Подвесной мост

<час />

В подвесном мосту транспортная платформа поддерживается серией тросов, которые свисают с массивных тросов, натянутых между высокими башнями. Бруклинский мост в Нью-Йорке и мост Золотые Ворота в Сан-Франциско - два самых известных подвесных моста. Мост Акаси Кайкё в Японии, строительство которого было завершено в 1998 году, имеет самый длинный в мире подвесной пролет (расстояние между опорными опорами) - 6 529 футов (1 991 м); весь мост, включая участки между башнями и берегами, составляет почти 4 км. Строительство моста Акаси Кайкё заняло десять лет, обошлось в 3,6 миллиарда долларов и повлекло только шесть травм (без смертей). Столетием ранее строительство Бруклинского моста пролетом в 1600 футов (490 м) заняло 14 лет и привело к гибели 27 человек.

Фон

Подвесные мосты - один из самых ранних типов, изобретенных человеком. Самый примитивный вариант - это веревка из виноградной лозы, соединяющая две стороны пропасти; человек путешествует, свешиваясь на веревке и таща себя за руку. Такие примитивные мосты - некоторые длиной до 660 футов (200 м) - все еще используются в таких областях, как сельские районы Индии. Несколько более сложные конструкции включают плоскую поверхность, по которой человек может ходить, иногда с помощью поручней из виноградной лозы.

К восьмому веку китайские мостостроители строили подвесные мосты, укладывая доски между парами железных цепей, по сути создавая гибкую настилу, опирающуюся на тросы. Подобные мосты строились в разных частях света в последующие столетия. Но современная эра подвесных мостов началась только в 1808 году, когда американец по имени Джеймс Финли запатентовал систему для подвешивания жесткого настила к тросам моста.

Хотя Финли построил более дюжины небольших мостов, первый крупный мост, в котором использовалась его техника, был построен Томасом Телфордом через пролив Менай в Англии. Завершенный в 1825 году, он имел каменные башни высотой 153 футов (47 м), длиной 1710 футов (521 м) и пролетом в 580 футов (177 м). Дорожное полотно шириной 30 футов (9 м) было построено на жесткой платформе, подвешенной на железных цепных тросах. Мост все еще используется, хотя в 1939 году железные цепи были заменены на стальные стержневые звенья.

Другой американец, Джон Роблинг, в середине 1800-х годов разработал два основных усовершенствования конструкции подвесного моста. Один заключался в усилении жесткой платформы настила с помощью ферм (массивов горизонтальных и вертикальных балок, скрепленных диагональными балками). Опыт показал, что ветер или ритмичные транспортные нагрузки могут вызвать колебания недостаточно жестких настилов, которые могут выйти из-под контроля и буквально разорвать мост на части.

Другим важным нововведением Роблинга стало строительство несущих тросов моста. Примерно в 1830 году французские инженеры показали, что тросы, состоящие из многих жил, работают лучше, чем цепи, для подвешивания мостов. Роблинг разработал метод "прядения" или прокладки кабелей на мосту вместо того, чтобы транспортировать неуклюжие сборные кабели и устанавливать их на место. Его метод до сих пор широко (хотя и не исключительно) используется на новых мостах.

История подвесных мостов изобилует примерами успешных мостов, которые считались невозможными, когда их предлагал дальновидный инженер. Одним из примеров был железнодорожный мост Роблинг, построенный между 1851-1855 годами через ущелье реки Ниагра. Первый подвесной мост, усиленный фермами, поддерживался четырьмя тросами диаметром 10 дюймов (250 см), натянутыми между каменными башнями. Спустя сорок лет после завершения мост успешно выдерживал движение в 2,5 раза тяжелее, чем было рассчитано; на тот момент он был списан и разобран.

Сталевар, лежащий на тросе, стоит за тросом подвески нового Такома, Вашингтон, на мосту через пролив через пролив 21 октября 1949 г.

Мост Tacoma Narrows Bridge был третьим по величине висячим мостом в мире, которому было всего пять месяцев, когда он рухнул в субботу, 7 ноября 1940 года. Центральный пролет размером 2800 футов (853,4 м) протянулся между двумя 425 футами (129,5 м). ) высокие башни, а боковые пролеты были длиной 1100 футов (304,8 м) каждый. Подвесные тросы свисали с башен и были закреплены на якоре на 30 м (304,8 м) назад к берегу реки. Конструктор Леон Мойссейф был одним из ведущих мостостроителей в мире.

Намерение Моисейфа состояло в том, чтобы создать очень тонкую палубу, плавно переходящую между высокими башнями. Его конструкция объединила принципы подвески тросов с балочной конструкцией из стальных пластин жесткости, идущих вдоль стороны проезжей части, которая была оптимизирована до глубины всего 8 футов (2,4 м).

