Площадь пролетных участков нижнего уровня составляет 9000 м², число стальных листов-плит – 500. Поскольку по нижнему уровню проезжают автобусы и большегрузные автомобили, постольку необходимо усиления стальной плиты. Для этого к нижней поверхности плоского стального листа привариваются продольные и поперечные ребра, имеющие разную жесткость, то есть формируется ортотропная плита, цена которой несколько выше цены плоского стального листа из металлопроката.
Масса пролетного участка нижнего уровня протяженностью 0,5км и шириной 18 метров при толщине стальных листов-плит 0,008 м и плотности стали 7,8 т/м³ составляет: 500м х 18м х 0,008м х 7,8т/м³ = 562 тонны.
Пролетные участки верхнего уровня путепровода двустороннего движения протяженностью 500 м в виде стальных листов-плит (6х3х0,008) метра укладываются на стальные двутавровые балки-опоры длиной 18м, высотой по сечению 200мм, шириной – 100мм и закрепляются на продолжении вертикальных опор высотой 4м от уровня первого этажа.
Площадь пролетных участков верхнего уровня составляет 9000 м², число стальных листов-плит – 500. Масса пролетного участка верхнего уровня протяженностью 0,5км и шириной 18 метров при толщине стальных листов-плит 0,008 м и плотности стали 7,8 т/м³ составляет: 500м х 18м х 0,008м х 7,8т/м³ = 562 тонны.
Масса обоих пролетных участков протяженностью каждого из них по 0,5 км и шириной по 18 метров составляет 1124 тонны. Суммарная площадь обоих пролетных участков составляет 18000 м².
Масса пролетного участка межэтажного переезда протяженностью 150м и шириной 4 метра при толщине стальных листов-плит 0,008 м и плотности стали 7,8 т/м³ составляет: 150 м х 4 м х 0,008 м х 7,8 т/м³ = 37 тонн. Площадь пролетного участка переезда равна 600 м². Масса восьми металлических консолей – стальных двутавровых балок длиной 4 м каждая, высотой по сечению 200мм и шириной 100мм составляет 0,7 т, поскольку для данного типа двутавровой балки масса балки протяженностью 44,7 м составляет 1 т. Масса продольной балки длиной 150 м составляет 3 тонны. Общая масса стального межэтажного переезда, – 41 т. Суммарная масса четырех переездных участков путепровода составляет 164 т, а площадь, – 2400 м².
Масса въезда (съезда) с наземного уровня на уровни путепровода протяженностью 100 м и шириной 4 м при толщине стальных листов-плит 0,008 м и плотности стали 7,8 т/м³ составляет: 100 м х 4 м х 0,008 м х 7,8 т/м³ = 25 т. Площадь пролетного участка въезда (съезда) равна 400 м². Масса всех восьми участков въезда и съезда составляет 200 т, а площадь – 3200 м².
Общая масса этих дополнительных участков равна 346 тоннам, площадь – 5200 м².
Диаметр вертикальных опор-колонн 300 мм, толщина стенки 20 мм, сечение – 17600 мм². Число опор-колонн под нижним уровнем – 18. Их высота от уровня земли колеблется от 2 до 7,2 м и в среднем составляет 5 м. Число опор-колонн, удерживающих верхний уровень, равно 18. Их высота составляет 4 метра от нижнего уровня путепровода, их масса – 4т. Число опор-колонн, удерживающих 8 въездов и съездов составляет 16. Их высота от 4 до 2 метров, в среднем 3 м. Общая длина колонн в среднем составляет 148 м. С учетом части колонн, которая находится в фундаменте, длина колонн возрастает до 208м и масса всех колонн составляет 10 тонн.
Количество двутавровых балок – продольных опор нижнего уровня определяется числом их рядов (семь рядов). Общая протяженность двутавровых балок определяется их длиной и количеством рядов: в каждом ряду 10 пятидесятиметровых продольных опор. Стало быть, их общая протяженность равна 3500м.
