Висячие и вантовые мосты

Содержание

Введение ………………………………………………………….3

Инженерные особенности висячих  конструкций ……………………….5

Висячие мосты……………………………………………………7

Вантовые мосты………………………………………………….14

Заключение………………………………………………………18

Список использованных источников…………………………..19

Введение

       Висячие мосты и вантовые (как тип висячих) — мосты, в которых 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.

       Преобладающее большинство металлических сооружений и конструкций выполняется из стали, которая в современном строительстве остается одним из основных видов строительных материалов.    Благодаря высокой прочности стальные конструкции оказываются более легкими и технологичными при возведении сооружений любых размеров. В промышленном и гражданском строительстве в применении металлических конструкций наблюдается тенденция роста, несмотря на широкое использование железобетона (их доля от общего числа сооружений — примерно 15–25%).  Тем не менее основной и более дешевый строительный материал – железобетон – не мешает использованию стали, без которой он и сам не может существовать как композитный материал.    Стремление перекрывать большие пространства выражено наиболее ярко в строительстве. Особое положение в нем занимают так называемые висячие и вантовые сооружения – самые эффективные при перекрытии акваторий огромных размеров. В современной мировой практике максимальная длина пролета приближается к двухкилометровому рубежу и составляет 1991 м. Построено небольшое количество висячих сооружений, но с точки зрения их экономичности, эстетической значимости и влияния на окружающую среду они представляют определенный интерес.  

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. 

Рисунок 1. - мост «Золотые Ворота» (висячий)

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. 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.

Конструкции, в которых дорожное полотно поддерживается системой прямолинейных канатов, закреплённых непосредственно на пилонах называются вантовыми.

Рисунок 2. – мост «Русский» (вантовый)

Инженерные особенности  висячих конструкций

В 1834 г. Был изобретен проволочный трос – новый конструктивный элемент, нашедший очень широкое применение в строительстве, благодаря своим замечательным свойствам – высокой прочности, малой массе, гибкости, долговечности. В строительстве проволочные тросы были впервые применены в качестве несущих конструкций висячих мостов, а затем уже получили распространение в большепролетных висячих покрытиях.

Основными несущими элементами висячих  конструкций являются гибкие тросы, ванты, цепи или кабели. Они работают только на растяжении и несут подвешенные к ним ограждающие горизонтальные, а иногда и вертикальные конструкции. Их достоинством является то, что работа пролетного элемента на растяжение позволяет максимально использовать расчетное сопротивление высокопрочных сталей, перекрывая большие пролеты при относительно невысоком расходе материалов, а недостатком – повышенная деформативность и кинематическая податливость. Стабилизация конструкции достигается:                              

1. предварительным напряжением вант, осуществляемым монтажным пригрузом, домкратами, электротермическим методом и др.;
2. применением конструктивных форм повышенной жесткости (предварительно напряженных двухпоясных систем, вантовых ферм и др.);    
3. использованием гибких пролетных элементов, обладающих наряду с осевой также и изгибной жесткостью;
4. предварительным напряжением опорного контура.  

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.

Вантовые висячие металлические  конструкции являются распорными системами. Распор висячего элемента может передаваться непосредственно в фундаменты, разомкнутый опорный контур или восприниматься в уровне покрытия опорными конструкциями (замкнутый опорный контур).  Висячие конструкции могут быть плоскими и пространственными. В плоскостных системах помимо одиночных параллельных несущих тросов используют опорные пилоны, через которые перекинуты тросы и специальные анкерные крепления тросов к фундаментам, воспринимающим вертикальные и горизонтальные опорные реакции. В пространственных системах обязательным конструктивным элементом помимо рабочих тросов является жесткий опорный контур (железобетонный или стальной), воспринимающий распор от системы тросов, которые образуют криволинейную поверхность для укладки покрытия. Вертикальные реакции покрытия передаются на стойки, поддерживающие опорный контур, или другие вертикальные конструкции.

Развитие железобетонных мостов повлекло большое применением преднапряженных конструкций, использование которых изменило пропорции мостов, сделав их более легкими.

