Вантовые мосты удерживают дорожное полотно мощными тросами, которые крепятся к высоким опорным столбам. Такие конструкции – легкие, надежные и недорогие, поэтому их возводят над широкими реками и проливами. А еще они очень красивы и часто становятся популярными достопримечательностями.

Вантовый мост Сутун общей длиной более 8 километров проходит над дельтой реки Янцзы и соединяет два городских округа – Наньтун и Сучжоу. Имя сооружению дали, взяв иероглифы из этих названий и сложив их в новое слово.

Строительство моста продолжалось пять лет – с 2003-го по 2008-й. Когда работы завершились, Сутун стал мировым рекордсменом сразу по трем параметрам. Его основной пролет оказался на тот момент самым длинным в мире среди вантовых мостов: 1088 метров. По этой характеристике Сутун почти на 300 метров превзошел предыдущего «чемпиона» – мост Татара в Японии с 890-метровым основным пролетом.

Главный пилон – столб, к которому крепятся несущие тросы, – установили на два свайных фундамента, которые также стали самыми крупными в мире. Наконец, третьим мировым рекордом моста через дельту Янцзы оказалась максимальная длина вантовых тросов: 577 метров. А по высоте пилонов Сутун на момент открытия уступал только виадуку Мийо во Франции: у китайского моста она составляла 306 метров, у французского – 343.

Мост позволил ощутимо сократить время пути между Наньтуном и Сучжоу. Раньше добраться из одного города в другой можно было за четыре часа, по мосту через Янцзы – всего за час. В первый же день после открытия по шести полосам движения на мосту Сутун проехали более 30 тысяч автомобилей.

Проект сооружения мостов на реке Янцзы между городами Сучжоу и Наньтун реализуется в китайской провинции Цзянсу – быстро растущем промышленном регионе с населением 74 млн человек. В последнее время южная китайская провинция Цзянсу быстро развивалась, но река ограничивала доступ в северную часть провинции, тем самым сдерживая ее развитие. Мост Сутун обеспечил надежную связь между городами Сучжоу и Наньтун.

Общая длина мостов составляет 8,2 км. Эта часть проекта включает мост над главным фарватером (Сутун), мост над специальным фарватером и подъездные пролеты обоих мостов.

Мост над главным фарватером является вантовым, а над специальным – рамным из преднапряженного железобетона со следующим расположением пролетов: 140+268+140 (=548) метров. Подъездные пролеты – это балочные мосты из преднапряженного железобетона с длиной пролетов 75, 50 и 30 (=155) метров. На занимаемом мостами участке имеются два судоходных фарватера, главный и специальный, последним пользуется исключительно порт Наньтун.

Китайские официальные лица гордятся тем, что этот чрезвычайно сложный проект осуществлен усилиями всего Китая без международной помощи в производстве или строительстве. Генеральными подрядчиками по управлению и строительству были главный департамент провинции Цзянсу по строительству моста Сутун (управление проектом) и China Harbor Engineering Company Group (строительство).

Разнообразные экологические факторы и эксплуатационные требования создали чрезвычайно сложные проблемы при проектировании, анализе и строительстве моста:
• требования судоходства – под мостом регулярно проходят большие контейнеровозы и крупные флотилии. Для прохода кораблей отверстие моста должно быть шире 891 метра, а высота – превышать 62 метра. Кроме того, центральный пролет должен быть спроектирован так, чтобы выдержать удар судна водоизмещением в 50 тыс. т;
• плохие погодные условия – в среднем по 30 дней в году в этом районе бывает густой туман, более 120 дней идут проливные дожди; кроме того, здесь дуют сильные ветры, вызванные тайфунами и торнадо. В результате строители должны были придерживаться очень жестких графиков, чтобы завершить работу при благоприятных погодных условиях;
• сложные гидрологические условия – поскольку река Янцзы приливо-отливная, в ней есть течения, имеющие разную скорость, направление и глубину. Волны иногда достигают высоты 3 метра, а течения могут быть достаточно сильными. При приливах и отливах разница в уровне воды может достигать 4 метра. Мост спроектирован так, чтобы под русловой секцией моста средний речной поток проходил со скоростью 4,1 м/с;
• глубокое скальное основание – оно залегает на глубине 270 метров и покрыто осадочными отложениями, песком и илом. Таким образом, для оснований моста необходимо было придумать какое-то особое решение, не предусматривающее бурения скального основания.