Девять поперечных восемнадцатиметровых опор-балок имеют длину 162 м, общая длина балок – 3662 м. Совокупная длина балок-опор для двух уровней путепровода составит 7332 м. Два ряда продольных опор-балок восьми въездных и съездных участков имеют общую длину 1600 метров, 16 поперечных балок – 64 м. Всех балок-опор, продольных и поперечных, -1664 м. Один ряд продольных опор-балок межэтажного переезда имеет длину 150 м, 8 балок-консолей – 32 м: всего – 182 м. Их длина для четырех переездов составляет 768 м. Общая протяженность поперечных и продольных опор составляет 9764 м. Исходя из того, что 44,7 м двутавровой балки указанного размера весит одну тонну, вес 9764 метров балок равен 220 т.
Общая площадь пролетных участков полукилометрового двухуровневого путепровода двустороннего движения на основе металлопроката составляет 23200 м².
Общая масса стальных блоков и элементов путепровода составляет порядка 1700 т. При цене одной тонны стального проката $1000 себестоимость стальных блоков и элементов путепровода составит $1,7млн.
Масса блоков путепровода, составляющая нагрузку на опоры-колонны, равна 1470т.
Пролетные участки путепровода покрываются, как минимум, пятисантиметровым слоем дорожного покрытия – сталефибробетоном. Общая площадь пролетов путепровода равна 23200 м². Объем сталефибробетонного покрытия – 1160 м³, масса – 2900 т, стоимость при цене кубометра сталефибробетона $300 равна $0,35 млн.
С учетом массы дорожного покрытия из сталефибробетона, масса путепровода составит 4600 т, а расходы на материалы, – $2,05 млн.
Масса конструкций путепровода, оказывающих нагрузку на вертикальные опоры составит 4370т.
Покрытие открытых стальных поверхностей площадью около 23200 м² антикоррозионным составом со средней стоимостью порядка $10 за квадратный метр можно оценить в сумму $0,232 млн. А монтаж гидроизоляции на той же площади с той же стоимостью можно оценить в сумму $0,232 млн.
Сверху пролетные участки накрыты пластиковой крышей из негорючего материала, площадь которого составляет 13000 м². Его себестоимость при средней цене пластика $10 составляет $0,13 млн.
34 фундамента (1х1х2) метра для опор путепровода потребуют 68 м³ бетона стоимостью $20,0 тыс.
Общая стоимость конструкций и материалов, используемых при сооружении путепровода и приведенных выше, составит порядка $2,66млн.
Остальные расходные статьи на установку эстакады включают в себя доставку готовых блоков; сборку; аренду кранов, других механизмов и оборудования; проведение предварительных геодезических и других вспомогательных работ.
Известно, что цена доставки кубического метра бетона на расстояние 51-55 км автотранспортном составляет 1000руб. ($33). Таким образом, доставка 1120 м³ бетона от завода до места монтажа и установки путепровода обойдется в $0,038 млн. Доставка около 1700 тонн металлических конструкций при цене доставки тонны автотранспортом на расстояние порядка 650 км $50 стоит порядка $0,085 млн. В сумме доставка конструкций и материала обойдется в $0,117 млн.
Сборку путепровода-эстакады вместе с въездами, съездами, переездами при наличии необходимого оборудования и механизмов могут осуществить за один месяц 20 специалистов при выплате им в совокупности $100 тыс.
Аренда механизмов, включая кран, и остального оборудования на один месяц обойдется в сумму порядка $100 тыс.
Стоимость вспомогательных работ можно оценить в сумму около $100 тыс.
С учетом указанных статей расходов затраты на сооружение данного путепровода составят: $2,664 + $0,117 + $0,300 = $3,08млн.
Масса двухуровневого путепровода с восемью полосами движения на основе металлопроката, являющаяся нагрузкой 18 стальных колонн диаметром 30 см, сечением 17600 мм², составляет около 4370 тонн. То есть на общую площадь колонн-опор по сечению 316800мм² действует 43700000 ньютонов. Таким образом, один квадратный миллиметр несущих элементов конструкции подвергается давлению 138 н/мм². При пределе прочности стали 600 н/мм² конструкция имеет 4-кратный запас прочности.
