Предложения по строительству эстакадных конструкций и транспортно-пересадочных узлов высокоскоростной магистрали в Санкт-Петербурге

Полный текст

Введение

Известная транспортная проблема в Санкт-Петербурге – перегруженность автомобилями и пробки, возникающие в напряженных местах, включая зоны входа автомагистралей в мегаполис, а также слабое развитие метрополитена и скоростных видов наземного электрифицированного рельсового транспорта [1]. В настоящее время, к сожалению, проектирование и строительство городских и пригородных автомобильных магистралей в транспортной политике Санкт-Петербурга имеет более приоритетный уровень по сравнению с другими видами. Так построен Западный и проектируется Восточный скоростные автомобильные диаметры, рассекающие городские кварталы, загрязняя городскую атмосферу и приводя к экологическому ущербу [2].

В Санкт-Петербургском государственном архитектурно-строительном университете (СПбГАСУ) в рамках студенческих научных исследований по теме «Инновационные предложения по созданию высокоскоростной транспортной системы Санкт-Петербурга», в частности, выполняются инициативные разработки альтернативных предложений по созданию окружной надземной высокоскоростной транспортной магистрали (ВСТМ) [3]. ВСТМ системы «Роса» проектируется на движение высокоскоростных пассажирских электропоездов с максимальной скоростью 500 км/ч, подлежащих разработке с применением технологий Маглев и ЕТТ (Evacuated Tube Transportation) [4–11]. Так в первой авторской статье под названием «К вопросу создания высокоскоростной транспортной магистрали в Санкт-Петербурге», опубликованной в электронном журнале «Транспортные системы и технологии» [3], разработана основная концепция ВСТМ «Роса» и представлены результаты научно-исследовательских работ (НИР) за 2017–2019 гг. по вышеуказанной теме (Ч. 1). Были разработаны: окружная «кольцевая» схема и технологическая система магистрали, жесткая главная балка, представляющая собой составную многотрубную конструкцию с рельсовым путем 1520 мм и пониженным внутренним давлением на скоростных участках в каждой трубе. В области строительных конструкций выполнено вариантное проектирование вантово-стержневых систем с выбором арочно-вантового варианта для эстакадной конструктивной схемы, обеспечивающей жесткую поддержку балки.

В настоящей статье в продолжении данной темы представлены результаты НИР за 2019–2020 гг. (Ч. 2), а именно: модернизация схемы прокладки транспортной магистрали; архитектурная компоновка зданий транспортно-пересадочных узлов (ТПУ); исследование предварительно-напряжения затяжек и вант на снижение основных усилий и деформаций элементов; расчеты конструкций наиболее высокого и нагруженного морского участка.

С целью решения проблем мегаполиса, приводящих к системному градостроительному кризису, угрожающему экологической безопасности, авторы настоящей статьи предлагают максимально отказаться от использования пассажирского автотранспорта, особенно в центральной части Санкт-Петербурга и перейти на экологически чистый городской электрифицированный скоростной транспорт (метро, скоростной трамвай, троллейбус), а также на инновационный высокоскоростной транспорт, допускающий движение пассажирских электропоездов с максимальной скоростью 500 км/ч, преимущественно на технологиях Маглев и ЕТТ (Evacuated Tube Transportation). При этом выход видится в дальнейшем повышении скорости и комфортности общественного транспорта, особенно на электротяге, приближении его остановок к станциям метро, минимизации протяженности внутренних переходов, возведении транспортно-пересадочных узлов и более крупных мультимодальных транспортно-пересадочных комплексов (МТПК). Такие комплексы характеризуются сочетанием транспортных сооружений с объектами социальной, сервисной и торгово-развлекательной инфраструктуры, чем обеспечивается более высокий уровень комфорта и транспортного обслуживания пассажиров.

Из многолетнего опыта компании Transrapid по возведению коммерческих пассажирских Маглев-линий известно, что затраты на строительство инфраструктуры могут составить до 60–80 % от общих затрат [12]. Поэтому основным направлением авторских исследований стала разработка схемы ВСТМ, а также технологической и конструктивной основы магистрали, включая ТПУ, в частности высотных и большепролетных несущих конструкций эстакадного исполнения, обеспечивающих функциональность транспортной системы, надежность конструкций, безопасность для человека и экологии мегаполиса.

