенностями географического местоположения и характером условий эксплуатации [4, 6, 10].

В настоящее время бум алюминиевого мостостроения переживает Китай: там за последние годы построено и намечается в перспективе строительство пешеходных мостов на основе алюминиевых сплавов, объем которых исчисляется тысячами штук.

Состояние мостостроения из алюминиевых сплавов в России

К сожалению, Российская Федерация до настоящего времени не поддерживала мировые тренды алюминиевого мостостроения. За последние 55 лет в нашей стране было построено лишь несколько сооружений: в 1963 г. в г. Руза Московской области введен в эксплуатацию автомобильный мост, длина пролетного строения которого составляла 32,4 м. Пролет выполнен из сплава Д16-Т на заводских заклепках из сплава Д18-Т.

По причине неправильного выбора алюминиевого сплава Д16, подверженного коррозии, пролетные строения этого сооружения сравнительно быстро начали терять несущую способность, в результате чего он был демонтирован. На основании полученного опыта и в результате проведенных исследований было установлено, что для мостовых сооружений целесообразно использовать сплав 1915Т, что подтверждается нормальной 40-летней эксплуатацией сооружений из этого сплава без специальной антикоррозионной защиты.

Пешеходный алюминиевый мост в дер. Афонино (Нижегородская область, 2017 г.)

Следующим примером строительства мостового сооружения на основе алюминиевых сплавов в России является Коломенский мост через канал им. Грибоедова в Адмиралтейском районе Санкт-Петербурга, соединяющий Коломенский и Покровский острова. Это сооружение было введено в эксплуатацию в 1969 г. Несущие конструкции изготовлены из сплава АМг6, длина пролета составляет 32,6 м. Недавнее обследование данного сооружения подтвердило неизменность состояния несущих конструкций, отсутствие коррозии и полное соответствие эксплуатационным характеристикам моста.

До недавнего времени вышеперечисленные сооружения были единственными в России мостами на основе алюминиевых сплавов. Однако в 2017 г. при поддержке экс-губернатора Нижегородской области В. П. Шанцева, Министерства транспорта и дорожного строительства региона, а также по инициативе Алюминиевой Ассоциации и компании «РУСАЛ» в Кстовском районе были построены два надземных пешеходных моста, длина каждого из которых составляет 38 м.

В Москве в этом году планируется ввести в эксплуатацию два надземных перехода в природном парке «Долина реки Яуза» (СВАО). В настоящее время несущие алюминиевые конструкции установлены в проектное положение, ведутся работы по благоустройству подходов к мостам.

Однако на текущий момент, к сожалению, приходится признавать, что продвижение и строительство мостовых сооружений на основе алюминия при всех своих преимуществах осуществляется по принципу «не благодаря, а вопреки». Перспективные алюминиевые мостовые конструкции являются типичным примером, когда возможности современной индустрии (металлургических заводов, компаний — изготовителей профильной продукции, промышленных переработчиков алюминия) готовы предоставить современное технологичное и экономически оправданное решение в виде несущих алюминиевых мостовых конструкций, а отставание и пробелы в существующей нормативно-правовой базе, отсутствие достаточного количества компетентных инженеров-конструкторов и проектировщиков оказывают стагнирующее и депрессивное воздействие на развитие этой отрасли.

Монтаж пешеходного моста в дер. Афонино (Нижегородская область, 2017 г.)

Основным препятствием для широкого распространения мостов на основе алюминиевых сплавов в России является недостаточно развитая нормативная база. По инициативе Алюминиевой Ассоциации и ОК «РУСАЛ» на базе МГСУ ведется разработка свода правил «Мосты из алюминиевых сплавов. Пролетные строения». Этот документ сможет восполнить пробелы в существующих нормативах (СП 35.13330.2011 «Мосты и трубы»), снимет ограничения на применение алюминиевых сплавов в несущих конструкциях и поможет сделать их действительно массовым решением на территории России.

Что делать?

Очевидно, что для развития мостостроения на основе алюминиевых сплавов и начала широкого их распространения во всех регионах России в настоящее время необходимо обеспечить продвижение данного решения и предпринять ряд шагов, первостепенными из которых являются следующие.