На нижнем уровне рассматриваемого путепровода может одновременно находиться в движении до 120 грузовых автомобилей, весящих в среднем по 10 тонн. То есть, всего 1200 тонн.
На верхнем уровне может находиться в движении около 120 легковых автомобилей, каждый из которых в среднем весит 2 т.
Если учесть их массу, которая составит 1480 тонн, то конструкция с дополнительной нагрузкой в виде автомобилей и общей массой 5850 т, подвергаясь максимально возможной нагрузке, сохраняет запас прочности, близкий к 4.
Следует отметить, что, не противореча имеющимся стандартам и нормам, можно существенно (до 60%) уменьшить массу путепровода и его стоимость за счет исключения сталефибробетонного дорожного покрытия, заменив его на новые композитные покрытия из угле– или стеклопластика.
Двухэтажный путепровод облегченной конструкции на основе металлопроката, устанавливаемый на переездах через скоростные железнодорожные трассы загруженных малополосных дорог.
Экономическая оценка
Для большинства стран весьма актуальной является решение задачи пересечения скоростных железнодорожных магистралей, а также скоростных автомагистралей (хайвеев) второстепенными дорогами, поскольку строить дорогостоящие фундаментальные эстакады или пробивать под насыпью туннели для многочисленных пересечений второстепенными дорогами скоростных магистралей весьма накладно. Однако устанавливать путепроводы все же необходимо, и не только для целей улучшения коммуникации, но и для безопасности населения, во избежание довольно значительного числа ежегодных катастроф и аварий на наземных переездах со шлагбаумами. Например, в России только на трассах курсирующего ныне скоростного поезда "Сапсан" таких переездов насчитывается около 600.
Если учесть, что в России более 11 тысяч железнодорожных переездов, на Украине их насчитывается почти 6 тысяч, причем, большая их часть относится к второстепенным автодорогам, то дорогостоящими и долго строящимися железобетонными путепроводами и мостами заменить все наземные переезды нереально.
Правда, известна паллиативная технология, которая делает, как кажется, полностью невозможным въезд на переезд на красный свет светофора. Речь идет о так называемых барьерных установках. Они представляют собой специальные металлические листы, которые поднимаются под углом перед автомобилем на высоту 40 см, блокируя выезд. Однако тяжелые грузовики могут все равно пробить это заграждение, его также можно объехать, а пешеходам, велосипедистам и мотоциклистам они совсем не помеха. Кроме того, особенно на оживленных скоростных железнодорожных трассах, поезда идут практически непрерывно. Поэтому неизбежны значительные задержки автомобильных потоков на оборудованных барьерными установками переездах и соответствующие экономические потери.
Таким образом, требуется сравнительно недорогая (наиболее дешевые путепроводы строятся на Украине, но и они стоят порядка $4 млн.), быстро устанавливающаяся, надежная, легкая конструкция, обеспечивающая безопасный, быстрый переезд через железную дорогу или автомагистраль автобусов, грузовиков, легковых автомобилей, велосипедов и переход пешеходов, а также имеющая достаточно большую пропускную способность, чтобы быстро и без возникновения заторов и пробок пропускать автотранспорт в периоды его интенсивной циркуляции.
Такой конструкцией мог бы служить стальной одноуровневый мост, перекинутый через железнодорожные пути. Однако он имеет те же недостатки, что и одноуровневая железобетонная эстакада-путепровод: высокая стоимость, низкая пропускная способность и невозможность организации по нему движения без образования заторов и пробок.