Модернизированная схема магистрали

Первичная «кольцевая» схема прохождения ВСТМ предложена в виде многоугольника с транспортно-пересадочными узлами в углах и основана на несущих эстакадных конструкциях арочно-вантового вида, обеспечивающих размещение стальной главной балки с рельсовыми путями с отметкой +88,00 в Балтийской системе высот [3]. Такое высотное положение балки принято в целях снижения шумового воздействия на мегаполис, преодоления многочисленных искусственных и естественных препятствий, повышения антитеррористической защищенности. При этом обеспечивается необходимый горизонтальный уровень путей посредством несущего конструктива магистрали и архитектурно-конструктивного решения зданий ТПУ со спиральными пандусами, обеспечивающими переходы на другой уровень. Первичная схема прохождения ВСТМ изменена в связи с ограничениями, связанными с реконструкцией аэропортов «Левашово» и «Пулково», переносом столицы Ленинградской области в Гатчину, привязкой к проектируемым станциям метрополитена «Стрельна», «Янино» и «Кудрово» (Рис. 1).

Весьма сложным оказался высотный рельеф на разных участках, особенно на севере и востоке магистрали, что потребовало соответствующих изменений с устройством обходных участков. С учетом Федеральных авиационных правил «Требования, предъявляемые к аэродромам, предназначенным для взлета, посадки, руления и стоянки гражданских воздушных судов» неподвижные объекты большой протяженности с истинной высотой над уровнем земли более 50 м, в частности следует обеспечить светоограждением посредством заградительных огней [13].

Вышеуказанные требования наложили дополнительные изменения известной, ранее предложенной, «кольцевой» Схеме [3], которые привели к более «ломанному» характеру и «разрыву» оси новой транспортной магистрали в связи с ограничениями со стороны аэропортов «Левашово» и «Пулково». При этом значительно изменились высоты основного конструктива ВСТМ, которые понизились до 20…50 м на сухопутных участках, обеспечивая значительное сокращение расхода стали и железобетона на конструкции и фундаменты. Горизонтальный уровень рельсового основания балки обеспечен посредством несущего конструктива магистрали и особыми архитектурно-конструктивными решениями зданий ТПУ. При этом благодаря наличию спиральных пандусов ТПУ осуществлен переход рельсового основания на новые отметки и выход в примыкающее здание депо, как правило, размещаемое на отметке земной поверхности.

 

Рис. 1. Новая схема высокоскоростной транспортной магистрали в Санкт-Петербурге (Схема №1)

 

Общая схема новой ВСТМ проявилась в виде ломанной незамкнутой линии с прямыми перегонами и ТПУ в углах (Рис. 1). Она стала более протяженной (183,0 км вместо 147,2 км), количество станций ТПУ существенно выросло (17 против 10), длина прямых отрезков – перегонов стала более дифференцированной (от 6,7 до 19 км). Оптимизирована линия прохождения морского фарватера на надводном участке ВСТМ в акватории Финского залива с выходом нижней точки на ТПУ «Ижора» с обходом Кольцевой автомагистрали (КАД) без вхождения в акваторию Кронштадта. Кроме того, от ТПУ «Кузьмолово» появилась возможность северо-западного ответвления ВСТМ на Выборг и Финляндию (Рис. 1).

Технологическая система магистрали

Предлагаемая новая ВСТМ обеспечивает удобные, быстрые и безопасные высокоскоростные транспортные связи мегаполиса с пригородами и близлежащими поселениями Ленинградской области. ВСТМ относится к внеуличной сети, так как построена на высотных и большепролетных конструкциях на эстакадной основе, которые обеспечивают оптимальное преодоление естественных и искусственных преград, включая высотную высокоплотную застройку.

На Рис. 2 представлены конструктивно-технологические компоненты ВСТМ, относящиеся к основным функциональным зонам. Посредством указанных компонентов обеспечивается работоспособность функциональных зон ВСТМ, характеризующихся как уровнем давления воздуха во внутренней полости транспортных труб, так и соответствующим скоростным режимом движения составов. Для высокоскоростных поездов «Роса» главная балка выполняется четырехтрубной с рельсовым основанием в каждой трубе, включая обратное направление.

Конструктивно-технологическая схема ВСТМ на прямолинейном участке – перегоне между станциями ТПУ «Стрельна» и ТПУ «Петергоф» общей протяженностью 10,2 км, составлена из большепролетных арочных эстакад пролетами 180 м и 360 м, обеспечивающих надежную и безопасную подвеску главной балки (Рис. 3).

