Висячі мости: Конструкція балки та історія мостів

Висячі мости, в яких балка жорсткості підтримана вільно провисающим канатом (кабелем, ланцюгом) відомо дуже давно. Але в сучасному вигляді ця конструкція вперше з’явилася в Америці.

Зміст

  • 1 Історія висячих мостів
  • 2 Висячий міст Tower Bridge, London
  • 3 Висячий міст Williamsburg Bridge
  • 4 Висячий міст Tacoma Narrows Bridge
  • 5 Висячий міст Золоті Ворота в Сан-Франциско
    • 5.1 Параметри висячого мосту
  • 6 Висячий міст Акасі-Кайке (akashi kaikyo)
  • 7 Мессинську міст (стадія проект)
    • 7.1 Конструкція балки жорсткості

Історія висячих мостів

У 1801 році В штаті Пенсільванія світовий суддя Джеймс Фінлей (James Finley) побудував перший, підвішений на залізних ланцюгах міст, з прольотом 21 м, у 1808 році він отримав на свою систему патент, а в 1810 році опублікував роботу «Опис патенту ланцюгового мосту». До своєї смерті в 1828 році Фінлей запроектував ще близько 13 мостів, більшість з яких зруйнувалося. Другим його мостом у 1807 році був міст з прольотом 39 м. Далі будівництво висячих мостів пішло дуже швидко, особливо в Америці.

Перші висячі мости в Європі були побудовані в Росії в Петербурзі. Французький інженер П. П. Базен в 1823 р. побудував пішохідний міст з прольотом 15.25 м Екатерингофском парку. Інженер-полковник Р. М. Треттер спільно з інженером-майором В. А. Христиановичем побудували 2 ланцюгових мосту через Фонтанку. У 1824 році був побудований Пантелеймонівський міст з прольотом 43 м і шириною 10.7 м. Стріла ланцюга = 1/10 прольоту.

У поперечному перерізі на Пантелеймонівському мосту було розміщено п’ять площин ланцюгів — по дві на краях і одна по центру. Міст був розібраний в 1907 році.

Вартість моста склала 161260 руб. В 1826 році був побудований Єгипетський міст з прольотом 54.8 м і шириною 11.7 м, і зі стрілою ланцюгів =1/10 прольоту. У поперечному перерізі було розміщено три площини ланцюгів. Конструкції обох мостів були виготовлені на заводі Берда в Петербурзі.

Єгипетський міст обрушився в 1905 році в морозний день під навантаженням кавалерійського ескадрону і 11 саней, як припускають, через руйнування ланки ланцюга. Англійські інженери в середині 19 століття побудували в Європі видатні мости. Так, у 1849 році англійським інженером Кларком був побудований відомий висячий міст у Будапешті з прольотом 209 м.

Мости під гужовий транспорт через великі ріки в цей час майже не будувалися. Але в 1853 році було закінчено будівництво великого ланцюгового мосту через Дніпро в Києві. Міст був завдовжки 777 м з прольотами по 139 м і окремим розвідним прольотом. Будівництво тривало 5 років. Вартість склала 2.35 млн. рублів.

Ширина мосту 16 м, ширина проїзду 10 м. Всі сталеві конструкції 1600 т були виготовлені в Бірмінгемі в Англії, на 16 пароплавах доставлені в порт Одеси, і далі на волах перевезено до Києва. Міст був розрахований на навантаження 520 кг/м2. За проїзд по мосту бралася плата: 6 копійок за корову, 9 за коня і 15 за автомобіль. В 1912 році по мосту проклали трамвайну лінію.

Міст був побудований за проектом англійського інженера Чарльза Виньйоля. У 1854 році срібна модель моста була виставлена в Лондоні і дослідники вважають, що ця модель послужила прообразом Бруклінського мосту в Нью-Йорку.

У 1920 році війська гетьмана Пілсудського підірвали крайній проліт, але після розриву ланцюга сталася аварія всього моста. Міст в 1925 році був відновлений за проектом Е. О. Патона і отримав назву міст ім. Євгенії Бош. Міст проіснував до 1941 року.

Висячий міст Tower Bridge, London

Для збільшення жорсткості висячого мосту і зменшення локальних прогинів застосовувалася система, в якій кабелі мосту утворювалася з жорстких плоских ферм. Міст Тауер у Лондоні через Темзу був побудований за проектом інженера Джона Вольфа-Беррі (John Wolfe-Barry) і архітектора сера Хорейса Джонса (Sir Horace Jones).