Наш подход к решению этой проблемы основывается на оригинальном техническом решении . Низкая стоимость, простота, эффективность и надежность нового дорожного сооружения обеспечивается использованием двухуровневого путепровода с межэтажным переездом на основе недорогого черного металлопроката, покрываемого на открытых участках антикоррозионным составом, с дорожным покрытием из сравнительно тонкого слоя сталефибробетона. Пролетные участки из стальных листов толщиной 8 мм настилаются на фермы или балки, которые регулярно устанавливаются на опорах-трубах. Пролетные участки на обоих межэтажных переездах шириной 4 метра для проезда на второй уровень легковых автомобилей монтируются на балках-консолях. На каждом уровне этого путепровода двустороннего движения расположены по две полосы движения и по две буферные (резервно-технические полосы) каждая шириной 3 метра. Ширина путепровода 12 метров, а с учетом межэтажных переездов и съездных участков со второго уровня его ширина составляет порядка 20 метров. Максимальная высота нижнего уровня путепровода (расстояние от уровня железнодорожного полотна до нижнего уровня путепровода) равна 7,2 метра. Межэтажная высота, достаточная для проезда трейлеров и автобусов, – 4 метра. Над вторым уровнем на высоте 2,5 метра, которая достаточна для проезда легковых автомобилей, для чего и предназначен второй уровень, монтируется легкий навес из негорючего пластика для защиты пролетных участков от дождя и снега. Велосипедные дорожки и дорожки для пешеходов на нижнем уровне огораживаются на краях буферных полос. Пролетные участки покрываются не менее чем пятисантиметровым слоем дорожного покрытия из сталефибробетона. Открытые поверхности конструкции покрываются антикоррозийной пленкой. Протяженность межэтажного переезда – 150 метров, верхнего уровня и съезда с него – 250м. Длина первого этажа путепровода – порядка 380 метров, а с учетом переездов и съездов, выходящих за пределы первого этажа для путепровода двустороннего движения, не менее 580 м. Уклон участков подъема и спуска – не более 4%.
Проезд по путепроводу автотранспорта осуществляется следующим образом. Автомобили въезжают на путепровод, и на расстоянии не более 100 метров от въезда разделяются на два потока. Первый поток состоит из грузовых автомобилей, автобусов, трейлеров, тракторов. Он следует по полосе движения нижнего уровня. Второй поток, состоящий из легковых автомобилей и мотоциклов, в случае загруженности полосы движения нижнего уровня, переезжает на буферную полосу и с нее поднимается на второй уровень, проезжает по нему и спускается по съезду на буферную полосу, переезжая с нее на полосу движения дороги.
В результате, эта конструкция обеспечивает следующее:
– с помощью межэтажного переезда отделяет поток легковых автомобилей, которые могут быстро проехать по второму уровню, от медленно движущегося грузового транспорта;
– при пропускной способности одной полосы движения, которую обеспечивает эта конструкция, – до 2000 автомобилей в час на скорости движения не менее 30 км/час – по четырем полосам движения путепровода может проехать 8 тысяч автомобилей в час или 192 000 автомобилей в сутки. Это примерно на порядок больше, чем у обычного одноуровневого путепровода, что актуально для густонаселенных регионов с высокой степенью автомобилизации населения;
– наличие буферных (резервно-технических) полос, которые, как кажется, только удорожают конструкцию и делают ее громоздкой, выполняет определенную роль: они обеспечивают свободный переезд автомобилей на другой уровень без торможения автомобильного потока на полосе движения, а также обеспечивают объезд мест возможных аварий автомобилей, сохраняя непрерывность движения автопотока и не допуская образования пробок.
В силу простоты конструкции, состоящей из сравнительно немногочисленных типовых элементов, изготавливаемых из металлопроката, число уровней путепровода может быть увеличено или уменьшено, он также может быть расширен.
Для согласования пропускной способности путепровода-эстакады с пропускной способностью соединяемых частей трассы пересекающей железнодорожные пути, желательно, чтобы число полос движения на этой трассе было не меньше числа полос движения на путепроводе.
Пролетные участки нижнего уровня путепровода двустороннего движения протяженностью 380 м в виде стальных листов-плит (6х3х0,008) метра укладываются на стальные двутавровые балки-опоры длиной 12 м, высотой по сечению 200 мм, шириной – 100 мм и закрепляются на вертикальных опорах – металлических колоннах – высотой от 2 до 7,2 метров диаметром 30 см, толщиной стенки 20 мм, которые располагаются на расстоянии 50 метров друг от друга продольно и на расстоянии 12 метров друг от друга поперечно. Кроме того, частью конструкции этих колонн (опор) является их фундаменты глубиной около 2 метров.