Здесь представлен график скоростного движения состава, иллюстрирующий равноускоренный процесс набора скорости V с ускорением a=4,63 м/с² (0,47g) в течение 0,5 мин (30 с) до максимальной скорости V_max=500 км/ч и аналогично – снижения скорости. При этом протяженность зоны разгона для высокоскоростного варианта составляет 2,1 км и аналогично – зоны торможения, а для скоростного варианта при V_max=100 км/ч – 0,835 км соответственно.

 

Рис. 2. Основные функциональные зоны высокоскоростной магистрали: 1 – здание ТПУ с пассажирскими платформами на верхних этажах; 2 – зона входа-выхода поездов в транспортные трубы главной балки; 3 – зона остановки составов в транспортных трубах (пролет 180 м); 4 – зона разгона-торможения состава (пролет 360 м); 5 – направления движения пассажирского городского транспорта

 

Рис. 3. Конструктивно-технологическая система участка магистрали «ТПУ Стрельна – ТПУ Петергоф» c графиком скоростей

 

Расчетная продолжительность этапа № 1 (посадка пассажиров в вагоны состава на платформе ТПУ на станции отправления и его перемещение в зону стоянки в транспортной трубе) назначена равной 0,5 мин (30 с), как и продолжительность следующего этапа № 2 (откачка воздуха до требуемого давления в транспортной трубе) – 0,5 мин (30 с) и разгон – 0,5 мин (30 с). Аналогично назначены условия для второго ТПУ (станция прибытия): торможение – 0,5 мин (30 с), восстановление атмосферного давления в трубе – 0,5 мин (30 с), въезд на платформу в ТПУ и высадка пассажиров – 0,5 мин (30 с). Следовательно, всего по двум этапам на перегон: Т=3 мин (180 с). Соответствующие условия для скоростного варианта заданы при движении с максимальной скоростью V_max=100 км/ч; здесь всего на перегон: Т=4 мин (240 с). В связи со значительным расходом времени на стоянку, разгон и торможение пассажирских составов на коротких участках длиной менее 7 км, доходящего до 95 % от общей продолжительности поездки (табл.1), Схема № 1 была оптимизирована (некоторые ТПУ и самые короткие участки исключены) и преобразована в Схему № 2 (Рис. 4).

 

Рис. 4. Улучшенная схема высокоскоростной транспортной магистрали в Санкт-Петербурге (Схема № 2)

 

Таблица 1. Продолжительность проезда в ВСТМ для двух вариантов Схем и скорости

N	Название станции (ТПУ)	Расстояние между ТПУ (перегон), км		Время проезда при Vmax = 500 км/ч, мин		Время проезда при Vmax = 100 км/ч, мин
		Схема 1	Схема 2	Схема 1	Схема 2	Схема 1	Схема 2
1	Стрельна
		10,2	10,2	3,65	3,65	9,12	9,12
2	Петергоф
		6,9	-	3,25	-	7,14	-
3	Ломоносов
		11,1	18,0	3,76	4,58	9,66	13,79
4	Ижора
		14,3	14,3	4,21	4,21	11,58	11,58
5	Кронштадт
		14,7	14,7	4,19	4,19	11,82	11,82
6	Сестрорецк
		8,5	8,5	3,44	3,44	8,10	8,10
7	Ольгино
		11,9	11,9	3,92	3,92	10,14	10,14
8	Паргалово
		6,8	-	3,14	-	7,08	-
9	Сертолово
		13,9	13,0	4,09	3,98	11,34	10,80
10	Кузьмолово
		6,7	-	3,14	-	7,02	-
11	Девяткино
		10,0	14,4	3,62	4,15	9,00	11,64
12	Всеволожск
		9,0	9,0	3,59	3,50	8,82	8,40
13	Янино (5-й км)
		12,0	12,0	3,86	3,86	10,20	10,20
14	Рыбацкое
		11,0	17,0	3,74	4,46	9,60	13,20
15	Пушкин (Детскосельская)
		19,0	-	4,70	-	14,40	-
16	Красное Село
		17,0	-	4,46	-	13,20	-
17	Павловск	-		-		-
		-	22,0	-	5,14	-	16,21
18	Гатчина (Татьянино)	-
	Всего, мин	183,0	165,0	60,76	49,08	158,22	135,00
	Всего, час			1,01	0,82	2,64	2,25

 

Схема № 2 отличается сокращенным количеством станций ТПУ (13 вместо 17), сниженной на 18 км общей протяженностью и выросшей на 20 % средней длиной перегона, что существенно повышает эффективность высокоскоростного транспорта и сокращает продолжительность поездок. На основе вышеуказанных условий в Табл. 1 представлены результаты вычислений продолжительности проезда на перегонах магистрали для двух схем (Схема № 1 и Схема № 2) и двух вариантов с разными значениями максимальной скорости V_max.

