Constructive and technological proposals for the creation of a high-speed transport and energy highway in the arctic zone

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Выдающийся экономист и организатор в области развития транспортных технологий профессор Анатолий Александрович Зайцев (06.02.1940–13.02.2022) однозначно определил будущее за магнито-левитационной транспортной технологией, которая обеспечит создание общенациональной системы сверх- и высокоскоростного надземного пассажирского и грузового транспорта. Такая транспортная система будет иметь неоспоримые преимущества перед другими транспортными технологиями в ускорении перевозок, что приведет к значительному социальному и экономическому эффекту [1].

Одним из самых грандиозных проектов нашего новейшего времени станет создание трансконтинентальной высокоскоростной магистрали через Берингов пролив.

Известны несколько значимых попыток по строительству транспортных магистралей через Берингов пролив от времени Императора Николая Александровича Романова, высочайше одобрившего предложение о строительстве Сибирско-Аляскинской железной дороги от мыса Принца Уэльского на Аляске в Иркутск, до времен современных, когда на Международной конференции в Москве в 2007 году была поддержана идея строительства «Трансконтинентальной Магистрали Евразия – Америка через Берингов пролив» [2] с целью формирования единой глобальной сухопутной транспортной сети со связью транспортных и энергетических систем Евразии и Америки. Кроме того, в марте 2015 года Президент РАН В.Е. Фортов (1946–2020) передал главе государства В.В. Путину четыре больших масштабных проекта, нацеленных на глобальное развитие страны, включая предложения по строительству скоростной железной дороги через Сибирь с выходом на Берингов пролив. Этот проект «Развитие», позволит решить многие проблемы огромного региона Сибири и Дальнего Востока [3].

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) [4]. Городские ВСТМ системы «Роса» будут запроектированы на движение высокоскоростных пассажирских электропоездов с максимальной скоростью 500 км/ч с применением технологий Маглев и ЕТТ (Evacuated Tube Transportation) [4–17]. Так в первой авторской статье под названием «К вопросу создания высокоскоростной транспортной магистрали в Санкт-Петербурге», опубликованной в электронном журнале «Транспортные системы и технологии» в 2019 году, разработана основная концепция ВСТМ «Роса» и представлены результаты научно-исследовательских работ (НИР) за 2017–2019 гг. по вышеуказанной теме (Часть 1). Разработана окружная «кольцевая» и технологическая системы магистрали, жесткая главная балка путепровода, представляющая собой составную многотрубную конструкцию с рельсовым путем 1520 мм и пониженным внутренним давлением на скоростных участках в каждой трубе, составляющим 1/10 от нормального атмосферного. В области строительных конструкций выполнено вариантное проектирование вантово-стержневых систем с выбором основного арочно-вантового варианта эстакадной конструктивной схемы, обеспечивающего жесткую поддержку балки путепровода.

В следующей статье «Предложения по строительству эстакадных конструкций и транспортно-пересадочных узлов высокоскоростной магистрали в Санкт-Петербурге» в 2021 году в продолжение данной темы представлены результаты НИР за 2019–2021 гг. (Часть 2), а именно: модернизация схемы прокладки транспортной магистрали; архитектурная компоновка зданий ТПУ; исследование предварительного напряжения затяжек и вант на снижение основных усилий и деформаций элементов; расчеты конструкций наиболее высокого и нагруженного морского участка.

В третьей статье [4] по итогам исследований 2021–2022 годов (Часть 3) выполнен анализ влияния наклона транспортной магистрали на внутренние усилия в элементах, исследования эстакадных конструкций и транспортно-пересадочных узлов высокоскоростной магистрали для применения на Арктических участках при скорости движения на грузовых путях до 160 км/ч и пассажирских – до 1000 км/ч включительно.

