Подвесные мосты

Содержание

1. Висячие мосты                                                                                                                              3

2. Катастрофы при применении висячих мостов простейшей              

формы                                                                                                                                                          5

3. Современные висячие мосты                                                                                                  8

4. Примеры современных висячих мостов                                                                      10

Список литературы                                                                                                                              16

1. Висячие мосты

Висячий мост — мост, в котором основная несущая конструкция выполнена из гибких элементов (кабелей, канатов, цепей и др.), работающих на растяжение, а проезжая часть подвешена. Работа висячих конструкций на растяжение позволяет полностью использовать механические свойства высокопрочных материалов (стальной проволоки, капроновых нитей и др.), а незначительный вес их даёт возможность перекрывать сооружения с наибольшими пролётами. Висячие конструкции сравнительно просты в монтаже, надёжны в эксплуатации, отличаются архитектурной выразительностью.

Висячие мосты находят наиболее удачное применение в случае большой длины моста, невозможности или опасности установки промежуточных опор (например в судоходных местах). Мосты такого типа выглядят очень гармонично, одним из наиболее известных и красивых примеров является мост Золотые Ворота, расположенный на входе в бухту Сан-Франциско.

Основные несущие тросы (или цепи) подвешивают между установленными по берегам пилонами. К этим тросам крепят вертикальные тросы или балки, на которых подвешивается дорожное полотно основного пролёта моста. Основные тросы продолжаются за пилонами и закрепляются на уровне земли. Продолжение тросов может использоваться для поддержки двух дополнительных пролётов.

Под действием сосредоточенной нагрузки несущая конструкция может изменять свою форму, что уменьшает жёсткость моста. Для избежания прогибов, в современных висячих мостах дорожное полотно усиливают продольными балками или фермами, распределяющими нагрузку.

Используются также конструкции, в которых дорожное полотно поддерживается системой прямолинейных канатов, закреплённых непосредственно на пилонах. Такие мосты называются вантовыми.

Структура конструкции

Основные напряжения в висячем мосте — это напряжения растяжения в основных тросах и напряжения сжатия в опорах, напряжения в самом пролёте малы. Почти все силы в опорах направлены вертикально вниз и стабилизируются за счёт тросов, поэтому опоры могут быть очень тонкими. Сравнительно простое распределение нагрузок по разным элементам конструкции упрощает расчёт висячих мостов. Под действием собственного веса и веса мостового пролёта тросы провисают и образуют дугу. Ненагруженный трос, подвешенный между двумя опорами, принимает форму т. н. «цепной линии». Если весом тросов можно пренебречь, а вес пролёта равномерно распределён по длине моста, тросы принимают форму параболы. Если вес троса сравним с весом дорожного полотна, то его форма будет промежуточной между цепной линией и параболой.

Достоинства висячих мостов

 Основной пролёт можно сделать очень длинным при минимальном количестве материала. Поэтому использование такой конструкции очень эффективно при строительстве мостов через широкие ущелья и водные преграды. В современных висячих мостах широко применяют проволочные кабели и канаты из высокопрочной стали с пределом прочности 2—2,5 ГН/м², что существенно снижает собственный вес моста.

 Висячие мосты могут быть построены высоко над водой, что обеспечивает прохождение под ними даже высоких судов.

 Отсутствует необходимость ставить промежуточные опоры, что даёт большие преимущества, например, в случае горных разломов или рек с сильным течением.

 Будучи относительно податливыми, висячие мосты могут, без ущерба для целостности конструкции, изгибаться под действием сильного ветра или сейсмических нагрузок, тогда как более жёсткие мосты нужно строить более крепкими и тяжёлыми.

Недостатки висячих мостов

 Из-за недостаточной жёсткости моста может потребоваться перекрытие движения при штормовых погодных условиях.

 Прогибы моста в ответ на сосредоточенную нагрузку делают висячие мосты неприменимыми для железных дорог, так как в этом случае роль сосредоточенной нагрузки будет выполнять локомотив.

 Под действием сильного ветра опоры подвергаются действию большого крутящего момента, поэтому для них требуется хороший фундамент, особенно при слабых грунтах.