Из Табл. 1 следует, что продолжительность проезда существенно зависит от скорости движения поезда в трубе, так максимальная продолжительность проезда между ТПУ в Схеме №2 не превышает привычных в метрополитене 5 мин для высокоскоростного варианта (V_max=500 км/ч) и привычных для пригородных электропоездов 15 мин – для скоростного (V_max=100 км/ч), при этом средняя скорость для высокоскоростного варианта в Схеме № 2 составляет 201,2 км/ч, а для скоростного варианта – 73,3 км/ч.

Здесь предельное значение ускорения (замедления) принято не превышающим 50 % (0,5 g) от ускорения свободного падения g, что является допустимым для пассажирского транспорта. Известно, что автомобили многих европейских брендов имеют модификации с временем разгона не более 6 с до скорости 100 км/ч с ускорением a=4,63 м/с².

Несомненно, предлагаемая Схема № 2 представляет предварительный вариант организации высокоскоростного пассажирского сообщения, но тем не менее она позволяет ориентировочно оценить его эффективность. Длина каждой транспортной прямой линии между станциями ВСТМ, размещаемыми в ТПУ, принята в интервале 8,5–22 км, что позволит высокоскоростному поезду «Роса» преодолевать каждый перегон всего за несколько минут. ВСТМ обеспечит высокоскоростное окружное перемещение пассажиров как с севера на юг, так и с запада на восток и обратно, минуя основные транспортные пути мегаполиса и проходя над высотной плотной застройкой. Например, продолжительность переезда от ТПУ «Гатчина» до ТПУ «Рыбацкое» со станцией метро «Рыбацкое», составит не более 10 мин, а от ТПУ «Рыбацкое» до ТПУ «Кронштадт», расположенных на схеме диаметрально, всего 27 мин.

Пассажирский состав назначен общей длиной 88 м из 8 вагонов – модулей с общей вместимостью 64 посадочных места и внешне подобен российскому скоростному «Сапсану», но поперечный размер выполнен более узким почти в 1,5 раза. Здесь обеспечен продольный проход с аварийными выходами в первом и последнем вагонах с двухрядной посадкой пассажиров. Цилиндрический транспортный модуль изготовлен на основе металлической трубы с продольным проходом и дверями «крылья чайки», поднимающиеся вверх при посадке – высадке.

Расчетное максимальное количество составов на каждом перегоне на одном пути назначается равным 4 единицам: 3 – в путепроводе (один – на скоростной части и два – в зонах стоянки) и один состав – на платформе в здании ТПУ. Следовательно, общее количество рабочих составов на одном пути ВСТМ составит 48 единицы, не считая резервные, находящиеся на станциях ТПУ с депо.

Расчетный объем пассажироперевозок за сутки для двухпутной высокоскоростной и двухпутной скоростной магистралей составит 208 тыс. пассажиров, а в год – 76 млн пассажиров, который вполне сопоставим с данным показателем для двухпутной линии петербургского метрополитена.

Архитектурно-конструктивные решения зданий ТПУ

Многоэтажные ТПУ, объединяемые с объектами социальной, сервисной и торгово-развлекательной инфраструктуры, представляют собой архитектурные высотные доминанты в районах мегаполиса как многофункциональные узлы. Такие ТПУ, в частности, рассматриваемые в настоящей статье, по определению следует отнести к транспортно-пересадочным комплексам (ТПК), обеспечивающим более высокий уровень комфорта и транспортного обслуживания пассажиров [14].

Для построения устойчивой функционально-типологической модели многофункционального узла необходимо систематизировать функциональные блоки. Основными функциональными блоками являются станции (остановки), представляющие различные виды транспорта.