В настоящей статье по результатам НИР 2022–2023 гг. (Часть 4) предлагается дальнейшее развитие транспортной магистрали, основная часть которой прокладывается в Арктической зоне страны. При этом в ее структуре по всей протяженности на общих несущих конструкциях предусматривается прокладка воздушной линии электропередачи напряжением 330 кВ (ВЛ 330 кВ) с подключением к основным электрическим сетям на севере страны, включая плавучую электростанцию «Академик Ломоносов» в порту Певек. Кроме того, южнее г. Гатчина (Ленинградская обл.) предлагается построить большой ТПУ с депо, где к АТЭМ предполагается подвести городскую ВСТМ из Санкт-Петербурга.

НОВАЯ СХЕМА АРКТИЧЕСКОЙ ТРАНСПОРТНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ МАГИСТРАЛИ

Развитие арктических регионов нашей страны является одним из наиболее перспективных путей развития экономики России, в связи с большими запасами природных ископаемых и высокими туристическими перспективами. Данная гипотеза подтверждается планом развития Северного морского пути (СМП), принятым в 2022 году [18, 19]. СМП на сегодняшний день является практически единственным доступом к ресурсам Арктического шельфа и побережья. Его развитие приведет к увеличению рабочих мест и численности населения Крайнего Севера, развитию международных связей, морского транспорта и показателей экономического роста.

Инновационная сверхскоростная АТЭМ, изображенная на Рис. 1, представляет собой уникальное техническое решение, приводящее к синергетическому единству современной технологии и «ранимой» природы Крайнего Севера, что обеспечит его устойчивое развитие, повышение жизненного уровня местного населения и высокие инвестиции в развитие арктических регионов.

 

Рис. 1. Общий вид АТЭМ с ТПУ «Колымский залив»

Fig. 1. General view of the artic energy transportation highway (AETH) with the «Kolyma Bay» interchange hub (IH)

 

Основная идея Арктической магистрали заключается в том, чтобы создать наиболее короткий и прямой маршрут через Арктику, который позволит обойти длинные и загруженные проливы Северного Ледовитого Океана, такие как Лонга, Поморский, и сократить расстояние между Европейской и Азиатской частями России и Аляской. Указанное обстоятельство будет способствовать повышению безопасности функционирования ледокольного флота, а также развитию межконтинентальной торговли, улучшению доступности ресурсов и повышению экономического потенциала Арктических регионов.

Арктическая магистраль позволит сократить время и стоимость перевозки грузов между Азией и Европой, открыв новые перспективы для торговли и экономического развития региона. Проект предусматривает строительство новых портов, развитие инфраструктуры и создание специализированных ледоколов, способных обеспечивать безопасную навигацию даже в самых сложных ледовых условиях.

Реализация предложенного проекта позволит решить основную проблему Северного морского пути – обеспечение безопасности населения и персонала ледокольного флота. При надежной круглосуточной и высокоскоростной эксплуатации магистрали закрываются вопросы эвакуации рабочего персонала, экстренной транспортировки ремонтных бригад при чрезвычайных происшествиях на объектах шельфа и побережья Ледовитого океана. Обеспечивается быстрое реагирование на аварии, что приведет к минимизации необратимых последствий и финансовых затрат.

Магистраль планируется начать на базе контейнерного флота в Усть-Луге, а дальше она пройдет по Ленинградской, Вологодской, Архангельской областям, далее через Заполярный регион, Сибирь и Чукотку она должна прийти к Берингову проливу. Авторами настоящего исследования также предложено провести арктическую магистраль далее до Аляски. Реализация предложенного проекта приведет к развитию береговой, электроэнергетической и аварийно-спасательной инфраструктур, за счет обеспечения транспортной доступности отдалённых районов.

В рамках представленного исследования была разработана новая схема АТЭМ. Предложенное ранее решение схемы [4] потребовало доработки в части уточнения расположения транспортно-пересадочных узлов. Предлагаемая схема позволяет сократить время в пути от начала до конца маршрута, а также снизить стоимость реализации проекта.