Сейчас мы твердо знаем что такое висячий мост, каковы его достоинства и недостатки, какова его структура конструкции и ее схемы и многое другое. Однако раньше люди не могли дать ответ на многие вопросы, мосты не были так хорошо изучены, поэтому случались разрушения. Такой горький опыт  заставил людей детально изучить свойства висячих конструкций. Чтобы знать как это происходило необходимо обратиться к истории развития и применения висячих мостов.

2. Катастрофы при применении висячих мостов простейшей формы

Начальный период строительства висячих мостов простейшего ти­па и их распространение связаны с большим количеством аварий и катастроф этих мостов.

Техника мостостроения не знает большего количества аварий, чем было при применении висячих мостов.

С момента, когда висячие мосты начали строиться, как у нас, так и за границей, вопросы колебаний висячих мостов, от которых и про­исходили разрушения мостов, не получили необходимого анализа.

Примитивность простейшей системы висячего моста и геометри­ческая изменяемость системы не смущали строителей мостов. Однако при эксплуатации таких мостов происходило их раскачивание от вер­тикальной и ветровой нагрузки, что приводило к повреждению мо­стов, их катастрофам или, в лучшем случае, вызывало заметные эксплуатационные неудобства.

Один из первых висячих мостов через р. Твид в Шотландии, про­летом 78 м, был разрушен ветром в 5 — 6 баллов через несколько ме­сяцев после постройки.

Вскоре был построен мост через р. Твид в Бервике (Англия), пролетом 40 м, который через 6 месяцев после окончания строитель­ства был разрушен ветром.

Брайтонский мост, построенный в 1823 г., был разрушен штормом в 1833 г. и затем после ремонта разрушен еще раз — в 1836 г.

По зарисовкам очевидца в момент катастрофы видно, что ката­строфа произошла от характерных для простейшей формы висячего моста S-образных колебаний, сопровождаемых скручиванием проез­жей части.

Мост Монтроз в Шотландии, построенный в 1829 г., обрушился в 1829 г. от перегрузки, с большим количеством жертв.

После ремонта он был вновь разрушен ветром в 1838 г. Свиде­тели видели, как мост колебался по двум полуволнам, что привело его к обрушению.

Мост через пролив Меней в Уэльсе, построенный в 1826 г., при пролете 177 м, был подвержен угрожающим колебаниям. Пролет ко­лебался волнообразно, волнами длиной 4,8 м. Через месяц мост был поврежден и затем получил повреждения в 1836 и 1839 гг.

Мост через р. Лан у Нассау (Германия), построенный в 1830 г., был сильно разрушен ветром в 1833 г., когда была разорвана цепь и сло­мана балка жесткости.

Мост Рош-Бернар во Франции, построенный в 1840 г., с прово­лочными кабелями при пролете 194 м был разрушен ветром в 1852 г. Мост Вилинг через р. Охайо (США) пролетом в 308 м, построенный, в 1848 1849 гг., был разрушен в 1854 г.

Очевидцы рассказывали, что обычные S-образные колебания вне­запно перешли в сильные скручивающие колебания, «мост нырял как, корабль в бурю», и каждое колебание давало новый, более сильный толчок, пока весь пролет не обрушился от разрыва тросов в кабеле.

Мост Люистон-Квикстон через р. Ниагару пролетом 306 м, по­строенный в 1851 г., едва не разрушился во время шторма в 1855 г.,

С целью уменьшения, угрожающих сохранности моста, S-образных его колебаний (по двум полуволнам) вблизи пилонов были добавлены наклонные ванты, поддерживавшие проезжую часть. После того, как наклонные ванты в 1864 г. были разъединены на время ре­монта, мост раскачался от ветра и обрушился.

Мост через Ниагарский водопад, построенный в 1868 г.,  пролетом 372 м был разрушен после ремонта в 1888 г. Врач, проезжавший ночью через мост, описал его движение, как качание лодки на  волнах. Утром никаких следов от моста не осталось, но   он  вскоре  был   восстанов­лен, «чтобы туристы не заметили его исчезновения».

Ряд мостов обрушился от прохода толпы, как, например: мост Броутон в Ланкашире, построенный в 1831 г., мост в Анжере (Фран­ция) пролетом 100 м (обрушился в 1850 г.), мост в Остраве (Чехия), построенный в 1891 г. (обрушился в 1896 г.), и др. Ряд мостов в Америке обрушился от прохода скота.

