Көпірлер: Аркалы құрылымдар тарихы мен түрлері

Кіріспе

Доға тәрізді тіреулермен көпір
құрылыс түрі

Доға тәрізді көпір – екі шетінде қисық доға тәрізді пішінді тіреулер бар көпір. Доға тәрізді көпірлер көпірдің және оның жүктемесінің салмағын екі жақтағы тіреулермен шектелген көлденең итермелеуге бөліп беру арқылы жұмыс істейді. Виадук (ұзын көпір) бірнеше доғалардан тұруы мүмкін, бірақ қазіргі таңда көбінесе басқа, тиімдірек құрылымдар қолданылады.

Тарих

Мүмкін, ең көне сақталған аркалы көпір – Грециядағы Микендік Аркадико көпірі, ол шамамен б.з.д. 1300 жылы салынған. Тас аралықтарымен салынған аркалы көпір әлі күнге дейін жергілікті халық тарапынан қолданылады. Ежелгі грек дәуіріндегі Элеутерна көпірі үшбұрышты аралық аркаға ие. Б.з.д. 4 ғасырдағы Родос жаяу өткелі ертедегі воссер арқасына сүйенеді. Шынайы аркалар этрусктіктер мен ежелгі гректерге белгілі болғанмен, римдіктер – күмбез бен дөңгелек сияқты – көпір салу үшін аркалардың әлеуетін толыққанды пайдаланған алғашқылар болды. Инженер Колин О’Коннор құрастырған римдік көпірлер тізімінде 330 тас римдік көпір, 34 ағаш римдік көпір және 54 римдік су тас жолдары көпірі бар, олардың көп бөлігі әлі де тұр және тіпті көліктерді тасымалдау үшін қолданылады. Итальян ғалымы Витторио Галлиаццо жасаған толық зерттеуде 26 елде (бұрынғы Югославияны қоса) 931 римдік көпір табылды, олардың көпшілігі тастан салынған. Римдік аркалы көпірлер әдетте жартылай шеңберлі болған, бірақ олардың көпшілігі сегменттік аркалы көпірлер болды (мысалы, Альконетар көпірі), яғни жартылай шеңберден кіші қисық аркасы бар көпірлер. Сегменттік аркалы көпірдің артықшылығы – оның астынан үлкен су тасқыны өтуіне мүмкіндік беруі, бұл көпірдің су тасқыны кезінде сүрінуін болдырмайды және көпірдің өзі жеңіл болуы мүмкін. Жалпы, римдік көпірлерде бірдей өлшем мен пішіндегі, сырға тәрізді негізгі арка тастары (воссерлер) қолданылған. Римдіктер бір жақты және көп аркалы су тас жолдарын, мысалы Пон-дю-Гар және Сеговия су тас жолын салған. Олардың көпірлері ерте заманнан бастап, мысалы Римдегі Понс Фабрициус (б.з.д. 62 ж.), әлі де тұрған әлемдегі ең көне үлкен көпірлердің бірінде, кеме қабылдауларында су тасқыны үшін ашылулармен жабдықталған. Рим инженерлері бірінші болып және өнеркәсіптік революцияға дейін бетоннан көпірлер салған жалғыз адамдар болды, оны Opus caementicium деп атады. Сыртқы жағы әдетте кірпішпен немесе Алькантара көпіріндегідей тас қаптамамен жабылған. Римдіктер көпір құрылысына сегменттік аркалы көпірлерді де енгізді. Түркияның оңтүстік-батысындағы Лимира көпірінде 26 сегменттік арка бар, олардың орташа аралығы 5.3:1-ге тең, бұл көпірге мың жылдан астам уақыт бойы теңдесі жоқ ерекше жазық пішін береді. Траянның Дунайдағы