Горная местность значительно усложнила прокладку АТЭМ, приводя к необходимости более частого расположения пересадочных узлов, например, в районе Северо-Сибирской низменности из-за необходимости огибания хребтов и речных каналов, что невозможно сделать изменением уклона самого путепровода. Диаграмма высот представлена на Рис. 2.

 

Рис. 2. Диаграмма высот (развертка линии рельефа Усть-Луга – Fairbanks)

Fig. 2. Elevation diagram (Ust-Luga – Fairbanks relief line sweep)

 

Новое расположение магистрали диктуется не только сложными условиями горного рельефа, но и необходимостью размещения ТПУ вблизи крупных портов и поселений на прибрежных арктических территориях.

 

Рис. 3. Общий вид АТЭМ (АТЭМ – синяя линия, трасса ВЛ 330 кВ от Певека – красная, ВСТМ Санкт-Петербурга: ТПУ «Рыбацкое» – ТПУ «Гатчина» – желтая линия)

Fig. 3. General view of the AETH (AETH – blue line, 330 kV overhead line route from Pevek – red line, St. Petersburg VSTM: IH Rybatskoye – IH Gatchina – yellow line)

 

В данной статье представлен новый вариант схемы АТЭМ, отличающейся сокращением протяженности пути с 9683 км [4] до 9524 км, что приведет к снижению продолжительности поездки и инвестиционных затрат за счет исключения некоторых транспортно-пересадочных узлов с 43 [4] до 40 единиц. Таким образом, время в пути по новой схеме прокладки при скорости 160 км/ч для грузов составит 61,2 ч, а для пассажиров – 500 км/ч – 20,5 ч, 1000 км/ч – 10,83 ч. На Рис. 3 представлена линия АТЭМ с расположением ТПУ от Усть-Луги до Аляски.

На данном этапе удалось решить проблему сложного рельефа за счет обхода высоких гор. В перспективе развития транспортного и горного строительства возможен вариант преодоления гор напрямую [20–23], например, прокладкой туннелей, и, как следствие, сокращение протяженности пути за счет спрямления и исключения из состава магистрали некоторых ТПУ.

 

Рис. 4. Основная технологическая структура транспортно-энергетической магистрали (элементы и варианты) 1 – балка-путепровод; 2 – многопролетная эстакада; 3 – здание ТПУ с кольцевым пандусом, позволяющим подъем-спуск состава по вертикали при движении по спирали (вариант 1); 4 – то же, с Т-образным перекрестком (вариант 2); 5 – здание ТПУ с кольцевым перроном для разворота составов (вариант 3); 6 – то же, для поворота магистрали (вариант 4); 7 – здание депо; 8 – состав из транспортных модулей; 9 – перрон для посадки и высадки пассажиров; 10 – спиральный пандус; 11 – опорные колонны здания ТПУ с лестницами и лифтами; 12 – ответвление путепровода; 13 – воздушная линия электропередачи; 14 – кабельная линия электропередачи; h – высота положения балки-путепровода относительно земной поверхности; Н – перепад высот по высоте между двумя положениями балки-путепровода магистрали

Fig. 4. Basic technological structure of the transportation-energy highway (elements and variants) 1 – beam-putway; 2 – multi-span trestle; 3 – IH building with a circular ramp that allows the train to be lifted and lowered vertically when traveling in a spiral (variant 1); 4 – the same, with T-junction (variant 2); 5 – IH building with a circular apron for turning trains (variant 3); 6 – the same, for turning the main line (variant 4); 7 – depot building; 8 – train of transportation modules; 9 – apron for passenger boarding and disembarkation; 10 – spiral ramp; 11 – supporting columns of the IH building with stairs and elevators; 12 – overpass branch; 13 – overhead power transmission line; 14 – cable power line; h – height of the position of the beam-puteprovod relative to the ground surface; H – height difference in height between two positions of the girder-puteprovod of the main line

 

На Рис. 4 представлена основная технологическая структура транспортно-энергетической магистрали [4].