С учетом моделирования оптимальных технологических связей выявленные типологические модели транспортного узла с точки зрения функционально-пространственных характеристик включают следующие варианты: ориентированные специализированные модели (например, центрическая), линейные модели, модель моста, комплексно-разделенная модель, открытая модель [15].

Центрическая функционально-типологическая модель транспортного HUВ (пространственная и плоскостная), сочетающая разные функции, представляется весьма успешной для построения НUВ с подключением станции метрополитена «Стрельна», (например, ТПУ «Стрельна»), которую планируется подвести в 2035 году (Рис. 5).

 

Рис. 5. Центрическая функционально-типологическая модель транспортного HUВ (пространственная и плоскостная), сочетающая разные функции под номерами [15]

 

Центрическая модель интермодального транспортного узла представляется наиболее компактной и приемлемой. Центральное место в ней занимает коммуникативный блок (единица). Пространство атриума выступает в этой схеме прототипом коммуникативной единицы, что позволяет сочетать различные функции не только на одном уровне, но и с вертикальным разделением. Атриум определяет своеобразное ядро этой модели транспортно-пересадочного узла, вокруг которого формируются другие функции. Данная модель обеспечивает связь между собой всех функциональных блоков, которые в представленной модели эквивалентны по типу связи друг с другом. В этой схеме зеленая зона окружает все остальные функциональные блоки, что делает модель экологически чистой и приемлемой для человека. Доступ к зеленой зоне осуществляется таким же образом из всех функциональных блоков.

При анализе территории предполагаемой застройки, определена площадка для размещения ТПУ «Ижора», предполагающая функциональное объединение существующей железнодорожной станции и проектируемого здания. Здание имеет два функциональных блока: транспортно-пересадочный узел и здание депо, а конструктивная система ТПУ проектируется из стальных конструкций каркасно-ствольной с железобетонными поясами жесткости, с рамно-связевой конструктивной схемой (Рис. 6). Объемная модель транспортных путей, которые решают вопрос перемещения поездов с разных отметок, представлена на Рис. 7.

 

Рис. 6. Конструктивная схема ТПУ «Ижора» с зоной перехода поездов на другие отметки

 

Рис. 7. Спиралевидный пандус ТПУ в зоне перехода поездов на другие отметки

 

Перемещение транспорта осуществляется посредством наклонных во внутреннюю сторону спиралевидных пандусов с механизмами регулирования движения. Пандусы выполнены из спирально закрученных стальных балок, соединенных площадками (плитами).

В здании ТПУ Ижора предусматривается применение диспетчерской централизации и возможность включения в автоматизированную систему управления высокоскоростным железнодорожным транспортом.

Главная балка с предварительным напряжением

В царской России первенство в данном исследовании принадлежит профессору Борису Павловичу Вейнбергу, который 31 марта 1914 года в Санкт-Петербурге представил публичный доклад «Движение без трения» по результатам научной работы в Томском университете. На этой основе были сформулированы основные принципы организации движения пассажирского вагона внутри стальной или стеклянной вакуумированной трубы посредством внутреннего и внешнего электромагнитного полей [16]. Из отечественных изобретателей, предложивших наибольшее количество оригинальных технических решений на уровне патентов с вышеуказанными новшествами в начале ХХI века, первое место несомненно принадлежит ветерану изобретателю Н.Р. Янсуфину [17]. Однако, наиболее полные и совершенные технические решения, приемлемые для реального технического внедрения, были запатентованы американским изобретателем Daryl G. Oster в 1999 году [18]. В настоящей истории эти предложения составили техническую основу для разработки вакуумной транспортной технологии с линейным электродвигателем в Китае [5] и США [19].

В течение ряда лет в России совместно с исследователями ряда зарубежных стран проводятся исследования по теме высокоскоростного движения и разработке технологии Maglev, которые проводятся учеными ряда научно-исследовательских организаций и высшей школы, прежде всего, в Петербургском государственном университете путей сообщения Императора Александра I под руководством проф. А.А. Зайцева [4]. Большое внимание исследователями уделено разработке отечественной версии транспортной системы Hyperloop [20, 21].

Результаты недавних исследований по разработке отечественной системы Hyperloop, показали, что при такой высокой скорости движения на создание вакуума тратится больше энергии, нежели на преодоление сил аэросопротивления в разреженном воздухе [21].