көпірі ағаштан жасалған (бетон тіректеріне тіреліп тұрған) ашық шпандельді сегменттік аркалармен ерекшеленді. Бұл жалпы және жеке ұзындығы бойынша мың жыл бойы ең ұзын аркалы көпір болуы керек еді, ал ең ұзын сақталған римдік көпір – Меридадағы Пуэнте Романо. Каппадокиядағы Римнің кейінгі кезеңіндегі Кармагара көпірі тік аркасы бар ең көне көпір болуы мүмкін. Ортағасырлық Еуропада көпір салушылар римдік құрылымдарды тар тіректері, жұқа аркалы бөшкелері және көпірлердегі көтерілу қатынастарын жоғарылату арқылы жақсартты. Готикалық тік аркалар да енгізіліп, бүйірлік итермелеуді азайтты, ал эксцентриктік Пуэнте-дель-Дьябло (1282) сияқты аралықтар артты. Әсіресе 14 ғасырда көпір құрылысы жаңа биіктерге жетті. Бұрын таспен қалау тарихында кездеспеген аралық ұзындықтары Испанияда (Пуэнте-де-Сан-Мартин), Италияда (Кастельвеккио көпірі) және Францияда (Шайтан көпірі және Гранд-Понт) сияқты әртүрлі жерлерде және жартылай дөңгелек, тік және сегменттік аркалар сияқты арка түрлерімен қол жеткізілді. 15 ғасырда қираған Треццо-суль-Аддадағы көпірдің аралығы 1796 жылға дейін теңдесі жоқ 1760 метрді құрады. Флоренцияның танымал сегменттік аркалы көпірі Понте Веккио (1345) сияқты құрылыстар берік инженерияны (аралық пен көтерілу арақатынасы 5.3:1-ден жоғары) эстетикалық тартымдылықпен біріктірді. Ренессанс дәуіріндегі Санта-Тринита көпірінің (1569) үш әдемі аркасы әлемдегі ең көне эллипстік аркалы көпір болып табылады. Мұндай төменгі құрылыстарға үлкен тіректер қажет болды, олар Венецияның Риальто көпірі мен Нюрнбергтегі Флейшбрюккеде (көтерілу арақатынасы 6.4:1) мыңдаған ағаш қазықтарға негізделген, олар бүйірлік итермелеуге тиімді қарсы тұру үшін көлбеу бұрышпен жерге қазылған. Қытайда ең көне сақталған аркалы көпір – біздің заманымыздың 605 жылы салынған Жаочжоу көпірі, ол 5.2:1 арақатынаста өте төмен аралықты пайдаланып, шпандельді аркаларды (темір жақшалармен бекітілген) қолданды. Жаочжоу көпірінің ұзындығы 51 метр, аралығы 37 метр, ол әлемдегі бірінші толық тас ашық шпандельді сегменттік аркалы көпір болып табылады, бұл су тасқыны үшін үлкен өткелді қамтамасыз етеді. Перфорацияланған шпандельді көпірлер бүкіл әлемде кездеседі, мысалы Қытайда (Жаочжоу көпірі, 7 ғасыр), Грецияда (Арта көпірі, 17 ғасыр) және Уэльсте (Сенарт көпірі, 18 ғасыр). Көбірек заманауи дәуірде тас және кірпіш аркалары көптеген азаматтық инженерлер, соның ішінде Томас Телфорд, Исамбард Кингдом Брунель және Джон Ренни салған. Басты новатор Жан Родольф Перроне болды, ол әлдеқайда тар тіректері, қайта қарастырылған есептеу әдістері және өте төмен аралық пен көтерілу арақатынастарын қолданды. Аркалы көпірлерді салуда құйма темір, болат және бетон сияқты әртүрлі материалдар көбірек қолданылды.