Согласно ранее предложенным конструктивным решениям [4], пролетные строения путепровода поддерживались арочно-вантовыми системами. Указанное решение не приемлемо в условиях Арктики по причине значительных гололедных образований на строительные конструкции, создающих нерасчетные нагрузки на вантовые элементы, поэтому потребовалась разработка принципиально новых решений, отличных от вантовых.

КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ АТЭМ

Разработка конструктивно-технологических решений, обеспечивающих функционирование, требуемую надежность, безопасность, а также снабжение электроэнергией арктических регионов и транспортного оборудования является основным направлением при конструировании несущих конструкций АТЭМ. Для приближенного учета особых полярных условий при проектировании сооружений АТЭМ расчетный климатический район в выполняемых ниже проектах принят на один выше [24, 25]. Например, для порта Певек назначается расчетный ветровой район V, на один район выше нормативного IV района по Картам районирования, прилагаемым к СП 20.13330.2016 (с Изм.1–4) «Нагрузки и воздействия». Кроме того, на устраиваемой одноцепной воздушной линии (ВЛ) электропередачи напряжением 330 кВ (ВЛ 330 кВ) в составе АТЭМ устроены четыре фазы (одна резервная) с целью обеспечения высокой надежности электроснабжения транспортного оборудования.

Далее, для выбора оптимального решения конструктивной основы магистрали, а именно высотных и большепролетных несущих конструкций, поддерживающих балку путепровода и опоры ВЛ 330 кВ, выполнены расчеты с подбором сечений четырех вариантов конструкции АТЭМ, исключающих вантовые элементы (оттяжки и внешние затяжки). В первом варианте будут применены два компактированных провода в фазе типа АСПк 300/39 с треугольной решеткой связей, соединяющей две арки синусообразного очертания, во втором тот же провод, но с применением решетки из связей с нисходящими раскосами, в третьем варианте – один компактированный провод в фазе типа GZTACSR600 и треугольная решетка, в четвертом – тот же провод, но раскосная решетка с нисходящими раскосами. Характеристики данных проводов приведены в Табл. 1, включая обычный некомпактированный провод марки АС300/39 с повивами из круглых проволок.

Главная балка путепровода выполнена четырехтрубной с рельсовым основанием в каждой трубе, отведенным под транспортные нужды, возникающие при разгоне, торможении и аварийных ситуациях. Сечение отдельной трубы главной балки было увеличено до 3,85 м в диаметре в связи с увеличением зазора между корпусом транспортных модулей и внешней оболочкой (см. Рис. 5). Путепровод монтируется из отдельных четырехтрубных секций длиной 45,0 м, доставляемых на судах ледокольного флота, как и другие конструкции и оборудование транспорта и энергетики, включая строительную технику.

 

Рис. 5. Поперечное сечение балки-путепровода

Fig. 5. Cross-section of a beam-put duct

 

Магистраль имеет электроэнергетическую функцию, а значит ее элементы должны соответствовать правилам (ПУЭ-7 «Правила устройства электроустановок»). Расстояние от грозотроса до провода, и от провода до конструкций путепровода и поддерживающих арок принимается не менее суммы максимальной стрелы провеса провода и безопасного расстояния – габарита во избежание короткого замыкания. Например, длина вылета траверсы нормируется в соответствие с 2.5.172 ПУЭ-7 и должна быть не менее 5,3 м для предотвращения возможного касания проводов с заземленными частями конструкции. Расстояния между проводами в одной фазе принято 40 см по горизонтали. Следуя вышеприведённым ограничениям, конструкция имеет вид, представленный на Рис. 6–8.