Мост в Филадельфии, построенный в 1809 г., обрушился в 1811 г., про­существовав менее двух лет; мост в Йоркшире в 1830 г., железнодорожный. Мост в Дурхеле через р. Тис, мост в Кентукки и т. д. Эти уроки катастроф по существу были забы­ты до обрушения в США 7 ноября 1940 г. Такомского висячего моста со средним пролетом 855 м.

От действия сравни­тельно слабого ветра го­ризонтальные его колеба­ния перешли во все  на­раставшие   по  времени S-образные (по  двум полуволнам) колебания, сопровождаемые  скручиванием   проезжей части. Величина вертикаль­ных амплитуд проезжей части доходила до 8 м, а проезжая часть при этом закручивалась  на 45 — 50° (рис. 2.1)

По мере приобретения опыта строительства висячих мостов про­стейшей формы с целью увеличения жесткости — уменьшения колеба­ний, висячие мосты начали усилять. Усиление заключалось в устрой­стве ветровых связей, устройстве жестких балок, расположенных вдоль моста в плоскости кабелей, называемых балками жесткости, устройстве наклонных вант, поддерживающих проезжую часть вблизи пилонов.

Все эти мероприятия однако являются недостаточными, так как Такомский мост, построенный в 1936 г., имел как балки жесткости, так и ветровые связи. Существо вопроса заключается в самой систе­ме главных ферм висячего моста, так как в основе ее оставалась, простейшая форма висячих ферм, в связи, с чем эти мосты сохраняли и присущие ей недостатки.

За последние годы, после изучения аварии Такомского висячего моста, было найдено, что простейшая система висячего моста, в ос­нове которой лежит естественная форма равновесия подвешенного каната, является системой аэродинамически мало устойчивой, чем и объяс­няется большое число аварий висячих мостов подобного типа.

Аэродинамически устойчивыми системами являются вантовые системы  и двухцепные висячие мосты.  

3

3. Современные висячие мосты

На примерах катастроф, связанных с раскачиванием и колебани­ями висячих мостов, была доказана необходимость введения жестких балок в структуру висячего моста. Начиная с середины 19 в. помимо гибкой цепи стали применять в мостах жесткие деревянные перила по типу ферм Гау и наклонные ванты, поддерживавшие проезжую часть вблизи пилонов.

Против горизонтальных раскачиваний начали применять диагональные связи под проезжей частью.

По выражению одного из современников, „катастрофы изгнали висячие мосты из Европы". Вернее следует сказать, что заблуждения в теоретических представлениях о работе висячих мостов исключили применение их в России и в Западной Европе. Примером тому являлся построенный в 1850 г. под железнодорожные нагрузки вися­чий мост «Британия» (Англия), который был переделан в процессе строительства на балочный, причем вся переделка заключалась в том, что были выкинуты цепи висячего моста и оставлены только жесткие балки с проезжен частью, что указывает на совершенно неоправдан­ные запасы прочности в балке жесткости, способной воспринимать самостоятельно нагрузки как балочной системы.

Такой подход к строительству висячих мостов в Европе продол­жался и после того, как была создана наука расчета строительных сооружений и когда расчет висячего моста явился лишь частной задачей общего метода.

В конце 19 в. и начале 20 в. в США продолжалось применение и строительство висячих кабельных мостов (примером чему является Бруклинский мост, пролетом 486 м с каменными пилонами, общей высотой вместе с опорами до 130 м), в то время как в Европе долго спорили о преимуществах и недостатках цепных и кабельных мостов.

Исключением в то время была Франция, где были разработаны вантовые системы мостов Жискляра, Лейнекугель ле Кока и др. и где применение вантовых мостов получило развитие наряду со строительством висячих мостов.

Строители висячих мостов в Европе, начиная с конца 19 в., пошли по пути увеличения жесткости висячих мостов (мост в Братиславе имеет жесткость 1/1500 пролета), путем отказа от применения стальных канатов.

Вопрос применения висячих мостов в Европе был поставлен в плоскость обеспеченности от возможных последствий непол­ноты теоретических знаний. От экономики и простоты решений не осталось и следа.