Possibly the oldest existing arch bridge is the Mycenaean Arkadiko Bridge in Greece from about 1300 BC. The stone corbel arch bridge is still used by the local populace. The well preserved Hellenistic Eleutherna Bridge has a triangular corbel arch. The 4th century BC Rhodes Footbridge rests on an early voussoir arch. Although true arches were already known by the Etruscans and ancient Greeks, the Romans were – as with the vault and the dome – the first to fully realize the potential of arches for bridge construction. A list of Roman bridges compiled by the engineer Colin O'Connor features 330 Roman stone bridges for traffic, 34 Roman timber bridges and 54 Roman aqueduct bridges, a substantial part still standing and even used to carry vehicles. A more complete survey by the Italian scholar Vittorio Galliazzo found 931 Roman bridges, mostly of stone, in as many as 26 countries (including former Yugoslavia). Roman arch bridges were usually semicircular, although a number were segmental arch bridges (such as Alconétar Bridge), a bridge which has a curved arch that is less than a semicircle. The advantages of the segmental arch bridge were that it allowed great amounts of flood water to pass under it, which would prevent the bridge from being swept away during floods and the bridge itself could be more lightweight. Generally, Roman bridges featured wedge shaped primary arch stones (voussoirs) of the same in size and shape. The Romans built both single spans and lengthy multiple arch aqueducts, such as the Pont du Gard and Segovia Aqueduct. Their bridges featured from an early time onwards flood openings in the piers, e. g. in the Pons Fabricius in Rome (62 BC), one of the world's oldest major bridges still standing. Roman engineers were the first and until the industrial revolution the only ones to construct bridges with concrete, which they called Opus caementicium. The outside was usually covered with brick or ashlar, as in the Alcántara bridge. The Romans also introduced segmental arch bridges into bridge construction. The Limyra Bridge in southwestern Turkey features 26 segmental arches with an average span to rise ratio of 5.3:1, giving the bridge an unusually flat profile unsurpassed for more than a millennium. Trajan's bridge over the Danube featured open spandrel segmental arches made of wood (standing on concrete piers). This was to be the longest arch bridge for a thousand years both in terms of overall and individual span length, while the longest extant Roman bridge is the long Puente Romano at Mérida. The late Roman Karamagara Bridge in Cappadocia may represent the earliest surviving bridge featuring a pointed arch. In medieval Europe, bridge builders improved on the Roman structures by using narrower piers, thinner arch barrels and higher span to rise ratios on bridges. Gothic pointed arches were also introduced, reducing lateral thrust, and spans increased as with the eccentric Puente del Diablo (1282). The 14th century in particular saw bridge building reaching new heights. Span lengths of , previously unheard of in the history of masonry arch construction, were now reached in places as diverse as Spain (Puente de San Martín), Italy (Castelvecchio Bridge) and France (Devil's bridge and Pont Grand) and with arch types as different as semi circular, pointed and segmental arches. The bridge at Trezzo sull'Adda, destroyed in the 15th century, even featured a span length of , not matched until 1796. Constructions such as the acclaimed Florentine segmental arch bridge Ponte Vecchio (1345) combined sound engineering (span to rise ratio of over 5.3 to 1) with aesthetical appeal. The three elegant arches of the Renaissance Ponte Santa Trinita (1569) constitute the oldest elliptic arch bridge worldwide. Such low rising structures required massive abutments, which at the Venetian Rialto bridge and the Fleischbrücke in Nuremberg (span to rise ratio 6.4:1) were founded on thousands of wooden piles, partly rammed obliquely into the grounds to counteract more effectively the lateral thrust. In China, the oldest existing arch bridge is the Zhaozhou Bridge of 605 AD, which combined a very low span to rise ratio of 5.2:1, with the use of spandrel arches (buttressed with iron brackets). The Zhaozhou Bridge, with a length of 167 feet (51 m) and span of 123 feet (37 m), is the world's first wholly stone open spandrel segmental arch bridge, allowing a greater passage for flood waters. Bridges with perforated spandrels can be found worldwide, such as in China (Zhaozhou Bridge, 7th century). Greece (Bridge of Arta, 17th century) and Wales (Cenarth Bridge, 18th century). In more modern times, stone and brick arches continued to be built by many civil engineers, including Thomas Telford, Isambard Kingdom Brunel and John Rennie. A key pioneer was Jean Rodolphe Perronet, who used much narrower piers, revised calculation methods and exceptionally low span to rise ratios. Different materials, such as cast iron, steel and concrete have been increasingly used in the construction of arch bridges.