Технология начинает приобретать особое значение с середины 60-х гг. XX в. Явление это носит  общий характер и затрагивает  не только строительство, но и все  остальные виды производственной деятельности. В мостостроении технологический фактор присутствовал всегда. Однако никогда  
технологический процесс не определял в такой степени конечную форму постройки. Выбор конструкции для моста стал в значительной степени определяться удобством применения той или иной технологической схемы. Процесс строительства оказывает влияние на новые конструктивные разработки; появился термин "технологичная" и "нетехнологичная" конструкция. Одним из современных способов монтажа железобетонных пролетных строений является навесная сборка или ее разновидность при строительстве мостов из монолитного бетона - навесное бетонирование. Ее популярность привела к появлению большого количества рамно-консольных и рамно-подвесных мостов.

Висячие мосты

Висячие мосты занимают видное место в истории мостостроения. Они появились на заре развития человеческого общества и в ранний период имели весьма примитивные конструктивные формы. Через ущелье, горный поток или овраг перекидывалось две или несколько толстых веревок, иногда просто лиан (основные несущие элементы); пространство между ними застилалось или закладывалось досками, и мост был готов. Иногда протягивался еще один свободный канат, чтобы служить поручнем. Такого типа мосты встречались в Южной Америке, Японии, Тибете, на Кавказе и в других местах.

Они были весьма несовершенны, обладали малой грузоподъемностью, плохо сопротивлялись ветровым нагрузкам и сильно раскачивались даже от тяжести одного человека. Изображенный на рис.1 (сверху) висячий мост имел пролет 40 м, ширину 2,5 м и был укреплен на деревьях, стоящих на берегах. На канатах моста, сделанных из агавы, был уложен легкий бамбуковый настил.

В Китае около 3000 лет тому назад  начали строить висячие мосты, настил на которых укладывался непосредственно на туго натянутых цепях или канатах, закрепляемых в скалах на берегах.

Первый висячий мост, описанный  в литературе, конструктивная схема которого близка к современным схемам висячих мостов, был построен в 1741 г. в Англии через реку Тисс. Характерной особенностью этого моста являлось наличие самостоятельной проезжей части, соединенной с цепью подвесками. Этот мост имел пролет 21 м и служил для прохода горнорабочих.

За истекшие 266 лет с момента  открытия указанного выше моста во всех странах мира было построено  большое количество висячих мостов, конструкция которых постоянно совершенствовалась, а пролеты увеличивались. Уже в начале XIX века выявились их экономические преимущества перед каменными. К концу XIX века мосты имели уже значительные пролеты. Пролетные строения стали опирать не на цепные, а на кабельные подвесы из высокопрочных материалов.

Переход от примитивных конструкций  висячих мостов к современным  системам относится к XVII—XVIII вв. и связан с именами испанца Веррантиуса (дал с своем сочинении описание висячих мостов на железных цепях, где указывалась конструкция с отделением полотна моста от поддерживающих цепей. Полотно прикреплялось к цепям на подвесках), француза Пойе (предложил систему, в которой полотно моста поддерживалось вантами, идущими от двух высоких мачт) и англичанина Джеймса Финли. Последний получил на свою висячую систему патент в 1808 году, в которой цепь выполнялась из кованых звеньев, соединенных между собой по длине моста короткими соединительными звеньями в местах подвесок, расположенных друг от друга на равных расстояниях. Цепи на берегах опирались на каменные столбы и были пропущены в анкерные устои, где и закреплены в них своими концами. К подвескам была подвешена проезжая часть моста, состоящая из поперечных балок и настила.

Первые висячие мосты, оказавшиеся  способными соответствовать современным  требованиям, были построены в Северной Америке в конце XVIII столетия (более 50 мостов). Первый висячий мост был построен Джеймсом Финли в Пенсильвании в 1796 г. В начале XIX века в этом штате существовало уже довольно много таких мостов. Самым крупным из них был мост в 91,8 м через через реку Скукл (Schuylkill) близ Филадельфии.

Характерно, что ни один из висячих  мостов раннего периода строительства не имел каких-либо ветровых связей, так как считалось, что цепь имеет естественную форму равновесия и будет к ней возвращаться, независимо от величины и направления прогибов.

Итак, в первом периоде, продолжавшемся примерно до 1810 г., строились, как правило, цепные мосты небольших пролетов. Они обладали значительным собственным весом и сравнительно небольшой грузоподъемностью. Основным несущим элементом таких мостов являлась цепь, составленная из колец или отдельных жестких элементов, соединенных между собой болтами (шарнирами).

В начале XIX века уже выявились экономические  преимущества висячих мостов по сравнению с каменными мостами, которые имели в то время широкое распространение. Так, например, построенный в 1820 г. в Англии висячий мост через реку Твид пролетом 110 м стоил примерно в 4 раза дешевле каменного моста такой же длины.