Эти проблемы потребовали проведения сложных исследований, в ходе которых были изучены большие смещения (деформации), вызванные множеством различных потенциальных факторов. Особенно важны были исследования динамического поведения конструкции под воздействием ветра, при сейсмической активности и столкновении судов с опорами.

Исследования провели для всего строительного цикла, уделив особое внимание оптимизации предварительного натяжения вант, так как это чрезвычайно важно на всех этапах строительства подвесного моста. Исследования включали:
• оптимизацию распределения сил в вантах – в подвесных мостах натяжение вант требует точной регулировки для достижения идеального распределения сил внутри завершенной конструкции. Как правило, в подобных проектах идеальное конечное состояние предопределяют основные условия, такие как минимальный изгибающий момент в полотне и пилонах моста под постоянной нагрузкой. Эти критерии определяют стратегию регулировки натяжения вант;
• анализ этапов строительства – предварительный анализ всех этапов сооружения моста проводился с помощью модуля AddCon – для достижения необходимого проектировщику оптимального конечного веса конструкции. Модель анализа включала самые разнообразные условия на различных этапах строительства. Проектировщики также исследовали равнозначные статические воздействия дующего в различных направлениях ветра на тех этапах строительства, которые, как предполагалось, будут наиболее проблемными;
• большие смещения – особое внимание команда проектировщиков уделила геометрическим нелинейностям на протяжении всего процесса строительства. Инженеры провели специальное исследование нелинейных эффектов, результатом которого стали примечательные характеристики влияния геометрических нелинейностей. Каждая ванта была разделена на специально разработанные цепные элементы для более точного, чем при использовании модуля Янга, определения провисания ванты. Сравнения показали, что для вантовых мостов длиной более 1000 метров подход с использованием цепных элементов существенно важен для достижения необходимой точности.

Во время строительства серьезные отклонения от проектной формы следовало принимать за величины предварительного прогиба моста, чтобы в конце строительства получить требуемую проектом форму под постоянной нагрузкой, не допуская возникновения запрещенных сил внутреннего напряжения:
• воздействие ветра – проектировщики провели несколько исследований для оценки воздействия сильных ветров:
1. Команда разработала подходящее поперечное сечение мостовой фермы, которое отвечало бы требованиям эксплуатации и несущей способности, а также ветровой нагрузки. Тесты в аэродинамической трубе, проведенные в университете Тонджи, привели к созданию обтекаемой закрытой стальной коробчатой фермы с ветровыми обтекателями.
2. Проектировщики исследовали вибрацию ванты, вызванную воздействием ветра, дождя или периодического возбуждения.
3. Проектировщики произвели полные динамические исследования ветровой нагрузки на конструкцию моста c учетом и без учета движения транспорта. Эти исследования основывались на аэродинамических коэффициентах и других данных, полученных благодаря тестам в аэродинамической трубе. Исследования охватили нелинейные демпферы (гасители колебаний), необходимые для стабилизации вант и соединений балок с пилонами;
• динамическое поведение – в такого рода сооружениях большие смещения, часто обусловленные температурными изменениями, могут происходить как во время строительства, так и при эксплуатации. При анализе эти смещения не следует ограничивать, стараясь избежать перегрузки. В проекте для этой цели и для динамических нагрузок были использованы нелинейные демпферы. Однако эти гасители колебаний не ограничивали смещения, вызванные естественными причинами. Весьма существенным было определение подходящих проектных параметров этих демпферных элементов, в том числе величины зазора, упругой жесткости и динамических характеристик.

Проанализировав различные геотехнические условия на месте сооружения моста, в том числе техническую осуществимость проекта, команда отдала предпочтение проекту двухплоскостного со сдвоенными пилонами вантового моста над главным фарватером реки Янцзы с общей протяженностью пролетов 2088 метров (100+100+300+1088+300+100+100 метров). По две вспомогательных и одной промежуточной опоре были возведены с каждой стороны пролета. Центральный пролет моста равен 1088 метров, и в настоящее время это самый длинный центральный пролет вантового моста в мире.