 

Таблица 1. Исходные характеристики проводов и грозотросов

Table 1: Initial characteristics of wires and lightning ropes

Наименование и основные характеристики	АСПк 300/39	АС 300/39	GZTACSR 600	Грозотрос ОКГТ-С-24-13,1 мм-45кА2·с-120 кН
Номинальное сечение, мм2 (алюминий/сталь)	300/39	300/39	615,7/56,29	95,2
Диаметр, мм	21,7	24,0	31,5	13,1
Диаметр стального сердечника, мм	11,5	7,95	9,6	93,6
Масса 1 км провода, кг	1116	1132	2179	640
Модуль деформации, МПа	114000	77000	205900	200000

 

Из Табл. 1 следует, что современные термостойкие компактированные провода обладают целым рядом достоинств. Например, модуль деформации провода АСПк 300/39 в 1,48 раза выше, чем у обычного АС 300/39, поэтому стрела провеса также будет меньше в 1,48 раза, несмотря на равное номинальное сечение.

Выполнены расчеты четырех вариантов конструкции с определением нормальных и касательных напряжений в элементах и перемещений узлов с использованием программного комплекса SAP2000 на расчетные сочетания нагрузок и воздействий (воздействия от собственного веса конструкций, снеговых, ветровых, гололедных нагрузок, нагрузок от подвижного состава, включая продольные нагрузки от торможения-разгона составов и нагрузки от ВЛ). Расчет ВЛ, входящих в конструкцию опор путепровода, производился для сочетания следующих условий в соответствии с ПУЭ-7: максимальная температура при отсутствии ветра и гололеда; минимальная температура при тех же условиях; среднегодовая температура при тех же условиях; наличие гололеда при отсутствии ветра; наличие ураганного ветра при отсутствии гололеда; ветер и гололед действуют совместно; аварийные режимы; монтажный режим. В результате вычислены абсолютные значения перемещений и усилий.

 

Рис. 6. Конструкции блока хребтовых арок с треугольной решеткой, соединяющей две арки синусообразного очертания (а); то же, с раскосной решеткой (b)

Fig. 6. Ridge arch block constructions with triangular lattice connecting two arches of sinusoidal outline (a); the same, with strut lattice (b)

 

Окончательно, на основании результатов расчета (усилия и прогибы) определен оптимальный вариант № 3 при использовании провода GZTASR 600 (отечественное производство) и треугольной решетки расположения связей на синусообразной арке Табл. 2. Данный вариант оказался менее металлоемким, нежели вариант с раскосной решеткой, на 1,74%. Кроме того, вариант при использовании одного провода в фазе показал наименьшие нагрузки, а схемы с данным проводом показали наименьшие перемещения. Расход стали для 1 и 3 вариантов схем составил 37,78 т на пог.м магистрали, для 2 и 4-го вариантов – 38,45 т/м.

 

Рис. 7. Поперечный вид рамы-колонны: два провода в фазе АСПк 300/39 (вариант 1)

Fig. 7. Cross-sectional view of the frame-column: two wires in phase ASPk 300/39 (variant 1)

 

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 С390. Наприме, главная транспортная балка составлена из четырех труб диаметром 3,85 м с толщиной стенки 25 мм. Колонны рамы выполнены из стальных труб наружным диаметром 2,0 м с толщиной стенки 25 мм. При этом вертикальные и наклонные элементы выполнены трубобетонными. Элементы синусоидальных арок и траверсы запроектированы из труб диаметра 1,50 м с толщиной стенки 40 мм. Связи для 1 и 2 вариантов выполнены из труб сечением 0,78 м с толщиной стенки 20 мм, для связей 3 и 4 вариантов – трубы диаметром 0,86 м. Пилоны запроектированы в виде рамной системы, стойки которой представлены трубобетонными элементами, являющимися продолжением свайной подземной части конструкции. Сверху на трубобетонные колонны установлены стойки аналогичного сечения для опор линии электропередачи ВЛ 330 кВ (см. Рис. 6). Для сопряжения частей и секций применены болтовые соединения на высокопрочных болтах.

 

Рис. 8. Продольный вид одного пролета: четыре арки с треугольной решеткой объединяющих их связей (вариант 1)

Fig. 8. Longitudinal view of a single span: four arches with a triangular lattice of connecting links (variant 1)

 

Главным критерием оценки эффективности решения является металлоемкость, которая напрямую влияет на стоимость реализации пролетного строения [24, 25]. Из опыта по возведению Маглев-линий компании Transrapid основная часть затрат уходит на возведение ТПУ и магистралей. Наиболее эффективное конструктивное решение (вариант № 3) было принято в результате выбора конструкций из четырех вариантов.

КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ ТПУ «ГАТЧИНА»

Решение задачи оптимизации конструктивно-технологического исполнения транспортно-пересадочных узлов рассмотрено на примере большого ТПУ «Гатчина», поскольку он является наиболее нагруженным и сложным и связывает два направления магистралей: арктическое АТЭМ и ВСТМ из Санкт-Петербурга. Кроме того, в составе с ТПУ «Гатчина» на земной поверхности предусматривается расположение депо для ремонта и хранения составов.

 

Рис. 9. Общий вид ТПУ «Гатчина» радиусом 141,0 м с обходящей ВЛ 330 кВ

Fig. 9. General view of the “Gatchina” IH with a radius of 141.0 m with a 330 kV overhead line bypassing it

 

По проведенным ранее исследованиям [4] было выяснено, что наиболее эффективным решением является кольцевая схема ТПУ, включающая кольцевой пандус для перемещения составов по ярусам и спуска в депо. В предлагаемой работе рассмотрено несколько вариантов конструирования спирального пандуса – геликоида из сталежелезобетона. В результате исследования выявлены зависимости напряженно-деформированного состояния геликоида от его геометрических параметров при помощи конечно-элементного моделирования.

Согласно п. 5.3.10 СП 120.13330.2022 «Метрополитены» максимальный продольный уклон наземного участка пути не должен превышать 35‰, а поперечный уклон – 3–5‰. Задачей представленного исследования является определение оптимального значения продольного уклона.

Рассматриваются следующие варианты изменения высотной отметки при одинаковом нагружении геликоидов: ΔH=6 м, ΔH=12 м, ΔH=18 м, ΔH=24 м, ΔH – высота этажа. На Рис. 10 представлен перрон в вертикальном разрезе.

 

Рис. 10. Вертикальный разрез кольца здания ТПУ «Гатчина» с пассажирскими перронами, лифтовыми шахтами и лестницами при ΔH=8 м (красным показано направление против часовой стрелки, синим – по часовой)

Fig. 10. Vertical section of the ring of IH “Gatchina” building with passenger platforms, elevator shafts and stairs at ΔH=8 m (red shows counterclockwise direction, blue – clockwise)

 

Построение аналитических моделей осуществляется в программе ЛИРА 10 методом конечных элементов (МКЭ). Колонны и конструкции покрытия условно не моделируются, закрепление пандуса осуществляется при помощи функции «установка связей в узлах». Узлы, в месте примыкания плиты к колоннам, закреплены жестко, на краях спирали разрешено перемещение вдоль направления движения.

Разбиение пластинчатого геликоида произведены на 4-узловые пластинчатые конечные элементы с точностью, необходимой для корректного отображения изополей. Локальные оси пластин направлены в соответствии с углами поворота.

Согласно п. 6.1 СП 266.1325800.2016 «Конструкции сталежелезобетонные. Правила проектирования» расчет выполнен в два этапа:

1. Проверка на стадии монтажа;
2. Проверка на стадии эксплуатации.

На этапе проверки конструкции на стадии монтажа проверена несущая способность профилированного листа и устойчивость его стенок от собственного веса, веса свежеуложенной бетонной смеси, технологической нагрузки от бетононасосов, веса гибкой арматуры. По результатам расчета подобран профлист Н114-750-1. Далее в рамках предлагаемого исследования рассматривается несколько вариаций исполнения участка ТПУ при расчете на стадии эксплуатации.

Анализировалась зависимость нормальных и касательных напряжений от изменения продольного уклона. По результатам расчета методом КЭ были построены графики с полиномиальной линией тренда третьего порядка. Результаты представлены на Рис. 11–14.