Следует отметить, что долго существовало убеждение в том, что висячий мост будет более жестким, если принимать ма­лые стрелы провеса каната или цепи, так как висячие мосты без балок жесткости имели меньшие S-образные прогибы, при изгибе проезжей части по двум полуволнам, при уменьшении стрелы про­веса и вследствие чего первые висячие мосты строились со стрелой провеса 1/12 1/15 пролета. Но что действительно для гибкой нити и экономически выгодно для висячих мостов простейшего типа, в которых применялись мас­сивные каменные пилоны, невыгодно и нецелесообразно для вися­чих мостов на современной стадии их развития.

Поэтому приме­ненные в висячих мостах стрелы постепенно, в зависимости от периода постройки моста, увеличивались до 1/7 пролета. Это увеличение или уменьшение выгодной величины стрелы провеса диктуется, главным образом, экономикой применения пило­нов. В прошлом столетии было невыгодно и сложно строить каменные пилоны большой высоты (каменные пилоны Бруклинского моста строились более 9 лет, т. е. 70% общего времени строительства моста), вследствие чего стрелу цепи выгодно было уменьшать, тем более, что это совпадало с требованиями к висячим мостам простей­шего типа об уменьшении стрелы очертания цепи, исходя из умень­шения величины прогибов.

Таким образом, переходный   период  от  простейших   форм   вися­чих мостов к рациональным системам характеризовался стремлением улучшить построенные мосты и, исходя из опыта   строительства мостов, применять наиболее жесткие и экономически   целесообразные системы и конструкции висячих мостов.

В основном, если не считать применения вантовых мостов во Франции, все усилия строителей и ученых сводились к улучше­нию простейшей одноцепной системы висячего моста посредством уточнения расчета и применения различных конструктивных меро­приятий (введение наклонных вант и т. д.). Однако эти стремления не решали вопроса и являлись полумерами, так как способность простейшей системы висячего моста к S-образному изгибу балки жесткости в них сохранялась.

Нельзя считать, что все введенные усовершенствования простей­шей формы висячего моста являются продуманными и универсаль­ными.

Примером этому является потерпевший катастрофу Такомский висячий мост и многие из построенных в 1940-е годы висячих мостов США, которые подвергались в процессе их эксплуатации угрожающим колебаниям.

В частности Бронк-Уайтстонский висячий мост после обрушения Такомского моста был немедленно усилен, а на остальных висячих мостах США были организованы наблюдение и контроль за их коле­баниями.

Выводы, которые были получены в США в результате анализа катастрофы Такомского моста, отмечают, что главная опасность кроется не в том, что слишком мала ширина висячих мостов больших   пролетов   (Такомский мост имел ширину  1/72 пролета), а в том, что слишком мала жесткость балок жесткости висячего моста, имеющего „лентовидную структуру".

В заключении своих выводов американские специалисты вынуждены заявить: „Более целесообразно научно устранить причины неустойчивости и малой жесткости висячих мостов, чем стараться найти какие-либо противоядия".

4. Примеры современных висячих мостов

4.1 Мост Золотые Ворота

Рисунок 4.1 Мост «Золотые ворота»

Мост «Золотые Ворота» — висячий мост через пролив Золотые Ворота. Он соединяет город Сан-Франциско на севере полуострова Сан-Франциско и южную часть Марин-Каунти, рядом с пригородом Саусалито. Мост «Золотые Ворота» был самым крупным висячим мостом в мире с момента постройки в 1934-м году и до 1964-го года.

Длина моста — 1970 метров, длина основного пролета — 1280, высота опор — 230 метров над водой. От проезжей части до поверхности воды — 67 метров. Стальная решетча­тая ферма жесткости высотой 7,6 м поддерживается двумя ка­белями из параллельных проволок диаметром 92,7 см.(кабель состоит из 61 пряди, каждая прядь состоит из 450 проволок.

Мост «Золотые Ворота» является единственным маршрутом из Сан-Франциско на север. Автомобильное движение по мосту осуществляется по шести полосам. В среднем, сто тысяч автомобилей в сутки проезжают по мосту. Ограничение скорости на мосту — 45 миль в час (~72 км/ч).