Висячі мости: Конструкція балки та історія мостів

Висячі бічні прольоти розміром з 82.3 м підтримуються плоскими фермами, а центральний розвідний проліт моста дорівнює 79 м.

Кабелі висячих мостів утворювали з ферм, сталевих смуг, ланцюгів і, нарешті, канатних елементів. Ферми жорсткості могли мати складну конфігурацію.

Висячий міст Williamsburg Bridge

Висячі мости: Конструкція балки та історія мостів

На малюнку показана гравюра поперечного перерізу двох’ярусної балкової ферми моста Вільямсбург в Нью-Йорку в її первісному вигляді в 1903 році. Свій сучасний вигляд і конструкцію підвісні мости придбали в 20 столітті:

  • кабель підвісного моста став складатися з дротів;
  • підвісками стали канатні елементи;
  • пілони стали мати малу згинальну жорсткість;
  • балка жорсткості стала володіти значною згинальної і крутильной жорсткістю.

Висячий міст Tacoma Narrows Bridge

Частоти крутильних коливань повинні бути більше згинальних. Остання вимога стало визначальним при проектуванні великих мостів, особливо після аналізу обвалення Такомского мосту.

Висячі мости: Конструкція балки та історія мостів

Міст був побудований в липні 1940 році за проектом Леона Моиссеева (Leon Moisseiff) в штаті Вашингтон. Довжина прольоту підвісного 853 м. Первісна ширина і висота балки становили 11.9 і 2.4 м, відповідно.

Іншими словами балка була дуже тонкою і мала малу згинальну жорсткість і, що особливо важливо малу крутну жорсткість. Як з’ясувалося згодом, частота крутильних коливань балки була менше частоти згинальних коливань, що призвело до появи згинально-крутильного флатера (див. главу «Динамічні розрахунки»).

Руйнування мосту сталося всього через чотири місяці після його відкриття під дією бічного вітру швидкістю 20 м/с у результаті коливань з великою амплітудою і низькою частотою (галопування). Після цього обвалення аеродинамічні випробування мостів з подібними центральними прольотами стали обов’язковими.

Міст був відновлений з істотною зміною параметрів балки тільки через десять років (рис.2.31). Нові ширина і висота балки склали 18.3 і 10 м, тобто висота балки була збільшена в чотири рази..

Висячі мости: Конструкція балки та історія мостів

Висячий міст Tacoma Narrows Bridge 1950

Висячий міст Золоті Ворота в Сан-Франциско

Золоті Ворота у Сан-Франциско в США. Міст став культовою спорудою для США і Голлівуду. Автором мосту є Чарльз Еліс (Charles Ellis), який розробив принципові рішення, хоча проектуванням керував Жозеф Страус (Joseph Strauss), який раніше висував ідею перекриття затоки за допомогою консольно-підвісної системи.

Висячі мости: Конструкція балки та історія мостів

Висячий міст The Golden Gate Bridge, San Francisco

Будівництво моста почалося в січні 1933 року і вже через чотири з половиною роки, 27 травня 1937 року міст був відкритий для руху.

Параметри висячого мосту

  • центральний проліт = 1280 м;
  • висота пілонів 227.4 м;
  • висота ферми = 7.6 м;
  • ширина ферми = 27.4 м;
  • кабель діаметром 1 м складається з 27000 дротів;
  • вага кожного кабелю 7 125 т.

Через 75 років поруч з першим Фортским мостом був побудований другий, але вже висячої системи. Роботи були розпочаті в 1958 році і закінчено в 1964 році. Автодорожній міст був побудований за схемою 408 + 1006 + 408 м. Висота ферми жорсткості 8.4 м, а ширина 23.8 м.

Висячі мости: Конструкція балки та історія мостів

Висячий міст The Forth Bridge Road 1964

За минуле століття було побудовано більше десятка висячих мостів з прольотами більше кілометра. У багатьох з них були втілені нові та цікаві ідеї. Дуже цікавою спорудою є міст в Данії через протоку великий Бельт з прольотом 1624 м, побудований в 1998 році.

Висячий міст Акасі-Кайке (akashi kaikyo)

Але рекордсменом є міст, побудований в 1998 році в Японії. Це міст Акаші з центральним прольотом 1990.8 м.

Висячі мости: Конструкція балки та історія мостів

Висячий міст Акасі-Кайке (akashi kaikyo)

Міст через протоку Акаші з’єднує західну частину міста Кобе і острови Авадзи, і лежить на одному з трьох маршрутів, що з’єднує острови Хонсю і Шикоку. Будівельні роботи по спорудженню фундаментів моста було розпочато в 1988 році.