Британские инженеры последовали  примеру американцев, в результате чего на протяжении первой четверти XIX века было построено много цепных мостов и в Англии. Крупнейший из них — мост Меней, соединяющий берег Уэльса с островом Англси, был спроектирован и построен Томасом Тельфордом. Строительство велось с 1822 по 1826 гг. В 1826 г. в Англии состоялось открытиие Менейского цепного моста, который прослужил около ста лет, имел пролет 177 м при отношении стрелы к пролету 1/12.

В этот же период был построен еще  ряд мостов во Франции, США и других странах, пролеты которых не превышали 150 м. Строительная практика висячих мостов опережала теоретическую их разработку, так как строившиеся висячие мосты, состоявшие из цепи, к которой подвешена проезжая часть, представляли собою гибкую изменяемую систему, что приводило к колебаниям и большим прогибам таких примитивных висячих мостов, к расстройству соединений, авариям и катастрофам.

Однако, несмотря на неблагоприятные последствия разрыва между практикой строительства висячих мостов и состоянием теоретической разработки этого вопроса, висячие мосты были незаменимыми системами для больших пролетов (применение их вызывалось низким состоянием техники постройки опор мостов), а обрушенные мосты вновь и вновь восстанавливались и усиливались.

По неполным статистическим данным из висячих мостов больших  пролетов от 60 м и выше, построенных начиная с 1741 г. по 1885 г., 82 моста просуществовали от 50 до 120 лет, 30 мостов - от 20 до 50 лет и 6 мостов менее 10 лет. Несмотря на отрицательные качества простейшей формы висячего моста, эти мосты оказались не менее долговечными, чем другие системы мостов, что объясняется простотой усиления и реконструкции, которой характеризуются висячие мосты.

Для небольших, в то время  существовавших, нагрузок гибкость системы  моста не вызывала каких-либо сомнений в прочности моста и не затрудняла движения по нему «легких нагрузок», вследствие чего инженеры того времени заблуждались, считая преимуществом и естественными природными качествами гибких висячих мостов возвращение гибкой цепи или каната моста к его первоначальному виду, после прохода нагрузки, т. е. стремились теорию висячих мостов построить на использовании простейшей формы естественного равновесия каната, переброшенного с берега на берег.

Гибкие мосты простейшего  типа получили наибольшее развитие после 1822 г., когда был изобретен кабель из проволоки с высокими допускаемыми напряжениями и с прядением этого кабеля на месте из отдельных проволок или прядей при сооружении висячих мостов.

Вторая четверть XIX века ознаменовалась широким применением кабельных висячих мостов, в которых основной несущий элемент (цепь) был заменен тросом (проволочным кабелем). Это привело к значительному прогрессу, так как кабель обладал более высокой прочностью по сравнению с цепью. Изобретение стальных проволочных канатов дало возможность строить мост навесу без подмостей и расширить строительство висячих мостов до весьма больших пролетов. 

В этот период был построен целый ряд кабельных мостов во Франции, Англии, Америке и других странах.

Открытый в 1834 г. висячий  мост в Швейцарии близ Фрейбурга оказался в то время уникальным. Он имел пролет 265 м, стрелку кабеля 1/14 пролета, ширину проезжей части 6,5 м и перекрывал долину реки на высоте 51 м над уровнем воды. Мост подвешен на 4 кабелях, диаметром по 135 мм, причем каждый кабель состоял из 1056 проволок толщиною 3,8 мм с временным сопротивлением 82 кг/мм².

Рисунок 3. – мост « Г. Вашингтона» через р. Гудзон в Нью-Йорке 

Увеличение временных нагрузок, неправильная заделка канатов и. цепей в устоях, а также действие ветра, приводившее к большим колебаниям всей системы (основанной на примитивном использовании естественной формы равновесия каната) в горизонтальной и вертикальной плоскостях, привели в ряде мостов к тяжелым катастрофам и авариям. Последующий примерно столетний период характерен массовым строительством висячих мостов во многих странах мира. Конструкции висячих мостов быстро совершенствовались. Стали применяться высокопрочные материалы, а пролеты мостов постоянно увеличивались и к началу XX столетия приближались к 500 м. Так, например, в 1883 г. был построен знаменитый Бруклинский мост в Нью-Йорке с грандиозным пролетом - 486 м.