В настоящей статье предлагается авторское техническое решение, которое характеризуется повышенной изгибной жесткостью главной балки путепровода, которая выполнена из 4-х объединенных стальных труб большого диаметра 3,0 м с толщиной стенки 16–30 мм в виде ромба с большей диагональю по вертикали. Между трубами в центре сечения по длине балки расположена продольная коробчатая конструкция с проходом для обслуживания коммуникаций связи, управления и электроснабжения, регулировки предварительного напряжения балки (Рис. 7).

 

Рис. 8. Поперечное сечение главной балки с предварительно-напряженными элементами

 

В каждой трубе главной балки устроена рельсовая колея шириной 1520 мм на всём протяжению пути, как на стоянках, в зонах разгона и торможения, так на основных высокоскоростных участках с целью безопасности, например, при отключении электропитания и потере пониженного давления внутри трубы.

С целью снижения усилий в балке путепровода рассмотрены новые возможности применения элементов предварительного напряжения (ПН), размещаемые в главной балке-путепроводе (Рис. 8). Вантовые элементы конструкции разделены на две основные группы, различающиеся внешним и внутренним ПН [22–23].

К внешним элементам отнесены оттяжки и подвески, выполняющие роль стабилизации системы и передачу нагрузок с балки на другие несущие конструкции, а к внутренним – затяжки, регулирующие усилия и деформации и расположенные вдоль балки путепровода (Рис. 8).

Расчёты выполнены для вариантов схемы как без установки затяжек, так и с их установкой внизу балки путепровода (нижние затяжки) с усилиями ПН N₀ от 1 до 5 МН (Табл. 2). При этом рассмотрены комбинации нагрузок от воздействий природного и технологического характера: собственного веса конструкций (L1), снегового загружения (L2), ветровой нагрузки (L3), воздействий от движения поезда (L4), а также воздействия от сил предварительного напряжения затяжек (L5).

 

Таблица 2. Усилия и прогибы посередине балки

№ п/п	Расчётные комбинации нагрузок	Нижние затяжки	Балка-путепровод
		ПН No, МН	Изгиб. момент M, МН·м	Продол. усилие N, МН	Вертикальное перемещение Z, мм
1	L5	–	-50,83	1,97	569,75
2	L1+L5		-19,55	0,94	175,69
3	L1+0,7L2+0,9L3+L4+L5		91,59	11,68	-235,62
4	L1+L2+0,7L3+0,9L4+L5		80,45	10,92	-186,71
5	L5	1,0	-53,91	0,52	642,02
6	L1+L5		-24,79	-0,52	255,12
7	L1+0,7L2+0,9L3+L4+L5		84,58	10,18	-155,58
8	L1+L2+0,7L3+0,9L4+L5		73,62	9,43	-106,95
9	L5	3,0	-60,11	-2,32	787,04
10	L1+L5		-30,84	-3,40	399,54
11	L1+0,7L2+0,9L3+L4+L5		78,83	7,18	-12,65
12	L1+L2+0,7L3+0,9L4+L5		67,83	6,45	37,04
13	L5	5,0	-66,34	-5,11	932,54
14	L1+L5		-36,93	-6,23	544,45
15	L1+0,7L2+0,9L3+L4+L5		73,02	4,28	131,57
16	L1+L2+0,7L3+0,9L4+L5		61,98	3,56	180,63

 

Полученные результаты для сечения в середине пролета балки путепровода показывают возможность понижения изгибающего момента, продольной силы и перемещений в вертикальной плоскости при создании предварительного напряжения затяжек балки путепровода, что обеспечивает возможность регулирования усилий в основных элементах арочно-вантовой системы в процессе эксплуатации и тем самым существенно снизить металлоемкость проектируемой конструкции.

В связи с отсутствием специальных технических условий на проектирование сооружений для высокоскоростного транспорта предельное значение для прогиба целесообразно назначить равным 1/600 от главного пролета L, как нормируется в нормах по проектированию мостов [24], что дает предельную деформацию или прогиб f_u = 600 мм при L = 360 м для ВСТМ в рабочем состоянии [3].

Таким образом, приемлемым будет создание ПН нижних затяжек с усилием до 5,0 МН на стадиях (L5 – главной сборка балки из секций) и (L1+L5 – установка балки в рабочее состояние на проектную отметку). В связи с симметричным сечением целесообразно выровнять по модулю численные значения изгибающих моментов для верхней и нижней точек поперечного сечения балки, что почти получилось с усилиями ПН N₀ =5 МН (Табл. 2). При этом, благодаря ПН, максимальный момент 91,59 МНм в балке снизился до 73,02 МНм (на 20,3 %), что подтверждает высокую эффективность ПН. Однако возникает необходимость контроля и регулировки уровня ПН в процессе эксплуатации ВСТМ.