Мост стоимостью 6,4 миллиона долларов был назван «Скачущей Герти» людьми, испытавшими его странное поведение. Вынужденные выдерживать волны, которые раскачивали и раскачивали палубу, рабочие жаловались на морскую болезнь. После открытия это стало сложным спортивным мероприятием для автомобилистов, пересечь его даже при слабом ветре, и жалобы на морскую болезнь стали обычным явлением.

Инженеры штата и Управления платных мостов были более чем немного обеспокоены поведением узкого двухполосного пролета, ширина которого составляла всего 39 футов (11,9 м). Его небольшая глубина по отношению к длине пролета (8–2800 футов [2,4–853,4 м]) дала соотношение 1:350, что почти в три раза более гибкое, чем у мостов Золотые Ворота или Джорджа Вашингтона. Инженеры попробовали несколько методов стабилизации колебаний, но ни один из них не помог.

Среди свидетелей были Кеннет Аркин, председатель Управления платных мостов, и профессор Фаркухарсон. К 10:00 Аркин увидел, что скорость ветра увеличилась с 38-42 миль (61,1-67,6 км) в час, в то время как палуба поднималась и опускалась на 3 фута (0,9 м) 38 раз за одну минуту. Он и Фаркухарсон остановили движение.

Леонард Коутсворт, газетчик, бросил свою машину посреди моста, когда он не мог ехать дальше из-за неровностей. Он ненадолго повернулся назад, вспомнив, что собака его дочери была в машине, но была брошена ему на четвереньки. К 10:30 веревки для подтяжек начали рваться, сломав палубу и швырнув машину Коутсворта в воду. В течение получаса остальная часть палубы упала секция за секцией.

Инженеры, изучающие проблему изгибающихся мостов, смогли объяснить, что ветер не всегда дует на мост под одним углом и с одинаковой интенсивностью. Например, ветер, идущий снизу, приподнимает один край, сдавливая противоположный. Колода, пытаясь распрямиться, откручивается. Повторяющиеся скручивания нарастают по амплитуде, заставляя мост колебаться в разных направлениях. Изучение поведения ветра превратилось в целую инженерную дисциплину, называемую аэродинамикой. В конце концов, ни один мост, здание или другая открытая конструкция не была спроектирована без тестирования модели в аэродинамической трубе. С развитием графических возможностей часть этого тестирования теперь проводится на компьютерах.

В 1869 году Роблинг погиб в результате несчастного случая при обследовании участка для Бруклинского моста, который он спроектировал. Его сын Вашингтон Роблинг провел следующие 14 лет, строя знаменитую постройку. Это был первый подвесной мост, в котором использовались тросы, сделанные из стали, а не из кованого железа (относительно мягкий тип железа, который, будучи горячим, можно формовать с помощью машин или молотком). Каждый из четырех кабелей диаметром 16 дюймов (40 см) состоит из более чем 5000 параллельных прядей стальной проволоки. Спустя более столетия после завершения строительства Бруклинский мост несет большие объемы современного транспорта.

Другой знаковый подвесной мост был построен через Золотые ворота - устье залива Сан-Франциско - в 1933-1937 годах Джозефом Штраусом. Мост Золотые Ворота имеет длину 6450 футов (1966 м) с основным пролетом 4200 футов (1280 м). Две его башни имеют высоту 746 футов (227 м); они поддерживают два кабеля массой 7 125 тонн (6,5 миллиона кг), которые содержат в общей сложности 80 000 миль (129 000 км) стальной проволоки. Несмотря на строгие меры безопасности, 11 рабочих погибли; 19 были спасены страховочной сеткой, висящей под палубой во время строительства - нововведение, которое стало стандартом для более поздних проектов мостов.

Одним из самых известных обрушений моста в Америке было обрушение в 1940 году моста Такома-Нэрроуз на Пьюджет-Саунд в штате Вашингтон. Тогда он был третьим по длине подвесным мостом в мире, он был спроектирован так, чтобы быть исключительно гладким. Достаточно широкий для двух полос движения и тротуаров, пролет составлял 2800 футов (853 м) в длину. Вместо того, чтобы укреплять фермами, настил был усилен двумя стальными балками высотой всего 8 футов (2,4 м) с некоторыми поперечными распорками, соединяющими их. Эта конструкция не только обеспечивала меньшую жесткость, чем фермы, но также позволяла ветру оказывать сильное воздействие на конструкцию, а не безвредно проходить через открытую конструкцию фермы. Через четыре месяца после завершения строительства мост начал колебаться под воздействием ветра 42 миль в час (68 км / ч) и разорвался на части. Сменный мост, построенный десятью годами позже, был спроектирован с настилом, усиленным стальной фермой толщиной 33 фута (10 м).