В XX веке было построено большое количество висячих мостов, основные достижения технологии их строительства таковы:

В 1929 г. был построен Амбассадорский мост через реку Детройт вышедший на первое место среди всех систем мостов по длине пролёта, превзойдя Квебекский мост с пролётом 548 м. Мост соединил две соседние страны — Канаду и США. Строительство продолжалось два года. Средний пролет моста равен 563 м. Высота стальной решетчатой балки жесткости - 6,7 м. Отношение высоты балки жесткости к пролету 1 : 84. Ширина проезжей части 14,1 м, тротуаров — 2,4 м. Мост поддерживается двумя кабелями, состоящими из параллельных проволок. Диаметр каждого кабеля 48,9 см.

 
Рисунок 4. -  Поперечное сечение моста через реку Гудзон.

 
 
В 1931 г. построен мост через Гудзон длиной 1067 м, — первый мост, превзошедший километровый пролёт, окончательно закрепивший превосходство висячих систем. Мост имеет стальные решетчатые пилоны высотой 181 м. Пролет его равен 1067 м. Поперечное сечение моста показано на рис. 1.3. Расстояние между двумя балками жесткости равно 32,29 м. Проезжая часть поддерживается четырьмя кабелями диаметром 91,4 см. Кабели этого моста состоят из 61 пряди. Каждая прядь изготовлена из 434 проволок диаметром 4,9 мм. Временное сопротивление проволоки 155 кН/ см², а условный предел текучести -105 кН/см². Подвески, между которыми расположены тротуары имеют диаметр 78 мм. Каждая поперечная балка подвешена четырьмя подвесками. Всего в одном кабеле содержится 26474 параллельных проволок. Общая длина проволок в кабеле составляет 171 000 км. Мост был спроектирован двухъярусным. В 1929 г. был сооружен только верхний ярус для восьми полос автомобильного движения. В середине — проезд шириной 12,2 м — предназначен для грузового транспорта, а по бокам полосы для легковых автомобилей.

В период с 1959 по 1962 гг. был  пристроен нижний ярус, что позволило справиться с возросшим транспортным потоком. В результате пристройки образовалась ферма жесткости высотой 9,14 м.

В 1937 г. в Сан-Франциско построен мост Золотые Ворота, длина 1280 м, предмет национальной гордости американцев (на праздновании 50-летия моста в 1987 г. собралось 150 000 человек), получил много призов за красоту, особый эффект от оранжевого кабеля на фоне голубого океана. В 1953 г. после катастрофы с висячим мостом в Такомской Долине (1940 г.), мост «Золотые Ворота» был усилен горизонтальными удерживающими кабелями.

В 1940 г. через пролив Пюджет Саунд был построен трехпролетный Такомский мост, который, просуществовав всего четыре месяца, обрушился от колебаний, вызванных действием ветра.

В октябре 1950 г. было открыто  движение по новому Такомскому мосту, построенному на том же месте с использованием старых фундаментов опор. Длина главного пролета равна 853 м. Новый мост отличается от старого балкой жесткости, выполненной в виде стальной решетчатой фермы высотой 10 м. Балка жесткости поддерживается двумя кабелями диаметром 50,8 см.

В 1965 г. в Нью-Йорке построен мост «Верразано-Нерроуз», длина 1298 м, — последний американский мировой рекорд, остающийся до сих пор рекордом Америки.

В 1997 г. в Японии, между островами Сикоку и Хонсю построен мост Акаси-Кайкё, который дважды вошёл в книгу рекордов Гиннесса: как самый длинный подвесной мост — длина одного его пролёта составляет 1991 м — и как самый высокий мост, так как его пилоны поднимаются на 297 м, что выше девяностоэтажного дома. Общая же протяжённость этого уникального трехпролетного сооружения составляет 3911 м. Несмотря на огромные размеры моста, его конструкция достаточно прочна, чтобы выдержать порывы ветра до 80 м в секунду и землетрясения до 8 баллов по шкале Рихтера, которые нередки на Дальнем Востоке.

 В нашей стране висячие мосты не получили такого большого развития, как в США, Англии, Франции, Японии и других странах. Во-первых, они появились у нас значительно позже. Г. П. Передерий считает, что первый висячий мост в России был построен в 1823 г. в Петербурге в Екатерингофском парке и имел пролет 15,2 м. Отставание в этой области объясняется многими причинами, одна из которых заключается в отсутствии сравнительно больших водных преград, которые требовали бы строительства столь больших пролетов.