 

Рис. 11. График зависимости нормальных напряжений по направлению большей жесткости от высоты витка (по горизонтали)

Fig. 11. Graph of dependence of normal stresses in the direction of higher stiffness on the height of the coil (horizontally)

 

Рис. 12. График зависимости нормальных напряжений по направлению меньшей жесткости от высоты витка (по горизонтали)

Fig. 12. Graph of dependence of normal stresses in the direction of lower stiffness on the height of the coil (horizontally)

 

Рис. 13. График зависимости касательных напряжений на внешней опоре от высоты витка (по горизонтали)

Fig. 13. Graph of dependence of tangential stresses at the external support on the height of the coil (horizontally)

 

Рис. 14. График зависимости касательных напряжений на внутренней опоре от высоты витка (по горизонтали)

Fig. 14. Graph of dependence of tangential stresses on the inner support on the height of the coil (horizontally)

 

Значения нормальных напряжений по направлению наибольшей жесткости в диапазоне от 6 до 12 метров понижаются, далее наблюдается их рост до отметки 22 м, а потом опять спад. Наиболее низкие значения находятся в диапазоне от 7 до 18 м и далее при значениях больше 24 м.

Так, наиболее низкое значение напряжений по направлению меньшей жесткости наблюдается в диапазоне от 6 до 24 м, следовательно наиболее оптимальным будет значение из указанного диапазона.

График касательных напряжений описывается кубической параболой с точкой экстремума 14 м, парабола, описывающая значения напряжений на внешней опоре, имеет восходящие ветви. Данные результаты позволяют сделать вывод о почти одинаковых значениях касательных напряжений в точках 12 и 16 м, 10 и 18 м.

При рассмотрении нормальных напряжений по направлению наибольшей жесткости значения в диапазоне 6–12 метров (9,6–19,1‰) понижаются, далее наблюдается их рост до отметки 22 м (35‰), а потом – снова спад. При рассмотрении нормальных напряжений по направлению наименьшей жесткости до отметки 18 м (28,6‰) наблюдается снижение значений напряжений, а далее проявляется тенденция к их росту.

Графики касательных напряжений описываются кубической параболой с точками экстремума 14 м (22,3‰), а парабола, описывающая напряжения на внешней опоре, имеет восходящие ветви, на внутренней – нисходящие. Данные результаты позволяют сделать вывод о равнозначности значения касательных напряжений в точках 12 и 16 м (19,1 и 25,5‰), 10 и 18 м (15,9 и 28,6‰).

Таким образом, для проектирования конструктивных решений ТПУ «Гатчина» приняты наиболее оптимальные значения перепада высот в интервале 7–18 м (11,14–28,6‰).

ПИТАЮЩАЯ ВЛ 330 КВ «ПЕВЕК-БИЛИБИНО-ЧЕРСКИЙ»

В настоящее время продолжается строительство электростанции у арктического порта Певек, которая включает плавучую атомную теплоэлектростанцию (ПАТЭС) «Академик Ломоносов», предназначенную для тепло- и энергоснабжения отдаленных арктических прибрежных территорий. В номинальном режиме ПАТЭС способна обеспечить выдачу в береговые сети 60 МВт электроэнергии и до 50 Гкал/ч тепловой энергии для нагрева теплофикационной воды. В случае максимальной выдачи тепловой мощности (приблизительно 145 Гкал/ч), электрическая мощность, подаваемая в береговую сеть, снижается до 30 МВт. ПАТЭС способна обеспечивать электроэнергией населенный пункт с численностью до 100 000 чел. [27, 28], а также быть дополнительным источником электроэнергии для АТЭМ.

Общая протяженность ВЛ 330 кВ от порта Певек до пос. Черский составляет 754 км, причем длина первого участка от Певека до пос. Быстрый – 114 км (см. Рис. 3). Линия электропередачи подключается к АТЭМ через специализированные электрические подстанции с закрытыми распределительными устройствами.