Міст настільки величезний, що звичайні при інших масштабах елементи стають дуже складними. На цьому мосту видно, як кількість переходить в якість. Більш докладні дані про цей міст наведено в главі.

Мессинську міст (стадія проект)

Плани спорудження мосту, поєднаного під рейковий транспорт і авторух, який повинен зв’язати Сицилію з континентальної Італією і перетнути Мессинську протоку, існують вже давно. Міст в цьому місці дійсно потрібен, так як очікувана інтенсивність руху повинна скласти 50000 автомобілів і 120 потягів на добу.

Але вартість такого мосту буде величезною. Тому економічна доцільність його будівництва навіть за умови платного проїзду залишається під питанням, оскільки окупність настане не скоро. Раніше сама ідея реалізації такого проекту виглядала фантастичною, так як міст здавався нездійсненним з наступних причин:

  • ширина дзеркала води в створі моста становить 3660 м, глибини понад 100 м.
  • міст знаходиться в активній сейсмічній зоні, з прискореннями, рівними 6 м/с2
  • (виміряними під час катастрофічного землетрусу 1908 року)
  • розрахункова швидкість вітру становить 216 км / ч (1 раз в 2000 років)

На малюнку показані основні інженерні рішення з проекту висячого мосту, поєднаного під рейковий транспорт і авторух, що має центральний проліт 3300 м.

Висячі мости: Конструкція балки та історія мостів

Міст перекриває практично всю акваторію Мессинську протоки і забезпечує гарантований судноплавний подмостовой габарит 65 м. Балка жорсткості підтримана двома парами кабелів діаметром 1.2 м і довжиною 5300 м. Вага кожного кабелю з чотирьох становить 41.6 тис. т. Кабель складається з 44352 паралельної дроту діаметром 5.38 мм. Погонний вага одного кабелю 7.85 т/м.

Зусилля в кожному з чотирьох кабелів від дії власної ваги кабелю одно 68 000 т, а зусилля в кожному кабелі від повної постійної навантаження — 118 000 т. тобто, кабель несе сам себе на 58%, а балку жорсткості лише на 42%.

Довжина парних підвісок, що виконуються через кожні 30 м від кабелю до балки, коливається в межах від 5 до 300 м. Відстань між парами кабелів поперек мосту дорівнює 52 м. Кабелі опертих на сідла пілонів, розташовані на висоті 376 м над водою.

Конструкція балки жорсткості

На відміну від стандартних рішень (ферма або балка з аеродинамічним профілем), конструкція балки жорсткості в цьому проекті дуже оригінальна і підпорядкована аеродинамічної стійкості споруди.

Плита проїзду підтримана трьома незалежними балками: двома балками автопроїзду і однією балкою під рейковий транспорт, профіль яких підпорядкований аеродинамічної стійкості прогонової будови. Ці йдуть окремо балки об’єднані поперечними балками шириною 52 м, що йдуть з кроком 30 м.

Висячі мости: Конструкція балки та історія мостів

Підвісний Мессинську міст поперечник

За поперечні балки здійснюється підвіс балки жорсткості до кабелю парою підвісок. Покриття проїзду ортотропным плитах балок автопроїзду виконано товщиною 38 мм на бітумній основі. Аварійний проїзд між балками виконується за сталевий гратчастої плиті.

Така незвичайна конструкція балки жорсткості прогонової будови дозволила проектувальникам вирішити дві проблеми:

  • Вдалося створити широку, поперечно жорстку і відносно легку балку. Постійна погонна навантаження складає всього 23 т/м, і включає в себе 2.85 т/м — вага балки під рейковий транспорт, 0.98 т/м — вага верхньої будови колії, 6.37 т/м — вага кожної з балок автопроїзду, 1.99 т/м — вага покриття і 4.91 т/м — вага поперечних балок.
  • Вдалося створити аеродинамічно стійку балку прогонової будови, що дозволяє забезпечувати стійкість споруди при швидкості вітру 270 км/год. Це забезпечено за рахунок конфігурації балок, вільної циркуляції повітря через плиту між балками, спеціальних обтічників і т. п. Поперечне відхилення середини прогонової будови при швидкості вітру 80 км/год всього 2.5 м, що становить менше 1/1320 прольоту, а поворот не більше 3%.

У цьому проекті важливий сам факт того, що інженери в даний час здатні створити спорудження таких грандіозних розмірів, не застосовуючи революційно нових матеріалів для кабелів.

Безсумнівно, самим цікавим елементом цієї споруди є легка і аеродинамічно стійка балка жорсткості. Концепція, покладена в її конструкцію, заслуговує подальшого вивчення та розвитку.