Первые висячие мосты  в России построены в Петербурге в 1820-1830-е гг.:

1823 г., пешеходный мостик в Екатерингофском парке пролетом 15,2 м; 
1824 г., Пантелеймоновский мост через р. Фонтанку у Летнего сада, L = 40 м (разобран в 1905 г. после разрушения соседнего Египетского моста при проходе кавалерийского отряда).

Некоторые пешеходные висячие  мостики того периода сохранились до сих пор: Почтамтский (через Мойку), Банковский и Львиный (через канал Грибоедова). 
1836 г., г. Брест-Литовск, первый в России висячий мост на проволочных канатах, L = 89 м.

1847 г., г. Киев, р. Днепр, четырехпролетный мост, L = 134 м, разрушен белополяками в 1920 г.

В XX в. на территории СССР построен ряд висячих мостов весьма больших пролетов под трубопроводы (р. Амударья, L = 660 м; р. Днепр, L = 720 м) и  временный мост пролетом 874 м через  Волгу под конвейерную линию  при строительстве ГЭС.

Самым же известным российским висячим мостом является Крымский мост через Москва-реку.

Рисунок 5. – «Крымский  мост»

Своё название мост унаследовал  от когда-то существовавшего на месте  моста Крымского брода, через который переправлялись татары при набегах на Москву. Построенный в 1938 г., общей длиной в 688 м, он в то время вошёл в первую шестёрку мостов Европы по длине речного пролёта — 168 м. Тип конструкции, который использовали инженер Б. П. Константинов и архитектор А. В. Власов при проектировании Крымского моста, очень редко встречается в мировой практике. Его пилоны стоят отдельно и поверху не соединены. Несмотря на то, что вес металлических конструкций Крымского моста достигает 10 000 т, мост кажется очень лёгким и ажурным. И хотя Крымский мост уже стал одной из визитных карточек Москвы, в мировой табели о рангах он занимает более чем скромное место.

Вантовые мосты

Ва́нтовый мост — тип висячего моста, состоящий из одного или более пилонов, соединённых с дорожным полотном посредством прямолинейных стальных тросов — вантов. В отличие от висячих мостов, где дорожное полотно поддерживается вертикальными тросами, прикреплёнными к протянутым по всей длине моста основным несущим тросам, у вантовых мостов тросы (ванты) соединяются непосредственно с пилоном. Одним из преимуществ вантовых мостов является относительная неподвижность дорожного полотна, что делает их пригодными для использования в качестве железнодорожных мостов.

Большое разнообразие схем вантовых мостов можно разделить  на две группы:

1. Мосты с решетчатыми вантовыми фермами;

2. Вантовые мосты с балкой жесткости.

Вантовые мосты с  фермами являются распорными и статически определимыми, их устраивают без балок жесткости. Все элементы ферм изготовляют из стальных канатов, и работать они должны только на растяжение.

Под проезжей частью вантовых ферм устраивают продольные связи с  поясами. Распор от вант наверху пилонов  передается оттяжкам, а затем — анкерным опорам. Применять вантовые фермы выгодно под легкую автомобильную нагрузку для пролетов до 180—200 м. Основное их достоинство — более экономный расход стали по сравнению с другими системами мостов. Строительство мостов с Байтовыми фермами в нашей стране было распространено в 30-х годах.

Одно из важнейших  условий при выборе схемы Байтовой фермы — обеспечить растяжение во всех вантах при любом расположении временной нагрузки. Невыполнение этого  условия ведет к выключению из работы вант, что вызывает изменяемость схемы с возникновением больших прогибов. Байтовые фермы применяются и для трубопроводных переходов.

К недостаткам вантовых ферм относится большое число  узлов и сложность монтажа. Вес  это побудило в последние годы отказаться от применения их в мостостроении.

В послевоенный период, как  бы на смену пантовым фермам, появляется новая прогрессивная форма —  вантово-балочная. Эта система характеризуется  устройством балки жесткости, поддерживаемой прямыми наклонными вантами. Основные преимущества вантово-балочных мостов: меньший расход металла по сравнению с другими системами; большая жесткость; возможность перекрывать большие пролеты (в настоящее время максимальная длина — 457,2 м); удобство создания аэродинамически устойчивой конструкции; возможность применения экономичных методов монтажа. В СССР были построены ряд выдающихся вантово-балочных мостов с большими пролетами: в Череповце (194 м), в Киеве {300 м), в Риге (312 м) и др.