Трасса ВЛ характеризуется весьма жесткими природно-климатическими условиями и тяжелыми для строительства горными условиями. Для одноцепной ВЛ 330 кВ приняты многогранные стальные опоры П-образного типа, которые благодаря своей аэродинамической конструктивной форме и отсутствию решетчатых элементов, характеризуются меньшими ветровыми и гололедными нагрузками по сравнению с решетчатыми опорами, что весьма актуально для жестких условий Севера Чукотки с сильными ветрами [26]. Кроме того, в связи со значительно меньшим количеством болтовых соединений такие опоры отличаются пониженными трудозатратами при сборке и установке. Монтаж опоры в рабочее положение осуществляется путем фланцевого соединения с фундаментом. В качестве фундамента применяется труба с ответным фланцем.

Принят современный компактированный провод GZTASR 600, который, благодаря своему высокому разрывному усилию и низкому электрическому сопротивлению, является превосходным выбором для арктических условий. Высокая механическая прочность особенно важна для несения значительных гололедных и ветровых нагрузок. Кроме того, устойчивость к низким температурам и коррозийная стойкость делают его идеальным для долгосрочной эксплуатации в условиях Арктики.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По предварительным технико-экономическим расчетам продолжительность доставки грузов по Арктической скоростной магистрали от Усть-Луги до Берингова пролива по сравнению с Северным морским путем сокращается в 5,5 раза, а пассажиров – почти в 30 раз, но при этом протяженность проектируемой скоростной магистрали почти в 1,6 раза больше в связи с необходимостью обхода высоких прибрежных горных массивов, особенно в шельфе Восточно-Сибирского моря.

Предложен новый вариант Арктической транспортно-энергетической магистрали, соединяющей ключевые арктические порты на российском побережье Северного Ледовитого океана и дополнительно обеспечивающей безопасность персонала ледокольного флота Северного Морского Пути.

По предварительным расчётам расход стали составит 37,78 т на пог. м магистрали для наиболее экономичного варианта несущей конструкции пролетного строения при использовании отечественного компактированного провода GZTASR600 и треугольной решетки расположения связей на синусообразных арках. Стоимость такой конструкции предварительно составит около 4,2 млн. руб. за пог. м протяженности транспортно-энергетической магистрали.

Использование сталежелезобетона в качестве материала несущих конструкций позволит более экономично проектировать сечения конструкции транспортно-пересадочных узлов.

На основе анализа зависимости нормальных и касательных напряжений от транспортных нагрузок и продольного уклона, выявлены оптимальные значения продольного уклона пандуса транспортно-пересадочных узлов, составляющие 11,14–28,6‰.

В последующих исследованиях следует рассмотреть возможность сокращения единиц ТПУ за счет прокладки тоннелей сквозь горы, а также подводного прохождения транспортно-энергетической магистрали.

Авторы заявляют, что:

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

The authors state that:

1. Theyhavenoconflictofinterest;
2. Thisarticledoesnotcontainanystudiesinvolvinghumansubjects.

About the authors

Nikolai A. Senkin

St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering

Author for correspondence.
Email: senkin1952@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-7086-1960
SPIN-code: 1344-9412

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Russian Federation, St. Petersburg

Victoria M. Zakarlyukina

St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering

Email: vikto.0152@gmail.com
ORCID iD: 0009-0002-6307-7155
SPIN-code: 8343-7785

Bachelor of Science

Russian Federation, St. Petersburg

Evelina V. Davidyuk

St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering

Email: evellinav17@gmail.com
ORCID iD: 0009-0002-2290-7300

Bachelor of Science

Russian Federation, St. Petersburg

Pavel Andreevich Li

St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering

Email: leeprav@mail.ru
ORCID iD: 0009-0004-5730-8038

Bachelor of Science

Russian Federation, St. Petersburg

Ivan S. Bolshikhshapok

St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering

Email: i.bshapok@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-6868-4312
SPIN-code: 2663-7758

Master of Science

Russian Federation, St. Petersburg

References

Supplementary files