Ферма моста – это обтекаемая закрытая плоская коробчатая стальная балка. Ее общая длина, включая обтекатели, составляет 41 метр, что соответствует восьми полосам двустороннего движения. Высота поперечного сечения фермы равна 4 метрам. Обычно в продольном направлении коробчатая стальная ферма усилена закрытыми стальными желобами. Перемычки поперечных плит имеют стандартный интервал в 4 метра и меньшие интервалы – до 2,27 метров – в определенном месте вокруг двух пилонов. Стандартный предел прочности конструкционной стали составляет 345 МПа и 370 MПа (мегапаскаль (МПа) – метрическая единица измерения прочности стали; 1 МПа = Н/кв.мм). Толщина краев и усилителей по длине моста меняется.

Два пилона в виде перевернутой буквы Y высотой 300 метров возведены из бетона марки С50 для соблюдения китайского стандарта JTJ01−89. Пилоны поддерживают 36-тонные стальные короба, прикрепленные к бетону срезными штифтами на вершине пилонов для закрепления вант. Анкерные балки между основаниями пилонов полностью постнапряженные, чтобы таким образом получить внешний упор в основаниях пилонов при эксплуатации и сейсмических нагрузках.

Ванты смонтированы в двойные наклонные канатные плоскости со стандартным интервалом 16 метров в центральном пролете и 12 метров около концов задних пролетов вдоль фермы. Для снижения ветровой нагрузки системы вант изготовлены из параллельных проволочных жил, состоящих из проволоки толщиной 7 мм; каждая ванта в поперечном сечении имеет 38,48 мм. Номинальный предел прочности вант – 1,770 МПа. Размеры вант колеблются от PES7−139 для центрального пролета около пилонов до PES7−313 для самой длинной задней опоры. Самая длинная ванта моста имеет длину около 577 метров и весит 59 тонн.

Винтовые висячие сваи поддерживают опоры моста и пилоны, начиная с опоры 1 до опоры 8, имея диаметр от 2,8 метров около вершины до 2,5 метров в остальной части сваи. Каждая из опор 1, 2, 7 и 8 имеет по 19 свай, а опоры 3 и 6 – по 36 свай, и каждая управляется независимо друг от друга. Пилоны для опор 4 и 5 поддерживает 131 свая, их длина колеблется от 108 до 116 метров.

Отдавая предпочтение постоянному соединению фермы с пилонами, проектировщики использовали тот же тип нелинейных демпферов, который применили при строительстве моста Большой Бельт в Дании. Эти гасители колебаний не ограничивают смещение стальной фермы, вызванное температурными изменениями, умеренным ветром, движением транспорта; вместо этого они переносят нагрузки, вызванные порывами ветра, землетрясениями и другими силами, обусловленными особыми комбинациями нагрузок, с фермы на пилон.

Отдавая предпочтение постоянному соединению фермы с пилонами, проектировщики использовали тот же тип нелинейных демпферов, который применили при строительстве моста Большой Бельт в Дании. Эти гасители колебаний не ограничивают смещение стальной фермы, вызванное температурными изменениями, умеренным ветром, движением транспорта; вместо этого они переносят нагрузки, вызванные порывами ветра, землетрясениями и другими силами, обусловленными особыми комбинациями нагрузок, с фермы на пилон.

Динамические характеристики одного демпфера описывает формула F=C·Vα, где:
• V – скорость относительного смещения между пилоном и фермой;
• α – постоянная экспонента, равная 0,4;
• С – константа, равная 3,750 кН/(м/с)0,4.

На каждом пилоне размещены по четыре демпфера с максимальным относительным смещением между фермой и пилонами менее 750 мм в соответствии с требованиями проекта. Для защиты от относительного смещения, превышающего 750 мм, каждый демпфер на пилоне имеет линейную жесткость 100 МН/кв.м.

Структурное моделирование опор осуществлялось в соответствии с запланированными схемами строительства. Каждая ванта была поделена на восемь составных элементов – скорее чтобы оценить последствия провисания ванты, чем приблизительно рассчитать их с помощью эффективного модуля упругости.