В южной оконечности моста и в его центральной части функционируют два звуковых сигнала для проводки судов в тумане. Эти горны используются по пять часов в день в самый туманный период года с июля по октябрь. А на верхушках мостовых опор расположены сигнальные светильники, предназначенные для самолетов.

Мост «Золотые ворота» - уникальное архитектурное сооружение, которое можно назвать одним из новых чудес света.

4.2 Бруклинский мост

Бру́клинский мост (англ. Brooklyn Bridge) — один из старейших висячих мостов в США, он пересекает пролив Ист Ривер и соединяет районы Бруклин и Манхеттен в городе Нью-Йорк. На момент окончания строительства он являлся самым большим подвесным мостом в мире и первым мостом, в конструкции которого использовались стальные прутья. Первоначальное название — Мост Нью-Йорка и Бруклина (англ. New York and Brooklyn Bridge).

Строительство моста заняло 13 лет. Мост обошелся в 15.1 миллионов долларов. Наконец, 23 мая 1883 года Бруклинский мост был введен в эксплуатацию.

Длина основного пролета - 486,3 м., длина боковых пролетов – 287м , полная длина моста – 1825 м.,  высота моста – 42 м., Высота опор – 84м.,. Проезжая часть поддерживается четырьмя кабелями диаметром 39,4 см. каждый. Кабель состоит из 5282 параллельных проволок диаметром по3 мм. В плоскости каждого кабеля размещено по 40 наклонных вант с обеих сторон пилонов. Главная балка состоит из 6 продольных решетчатых ферм, соединенных поперечными балками. Фермы имеют высоту 5,2 м. Отношение высоты балки жесткости к пролету 1:94.

Облик Бруклинского моста известен во всем мире: настил его паутинообразной металлической конструкции подвешен на четырех закрепленных по краям тросах, поддерживаемых двумя гранитными башнями в неоготическом стиле.

По мосту осуществляется как автомобильное, так и пешеходное движение — вдоль он разделен на три части. Боковые полосы используются автомобилями, а средняя, на значительном возвышении, пешеходами и велосипедистами.

4.3 Мост Цин Ма

Цин Ма (Tsing Ма, 青馬大橋) — висячий мост в Гонконге, пятый в мире по длине. Соединяет остров Цин И на востоке и остров Мавань на западе, является частью магистрали Лантау, которая с тремя другими мостами соединяет Новые Территории, и остров Чек Лап Кок, где располагается Международный аэропорт Гонконга. Железная дорога - часть системы метро MTR, ветки Тунг Чунг и международного аэропорта. Мост по проекту компании «Yee Associates» и явля­ется самым протяженным мостом, предназначенным для автомобильных и железнодорожных перевозок. (Мост не имеет тротуаров. Парковка на нем также запрещена). Создание моста началось в 1992 году, закончилось в 1997. Магистраль Лантау открылась 27 апреля 1997 года. Строительство моста обошлось в 7,2 миллиарда гонконгских долларов. На церемонии открытия присутствовала бывший премьер министр Англии Маргарет Тэтчер.

Полная длина - 2,200 м., длина основного пролета - 1,377 м., высота опор - 206 м., диаметр тросов -1,1 м., высота моста - 62 м.

Мост имеет два уровня, На верхнем уровне расположена шестиполосная автомагистраль, по три полосы в каждом направлении. На нижнем - два железнодорожных пути и запасная двухполосная автодорога для служебных целей и для движения во время сильных ветров. Мост не имеет тротуаров.

Цин Ма стал излюбленным живописным местом и известной достопримечательностью. Для получения актуальной информации можно посетить Туристический центр и смотровую площадку Лантау, расположенные на северо-западе острова Цин И.    

4.4 Мост Акаси-Кайкё

Акаси Кайкё (яп.明石海峡大橋       Акаси Кайкё: Охаси) — висячий мост в Японии, пересекающий пролив Акаси (Акаси Кайкё:) и соединяющий города Кобе на острове Хонсю с городом Авадзи на острове Авадзи. (ГИП Акаши-Кайке – Суритано Карина.) Является частью магистрали Хонсю—Сикоку. Центральный пролёт моста является самым длинным в мире и имеет длину 1991 метр. Это один из трёх мостов, соединяющих острова Хонсю и Сикоку.