Сырье

Многие компоненты подвесного моста изготовлены из стали. Один из примеров - балки, используемые для придания жесткости настилу. Сталь также используется для изготовления седел или открытых каналов, на которых тросы опираются на башни подвесного моста.

Когда сталь вытягивают (растягивают) в проволоку, ее прочность увеличивается; следовательно, относительно гибкий пучок стальной проволоки прочнее, чем сплошной стальной стержень того же диаметра. Это причина того, что стальной трос используется для поддержки подвесных мостов. Для моста Акаси Кайкё была разработана новая низколегированная сталь, усиленная кремнием; ее предел прочности на разрыв (сопротивление растягивающим силам) на 12% выше, чем у любой предыдущей конструкции стальной проволоки. На некоторых подвесных мостах стальные тросы, образующие тросы, оцинкованы (покрыты цинком).

Башни большинства подвесных мостов сделаны из стали, хотя некоторые из них были построены из железобетона.

Дизайн

Каждый подвесной мост необходимо проектировать индивидуально, чтобы учесть множество факторов. Например, геология участка обеспечивает фундамент для башен и креплений для кабелей и может быть восприимчивой к землетрясениям. Глубина и характер перекрываемой воды (например, пресная или соленая вода, а также сила течений) могут влиять как на физическую конструкцию, так и на выбор материалов, таких как защитные покрытия для стали. В судоходных водах может потребоваться защитить вышку от возможных столкновений с кораблями, построив у ее основания искусственный остров.

После катастрофы на Tacoma Narrows Bridge все новые конструкции мостов тестировались путем размещения масштабных моделей в аэродинамических трубах, как это было при проектировании моста Golden Gate Bridge. Например, для моста Акаси Кайкё была построена самая большая в мире аэродинамическая труба для испытания моделей секций моста в масштабе 1/100.

В очень длинных мостах при проектировании башен может потребоваться учитывать кривизну земли. Например, на мосту Verrazano Narrows Bridge в Нью-Йорке башни, высота которых составляет 215 м (700 футов), а расстояние между ними составляет 4260 футов (298 м), наверху на 1,75 дюйма (4,5 см) дальше друг от друга, чем наверху. дно.

Производственный
процесс

Строительство подвесного моста предполагает последовательное строительство трех Башенные конструкции, которые будут стоять в воде, начинаются с кессонов (стального и бетонного цилиндра, который действует как круглая плотина) которые опускаются на землю под водой, опорожняются и заполняются бетоном для подготовки к сооружению башен. основные компоненты:башни и крепления для тросов, сам опорный трос и конструкция палубы.

Строительство башни

• 1 Фундамент башни подготавливается путем выкапывания до достаточно твердой горной породы. Некоторые мосты спроектированы так, что их башни строятся на суше, что упрощает строительство. Если башня будет стоять в воде, ее строительство начинается с опускания кессона (стального и бетонного цилиндра, который действует как круглая плотина) на землю под водой; Удаление воды из внутренней части кессона позволяет рабочим выкопать фундамент, фактически не работая в воде. По завершении земляных работ формируется и заливается бетонный фундамент башни.
• 2 Детали конструкции различаются в зависимости от уникального моста. В качестве примера рассмотрим мост Акаси Кайкё. Каждая из двух стальных башен состоит из двух колонн. Каждый столбец состоит из 30 вертикальных блоков (или слоев), каждый из которых составляет 33 фута (10 м). Крепления - конструкции, поддерживающие тросы моста - представляют собой массивные бетонные блоки, надежно прикрепленные к прочным скальным образованиям. Когда башни и якорные стоянки будут завершены, лоцманский трос должен быть протянут вдоль возможного пути кабеля, от одной якорной стоянки через башни до другой якорной стоянки. высокий; каждый из этих блоков, в свою очередь, состоит из трех горизонтальных секций. Кран, расположенный между колоннами, поднял три секции на каждую колонну, завершив слой. После завершения блока на каждой колонне, подъемный кран был поднят на следующий уровень, где он поднял секции следующего слоя на место. Через определенные интервалы между колоннами были добавлены диагональные связи.

Строительство якорной стоянки

• 3 Крепления - это конструкции, к которым крепятся концы тросов моста. Это массивные бетонные блоки, надежно прикрепленные к прочным скальным образованиям. При строительстве анкеров в бетон закладываются прочные проушины (стальные стержни с круглым отверстием на одном конце). Перед анкерным креплением установлено распылительное седло, которое будет поддерживать кабель в точке разветвления его отдельных пучков проводов (см. Шаг 5) - каждый пучок проводов будет прикреплен к одной из проушин анкерного крепления.