Расчеты конструкций морского участка

Для морского участка магистрали, составленного двумя прямыми перегонами между ТПУ «Ижора» – ТПУ «Кронштадт», ТПУ «Кронштадт» – ТПУ «Сестрорецк», характерны максимальные нагрузки, усилия и наибольшие длины колонн на ВСТМ (Рис. 9). Потому, в расчете, помимо типичных нагрузок, учитываемых в наземных частях магистрали, в расчетной схеме будут участвовать ударные нагрузки от навала судов [25], толщи льда и т.д. Предварительно принято решение о прохождении транспортной магистрали над акваторией Финского залива, с длиной участка, кратной пролету 180 м, и спроектировать ВСТМ, чтобы не препятствовать путям прохождения корабельных фарватеров (основной фарватер № 2 на западном участке шириной 156 м и фарватер № 13 на северном шириной 80 м), без «наезда» на дамбу и КАД. Магистраль имеет основной уровень рельсового пути для надземного и надводного опорного базиса, принятый по Балтийской системе высот на отметке +88,00 м. Надземная часть конструкции так же представлена в виде арочно-вантовой многопролетной системы из арок пролетом L=360 м и L=180 м (в крайних пролетах) и высотой более 100 м, поэтому относится к категории высотных и большепролетных сооружений.

Для определения длин колонн магистрали, расположенных непосредственно в водах залива, использованы карты глубин Финского Залива, по которым построены продольные профили магистрали с учетом рельефа местности (Рис. 9).

 

Рис. 9. Продольный профиль магистрали на участке ТПУ Ижора – ТПУ Кронштадт

 

Например, колонна, расположенная вблизи прохождения фарватера, будет иметь максимальную длину 96,0 м, включая подводную часть (без учета глубины заложения свайных фундаментов). Для данного пролета с фарватером № 2 выполнен статический расчет и подбор сечений на действующие нагрузки с учётом предварительного натяжения оттяжек и подвесок, а также с учётом максимальных амплитуд резонансных колебаний систем от динамической составляющей ветровой нагрузки, включая учёт нелинейности, что предусмотрено программным пакетом SCAD.

По результатам расчета, были получены численные значения внутренних усилий и перемещений в элементах магистрали (Рис. 10), прежде всего в главной балке (Табл. 3).

Далее, по полученным значениям усилий и прогибов были подобраны сечения элементов конструкции. В результате в качестве основных несущих элементов были приняты стальные трубы большого диаметра из стали С345. Так главная транспортная балка составлена из четырех труб диаметром 3,0 м с толщиной стенки 16 мм. Колонна и ригели, образующие несущую раму выполнены из стальных труб наружным диаметром 3,8 м с толщиной стенки 25 мм, при этом вертикальные элементы выполнены трубобетонными. Элементы арки запроектированы из труб того же диаметра 3,8 м с толщиной стенки 40 мм. Пилоны запроектированы в виде рамной системы, стойки которой представлены трубобетонными элементами, являющимися продолжением свайной подземной части конструкции. Для сопряжения частей и секций применены болтовые соединения на высокопрочных болтах.

Таким образом, разработаны основные несущие строительные конструкции, обеспечивающие функционирование, требуемую надежность и безопасность ВСТМ.

 

Рис. 10. Номера элементов расчетной схемы

 

Таблица 3. Расчетные усилия в элементах расчетной схемы

№ эл-та	Ni, кН	Mi, кНм
1	-46905,1	-48510,6
2	6950,118	-81629,2
3	7887,439	102999
4	9994,855	129767,3
5	6550,059	-127337
6	-45659,3	-48551,8
7	-44229,7	30715,04
8	-45821,3	31057,04
9	-20706,8	-9265,37
10	-20557,6	-3235,43
11	-22352,1	-3515,69
12	-22215,4	6652,97
13	-23667,6	-4357,59
14	-23969,2	12849,27
15	-20635,5	13097,92
16	1909,339	-
17	1372,681	-
18	5934,48	-
19	5008,292	-
20	5201,706	-
21	5172,264	-
22	1121,762	-
23	1082,73	-
24	1076,467	-
25	1088,211	-

 

В качестве вантовых конструкций приняты оцинкованные канаты маркировочный группы 1670 МПа, диаметром 120 мм, выполняющие роль подвесок и поддерживающих главную балку, канаты диаметром 70 мм, для связей и передачи усилий на балку, а также канаты диаметром 60 мм и площадью сечения, выполняющие роль ветровых оттяжек - вант.