Мост имеет три пролёта: центральный длиной 1991 метр и две секции по 960 метров. Общая длина моста — 3911 метров. Изначально планировалось, что длина главного пролёта составит 1990 метров, но она увеличилась на один метр после землетрясения в Кобе 17 января 1995 года. В конструкции моста имеется система двухшарнирных балок жёсткости, позволяющая выдерживать скорости ветра до 80 метров в секунду, сейсмическую активность до 8,5 баллов по шкале Рихтера и противостоять морским течениям. Пилоны поднимаются на высоту 297 м.

Параметры кабелей:

                        Длина каждого главного кабеля - 4 073 метров.

                        Диаметр главного кабеля - 112 см

                        Диаметр каждой проволоки - 5.23 мм (3/16 дюйм)

                        Количество прядей в каждом главном кабеле - 290

                        Число проволок в каждой пряди  - 127

                        Общее количество проводов в каждом кабеле - 36 830

                        Вес каждого главного кабеля - 50 460 метрических тонн (~56 000 тонн)

Мост предназначен под 6-полосное скоростное движение автотранспорта

Мост Акаси-Кайкё дважды вошёл в книгу рекордов Гиннесса: как самый длинный подвесной мост, и как самый высокий мост. И ещё один любопытный факт: если вытянуть в длину все стальные тросы моста Акаси-Кайкё, то ими можно было бы опоясать Землю целых семь раз.

4.5 Кры́мский мост

Кры́мский мост — единственный в Москве висячий мост, проходит через Москву-реку, расположен на трассе Садового кольца и соединяет Крымскую площадь с улицей Крымский вал.

Проезды вдоль набережных проходят под мостом в береговых пролётах между пилонами и анкерными устоями на концах цепей. Пандусы подходов устроены по железобетонным эстакадам, фасадные стороны которых закрыты стенками, облицованными гранитом. Под эстакадами размещены гаражи. Для спуска с тротуаров моста вдоль стенок подходов устроены лестницы.

Историческая справка.

Раньше на месте современного моста находился Никольский деревянный мост, построенный в 1789 по проекту А. Герарда. В 1870-е гг. обветшавший мост был заменён металлическим с двумя решётчатыми балочными пролётными строениями (автор проекта В. К. Шпейер); в 1936 мост был передвинут на 50 м вниз по течению Москвы-реки, а затем разобран.

Мост получил своё название от древнего Крымского брода, через который переправлялись крымские татары при набегах на Москву.

Тип конструкции, который использовали инженер Б. П. Константинов и архитектор А. В. Власов при проектировании Крымского моста, оригинален и редко встречается в мировой практике: его пилоны, каждый высотой 28,7 метров, стоят отдельно и по верху не соединены. Через верх проходят цепи, закреплённые в устоях на концах моста. Полная длина каждой цепи 297 м, общий вес металлических конструкций около 10 000 тонн.

Параметры моста.

Открытие моста состоялось 1 мая 1938 г. В то время Крымский мост вошёл в первую шестёрку мостов Европы по длине речного пролёта — 168 метров. Мост имеет три пролета (47,5+168+47,5 м), его общая длина — 688 м, ширина 38,5 м. Высота пилонов – 28,7м. . Цепь из пластин соединена на болтовых шарнирах. Длина цепи – 297м.ю Балка жесткости неразрезная, П-образного сечения со сплошной стенкой. Пилоны поверху не имеют соединительного ригеля.

Список литературы

1. Смирнов В.А. Висячие мосты больших пролетов. – М.: Высшая школа,1970. – 408с.: ил.

2.Цаплин С.А. Висячие мосты. – М.: ДОРИЗДАТ, 1949 – 288с.:ил.

3 Передерий Г.П. Курс мостов. – М.: ГОСЖЕЛДОРИЗДАТ, 1933. – 489с.: ил.

4. Щусев П.В. Мосты и их архитектура. – М.: изд-во по строительству и архитектуре, 1953. – 360с.: ил.

5. http://www.am-bridge.com.ru

6. http:// www.Bridgemeister.com

7. http://ru.wikipedia.org

8