Площадь пролетных участков нижнего уровня составляет 4560 м², число стальных листов-плит – 254. Поскольку по нижнему уровню путепровода проезжают автобусы и тяжеловесные автомобили, постольку необходимо усиление стальной плиты. Для этого к нижней поверхности плоского стального листа привариваются продольные и поперечные ребра, имеющие разную жесткость, то есть формируется ортотропная плита, цена которой несколько выше плоского стального листа.
Масса пролетного участка нижнего уровня протяженностью 0,38 км и шириной 12 метров при толщине стальных листов-плит 0,008 м и плотности стали 7,8 т/м³ составляет: 380 м х 12 м х 0,008 м х 7,8 т/м³ = 285 тонн. Площадь пролетного участка – 4560 м².
Масса пролетного участка межэтажного переезда протяженностью 150 м и шириной 4 метра при толщине стальных листов-плит 0,008 м и плотности стали 7,8 т/м³ составляет: 150 м х 4 м х 0,008 м х 7,8 т/м³ = 37 тонн. Площадь пролетного участка переезда – 600 м². Масса восьми металлических консолей – стальных двутавровых балок длиной 4 м каждая, высотой по сечению 200 мм, шириной – 100 мм составляет 0,7 т. Масса продольных балок длиной 150 м составляет 3 тонны.
Суммарная масса двух переездных участков составляет 82 т, а площадь их пролетных участков, – 1200 м².
Масса пролетного участка для движения в одну сторону второго уровня и съезда протяженностью 150 м и 100 м соответственно и шириной 6 метров при толщине стальных листов-плит 0,008 м и плотности стали 7,8 т/м³ составляет: 250 м х 6 м х 0,008 м х 7,8 т/м³ =93,6 т. Площадь пролетного участка – 1500 м². Масса второго уровня путепровода двустороннего движения и двух его съездов составляет 187 т, а площадь – 3000 м². Отметим, что второй уровень путепровода и съезды с него, а также межэтажные переезды предназначены для легковых автомобилей, которые в среднем в несколько раз легче грузовиков. Поэтому допустимо использовать стальные листы-плиты в качестве основы пролетов без ребер жесткости.
Диаметр вертикальных опор-колонн 300 мм, толщина стенки 20 мм, сечение –17600 мм². Число опор-колонн, удерживающих нижний уровень путепровода составляет 14, и их высота от наземного уровня колеблется от 2 до 7,2 м. Число опор-колонн, удерживающих верхний уровень, равно 8 и высота их составляет 4 метра, число опор-колонн, удерживающих съездные участки, составляет 6 м, а их высота 2 – 4 м. Масса всех колонн с учетом их фундаментной части составляет 9 т.
Протяженность двутавровых балок – несущих элементов конструкции нижнего уровня составляет – пять рядов и в каждом ряду 7 пятидесятиметровых и одна тридцатиметровая опора – 1900 м. Семь поперечных двенадцатиметровых опор-балок имеют длину 84 м. Три ряда продольных опор-балок верхнего уровня для одностороннего движения и одного съездного участка имеют общую длину 750 метров, а пять поперечных балок – 30 м. Для верхнего уровня двустороннего движения и двух съездов протяженность трех рядов продольных опор равна 1500 м, поперечных – 60 м. Один ряд продольных опор-балок межэтажного переезда имеет длину 150 м, 8 балок-консолей – 32 м. В совокупности – 182м. Их длина для обоих переездов составляет 364 м. Общая протяженность поперечных и продольных опор составляет 3908 м. Известно, что 44,7 м двутавровой балки указанного размера весит одну тонну. Соответственно вес 3908 метров балок – 87 т.
Общая площадь пролетных участков двухуровневого путепровода двустороннего движения – 8760 м².