Ориентировочный расход на все стальные элементы большого пролета 360 м, включая колонну-пилон, составил 7714,8 т или 21,43 т на пог. м длины магистрали.

На следующем этапе разработок по данной теме планируется выполнить технический проект по следующим участкам ВСТМ: ТПУ «Гатчина» - ТПУ «Рыбацкое» и ТПУ «Стрельна» - ТПУ «Ижора».

Заключение

1. Представлены результаты инициативных студенческих научных разработок СПбГАСУ по теме «Инновационные предложения по созданию высокоскоростной транспортной системы Санкт-Петербурга», а именно: модернизация схемы прокладки транспортной магистрали; архитектурная компоновка зданий транспортно-пересадочных узлов; исследование предварительно-напряжения затяжек и вант на снижение основных усилий и деформаций элементов; расчеты конструкций наиболее высокого и нагруженного морского участка. На данном этапе разработок предложена новая эффективная схема высокоскоростной транспортной магистрали в Санкт-Петербурге, отличающаяся формой в виде разомкнутого многоугольника с транспортно-пересадочными узлами в углах.
2. Данное предпроектное предложение высокоскоростной транспортной системы, устраиваемой на границах связи Санкт-Петербурга и Ленинградской области, позволит обеспечить эффективную транспортную связь мегаполиса с агломерациями Ленинградской области, обеспечивая для высокоскоростной магистрали расчетный объем пассажироперевозок в сутки, сопоставимым с данным показателем для линии метрополитена.
3. Указанная высокоскоростная транспортная магистраль является весьма актуальным транспортным объектом для Санкт-Петербурга и Ленинградской области; как ожидается, она должна обеспечить высокоскоростное окружное перемещение пассажиров как с севера на юг, так и с запада на восток и обратно, минуя основные транспортные пути мегаполиса, преодолевая естественные и искусственные преграды и проходя над высотной плотной застройкой. Так продолжительность проезда от ТПУ «Рыбацкое» до ТПУ «Кронштадт», расположенных на схеме диаметрально, составит всего полчаса.

 

Авторы заявляют, что:

1. У них нет конфликта интересов;
2. Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей в качестве объектов исследований.

Об авторах

Николай Александрович Сенькин

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: senkin1952@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-7086-1960
SPIN-код: 1344-9412

Кандидат технических наук, доцент. Строительный факультет; Кафедра металлических и деревянных конструкций 

Россия, 2-я Красноармейская ул., 4, Санкт-Петербург

Александр Сергеевич Филимонов

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет

Email: sanya328kms@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-4817-3184
SPIN-код: 8184-8545

Бакалавр, Строительный факультет, Кафедра металлических и деревянных конструкций

Россия, 2-я Красноармейская ул., 4, Санкт-Петербург

Ислам Мурадович Халимбеков

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет

Email: iislamm@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-9448-906X
SPIN-код: 6231-2848

Бакалавр, Строительный факультет, Кафедра металлических и деревянных конструкций 

Россия, 2-я Красноармейская ул., 4, Санкт-Петербург

Анжелика Игоревна Кравец

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет

Email: anzhelika.kravec.98@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6099-7779
SPIN-код: 8648-4778

Бакалавр, Строительный факультет, Кафедра металлических и деревянных конструкций

Россия, 2-я Красноармейская ул., 4, Санкт-Петербург

Дона Сашо Митровска

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет

Email: d.mitrovska@hotmail.com
ORCID iD: 0000-0003-4748-2257
SPIN-код: 4388-8774

Бакалавр, Строительный факультет, Кафедра металлических и деревянных конструкций

Македония, 2-я Красноармейская ул., 4, Санкт-Петербург

Иван Сергеевич Большихшапок

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет

Email: i.bshapok@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-6868-4312

Бакалавр, Строительный факультет, Кафедра металлических и деревянных конструкций

Россия, 2-я Красноармейская ул., 4, Санкт-Петербург

Список литературы

Дополнительные файлы