Внутри вантовых мостов силы распределяются по всей конструкции с помощью очень специфических регулировок в натяжении вант. Распределение силы в вантах проектируется так, чтобы минимизировать или даже исключить изгибающие моменты в полотне и пилонах моста под постоянной нагрузкой, одновременно избегая существенных различий между любыми двумя соседними вантами.

Транспортная нагрузка на мост Сутун составляет значительную долю в нагрузке на полотно моста и противовесы на задних пролетах. Конечное состояние моста определялось как с учетом, так и без учета движения транспорта. При нагрузке 28 МН/кв.м максимальный момент пилонов был весьма незначителен. Результаты подтверждают пригодность моста для эксплуатации в его конечном состоянии.

Безусловно, мост Сутун – поразительное достижение проектирования и инженерного дела. Проектирование и строительство этого моста обеспечило прекрасную возможность для развития сотрудничества и взаимодействия между многими знаменитыми проектировщиками мостов из Китая и других стран – тем более оправданного в таком быстро развивающемся регионе мира. Самое главное, что мост создал новые благоприятные возможности для людей, живущих вдоль Янцзы.

Мост Сутун воплощает 1000-летнюю мечту жителей Сучжоу и Наньтун на двух берегах реки Янцзы. Единственным способом путешествовать между двумя городами был паром по одному из самых загруженных внутренних водных путей в мире. С момента открытия движения по мосту Сутун время в пути между Сучжоу и Наньтуном сократилось с четырех часов до одного часа. Название моста образовано путём сращения названий Сучжоу и Наньтуна.

Мост Сутун пересекает реку Янцзы вверх по течению от Шанхая и проходит по шестиполосному шоссе. Протяженность моста составляет 8206 метров. Вдоль моста установлены пилоны высотой 306 метров, разделяющие строение на несколько широких пролетов. Центральный пролет имеет протяженность 1088 метров.

После завершения строительства мост установил четыре новых мировых рекорда для вантовых мостов: самый длинный основной пролет – 1088 метров, самая высокая главная башня – 306 метров, два фундамента пилона моста, каждый из которых основан на 131 свае, являются самыми большими из когда-либо построенных и вантовые тросы длиной 577 метров являются самыми длинными из когда-либо созданных.

Общая длина проекта составляет 8206 метров. Главный мост представляет собой двухвантовый плоскостной, двухпилонный стальной коробчато-балочный вантовый мост. Центральный пролет длиной 1088 метров имеет высоту 62 метра, что позволяет проходить контейнеровозам четвертого и пятого поколений в любую погоду. Мост и подходы к нему имеют шестиполосную скоростную конструкцию с максимальной скоростью 100 км/ч.

Две башни моста представляют собой железобетонные конструкции в форме перевернутой буквы Y. Каждая башня имеет одну соединительную балку между опорами. Настил моста представляет собой стальную коробчатую балку с внутренними поперечными и продольными диафрагмами, с обтекателями по обеим сторонам настила моста. Общая ширина палубы составляет примерно 41 метр, включая носовые обтекатели.

При проектировании моста учитывались несколько важных факторов:
Плохой климат: каждый год в этом районе бывает в среднем 30 дней сильного тумана, более 120 дней сильных дождей (тайфунов) и частых торнадо с высокой скоростью ветра.
Сложная гидрология: река имеет различную скорость течения, направление и глубину, поскольку река подвержена приливам – максимальный расчетный средний расход, проходящий через поперечное сечение реки, составляет 4,01 м/с.
Глубокая коренная порода: коренная порода находится на глубине 270 м и покрыта отложениями и илом.
Навигационные требования: контейнеровозы водоизмещением 50000 тонн и крупнотоннажный флот должны проходить под мостом – навигационное разрешение требовало ширины более 891 метра и высоты более 62 метра, а главный мост был спроектирован так, чтобы противостоять удару корабля водоизмещением 50000 тонн.

Этот культовый проект был выбран Американским обществом инженеров-строителей (ASCE) в качестве выдающегося достижения в области гражданского строительства 2010 года в его ежегодной программе наград «Выдающиеся проекты и лидеры» (OPAL). По словам судей, «мост Сутун раздвинул технологические границы строительства большепролетных мостов».