1. Легитимизация несущих мостовых конструкций из алюминиевых сплавов на уровне стального и железобетонного исполнения для мостов. В этом направлении уже проделана существенная работа — разрабатывается свод правил на алюминиевые пролетные строения, запланированный срок ввода его в действие — IV квартал 2018 г. Помимо этого документа необходимо разработать ряд сопутствующих и вспомогательных нормативов, таких как государственные стандарты на алюминиевые сплавы для мостовых конструкций, а также нормативные документы, регламентирующие требования по эксплуатации, диагностике и мониторингу несущих алюминиевых конструкций.

2. Разработка типовых и модульных алюминиевых пролетных строений для мостов различного назначения. Утверждение широкой номенклатуры типовых проектных решений позволит проектировать, изготавливать несущие конструкции и возводить мостовые сооружения практически любой организации, а не только специализирующейся на алюминиевых сплавах. Это позволит в конечном итоге сократить затраты на проектирование и изготовление несущих мостовых алюминиевых конструкций до 30 % от их стоимости.

3. Подготовка отечественными вузами специалистов, способных осуществлять проектно-конструкторскую деятельность для несущих мостовых конструкций на основе алюминия. К сожалению, современные учебные программы российских технических институтов и университетов не предусматривают или имеют очень ограниченный объем предметов, посвященных несущим конструкциям из алюминиевых сплавов.

4. Развитие компетенций по сварке алюминиевых сплавов. В настоящее время существует технология СТП, которая обеспечивает прочность сварного шва выше основного металла на 25 % (фактически это означает, что разрушение образца при испытаниях происходит по основному металлу, а не по сварному шву), намного технологичнее существующих методов аргонно-дуговой сварки, сварки плавящимся электродом, исключает человеческий фактор и не зависит от квалификации сварщика. Сварка трением с перемешиванием обеспечивает скорость сварки, превосходящую существующие методы до двух раз.

Однако данный метод СТП не учитывается ни одним из нормативных документов, регламентирующих изготовление мостовых конструкций и несущих алюминиевых конструкций. Фактически этот пример встает в ряд других распространенных примеров, когда регламентирующая нормативная база отстает от развития индустрии, техники и технологий и по сути тормозит развитие отрасли в целом.

Разумеется, это далеко не полный перечень задач, стоящих перед отраслью в вопросе продвижения и широкого распространения в России несущих мостовых конструкций из алюминиевых сплавов. Однако решение хотя бы перечисленных первостепенных вопросов позволит существенно продвинуться в популяризации алюминиевых мостов — инновационных и технологически передовых сооружений, во многом превосходящих применяемые в настоящее время материалы.

Литература

• 1. Локшин М. З. Алюминиевые конструкции в мостостроении. Алюминий в строительстве // СтройПРОФИль. 2008. № 6.
• 2. Ищенко А. Я., Подельников С. В., Покляцкий А. Г. Сварка трением с перемешиванием алюминиевых сплавов // Автоматическая сварка. 2007. № 11.
• 3. Road and pedestrian bridges in aluminium, Executive Summary, Report on visits and meetings in Sweden, Holland, and the United States, Aluminium Association of Canada, 2015.
• 4. Tindall P. Aluminium in Bridges // ICE Manual of Bridge Eng. 2008.
• 5. Das S. K., Kaufman J. G. Aluminum Alloys for Bridges and Bridge Decks // The Minerals, Metals & Materials Society. 2007. Р. 61–72.
• 6. Siwowski T. Aluminium Bridges — Past, present and future // Structural Eng. Int. 2006. № 16 (4). Р. 286–293.
• 7. Mader W., Pieper A. Schwansbell Bridge Celebrating 50th Birthday // Structural Eng. Int. 2006. № 4. Р. 356–359.
• 8. Okura I. Application of aluminium alloys to bridges and joining technologies // Welding Int. 2003. № 17 (10). Р. 781–785.
• 9. Roy C., Beaulieu D., Bastien J. Utilisation d’éléments structuraux en aluminium dans les ponts routiers: Etude économique et structurale // Canadian J. Civil Eng. 2001. № 28 (6). Р. 1029–1040.
• 10. Hoglund T., Nilsson L. Aluminium in Bridge Decks and in a New Military Bridge in Sweden // Structural Eng. Int. 2006. № 4. Р. 348–351.