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.