Строительство кабеля

• 4 После завершения строительства опор и якорных стяжек необходимо протянуть лоцманский трос вдоль возможного пути троса от одной якорной стоянки через башни до другой якорной стоянки. Для позиционирования пилотной линии можно использовать различные методы. Например, за мост через реку Ниагра Роблинг предложил вознаграждение в размере 10 долларов первому юноше, который смог запустить воздушный змей с пилотной веревкой, прикрепленной через ущелье, чтобы установить соединение. Сегодня можно использовать вертолет. Или же леску можно переправить на лодке через пространство и затем поднять на место. Когда пилотная линия установлена, по всей длине моста сооружается подиум, примерно на 3 фута (1 м) ниже пилотной линии, чтобы рабочие могли следить за формированием кабеля.
• 5 Чтобы начать раскручивание троса, у крепления помещается большая катушка с проволокой. Свободный конец проволоки обвивают петлей вокруг башмака для прядей (стальной канал, прикрепленный к проушине). Между катушкой и башмаком для прядения проволока наматывается на прядильное колесо, установленное на пилотной леске. Это колесо переносит проволоку по пути моста, и проволока обвивается вокруг башмака прядей на другом креплении; затем колесо возвращается к первому креплению, укладывая на место еще одну прядь. Процесс повторяется до тех пор, пока не будет сформирована связка из желаемого количества жил проволоки (от 125 до более 400 жил). Во время прядения работники, стоящие на подиуме, следят за тем, чтобы проволока плавно разматывалась, избегая изгибов. Когда катушки израсходованы, конец проволоки сращивается с новой катушкой, образуя непрерывную прядь. Когда пучок становится достаточно толстым, через определенные промежутки времени накладывают ленту или проволочные стяжки. После того, как вертикальные тросы прикреплены к основному опорному тросу, конструкция палубы должна быть построена в обоих направлениях от поддерживайте башни с правильной скоростью, чтобы постоянно поддерживать баланс сил на башнях. Подвижный кран поднимает секции палубы на место, где рабочие прикрепляют их к ранее размещенным секциям и к вертикальным тросам, которые свисают с основных подвесных тросов. чтобы провода были вместе. Проволока, выходящая из катушки, обрезается и закрепляется на анкере. Затем процесс начинается снова для следующего пакета.

  Количество жгутов, необходимых для полного кабеля, варьируется; на мосту Золотые Ворота - 61, а на мосту Акаси Кайкё - 290. После вращения нужного числа используется специальное расположение радиально расположенных домкратов для сжатия пучков в компактный кабель, и стальная проволока наматывается вокруг него. Стальные зажимы устанавливаются вокруг кабеля с заданными интервалами, чтобы служить точками крепления для вертикальных кабелей, которые будут соединять настил с опорным кабелем.

Конструкция колоды

• 6 После присоединения вертикальных тросов к основному опорному тросу можно начинать конструкцию настила. Конструкция должна быть построена в обоих направлениях от опорных башен с правильной скоростью, чтобы постоянно поддерживать баланс сил на опорах. В одном методе движущийся кран, который катится по основному подвесному тросу, поднимает секции палубы на место, где рабочие прикрепляют их к ранее размещенным секциям и к вертикальным тросам, которые свисают с основных подвесных тросов, увеличивая полную длину. В качестве альтернативы кран может опираться прямо на платформу и двигаться вперед по мере размещения каждой секции.

Завершение

• 7 Когда конструкция палубы завершена, она покрывается основным слоем (например, стальными плитами) и вымощается. Покраска стальных поверхностей и установка электрических линий для освещения - примеры других этапов отделки. Кроме того, начинаются текущие процедуры технического обслуживания. Например, постоянный персонал из 17 слесаров и 38 маляров продолжает ежедневно работать на мосту Золотые Ворота, заменяя ржавые заклепки и другие стальные детали и подкрашивая краску, которая защищает мост.

Будущее

Каждый подвесной мост спроектирован уникально, с уделением особого внимания функциональности и эстетике. Можно использовать или даже разработать новые материалы, чтобы сделать мост менее громоздким и более эффективным. А дизайнеры-новаторы иногда находят необычные решения для своих задач. Например, проект, утвержденный в 1998 году для замены восточного пролета моста через залив Сан-Франциско-Окленд, который был серьезно поврежден землетрясением 1989 года, представляет собой подвесной мост, поддерживаемый только одной башней. Его основные тросы закреплены не в массивных креплениях, описанных выше, а в опорной конструкции палубы самого мостика.

Возможно, самые амбициозные планы, которые в настоящее время разрабатываются для нового подвесного моста, - это те, которые соединят Сицилию с материковой частью Италии. Поскольку опорные башни должны быть построены на противоположных берегах Мессинского пролива, длина основного пролета будет 9 500-10 800 футов (2 900-3 300 м). В одном из предложенных проектов используются башни высотой 1312 футов (400 м). Разработчики надеются построить мост к 2006 году.