Қарапайым материалдардың артықшылықтары

Тас, кірпіш және басқа да осындай материалдар қысымға және белгілі бір деңгейде қисылуға төзімді, бірақ кернеуге көп күшті қабылдай алмайды. Сондықтан, қасбеттік аркалы көпірлер мүмкіндігінше үнемі қысым астында болуы үшін жобаланады. Әр арка уақытша тіреу құрылымы – орталық деп аталатын конструкцияның үстінде салынады. Алғашқы қысымдық аркалы көпірлерде көпірдің ортасындағы кілт тасы көпірдің қалған бөлігінің салмағын көтеріп тұрды. Көпірге салған салмақ артаған сайын, оның құрылымы нығайып, беріктігі артты. Қасбеттік аркалы көпірлер арканың үстіне толтыру материалының (әдетте тығыздалған қиыршық тас) көп мөлшерін қолданады, бұл көпірдің өлі салмағын арттырып, жүктемелер көпірмен қозғалғанда арка сақинасында кернеудің пайда болуын болдырмайды. Бұл типтегі көпірді салу үшін кірпіш және темірбетон да қолданылған. Егер кескен тас қолданылса, қима күшін азайту үшін беттерінің бұрыштары кесіледі. Ал егер кесілмеген және дайындалмаған тас қолданылса, олар цемент ерітіндісімен біріктіріліп, тіреу құрылымын алып тастамас бұрын цементтің қатаюын күтеді. Дәстүрлі қасбеттік аркалар әдетте берік және қонысқа немесе іргесінің бұзылуына төзімді. Дегенмен, қазіргі заманғы баламалы көпірлерге қарағанда, мұндай көпірлер өте ауыр, сондықтан кең іргетас қажет. Сонымен қатар, еңбек ақысы жоғары аймақтарда оларды салу қымбатқа түседі.

Құрылыс реті

Қақпалар су арнасының төсегіне (тіректерде немесе жағалауларда) орналасқан жағдайда, су бұрылып, алдымен шағыл қазылып, берік негізбен (қатты материалмен) ауыстырылады. Осыдан кейін, іргетастың тіректері аркалардың жоспарланған негізінің биіктігіне дейін көтеріледі, бұл нүкте "көктем" деп аталады. Жалған құрылыс орталықтауы (британдық ағылшын тілінде: аркалық қаңқа) әдетте ағаштан және тақтайлардан жасалады. Көп аркалы көпірдің әр аркасы көрші аркаларға қысым түсіреді, сондықтан көпірдің барлық аркалары бірдей уақытта көтерілуі немесе өте кең тіректер қолданылуы қажет. Шеткі аркалардан түсетін қысым каньон қабырғаларындағы үлкен (тік) негіздер арқылы немесе көпірге қарай еңіс жазықтықтар арқылы, олар да аркалар түрінде болуы мүмкін, жерге жұмсалады. Аркалардың бірі (немесе бір арка) орталықтау үстінде салынады. Әрбір арканың негізгі бөлігі салынғаннан кейін, аркалар (немесе арка) жоғарыдан толтырылып, тас қалау арқылы бекітіледі, олар көлденең қатарлармен (қабаттармен) қаланады. Бұл қалаулар екі сыртқы қабырғаны құрайды, олар "шпандрел" деп аталады, содан кейін олар тиісті ұсақ материалмен және қиыршық тастармен толтырылады. Жол асфальтталады және парапет қабырғалары көпірдегі қозғалысты қорғайды.

Корбель аркалы көпір

Корбельді аркалы көпір – қабырғадан немесе тастан салынған көпір, онда әр келесі қабат алдыңғы қабаттан сәл көбірек тіреледі. Қабырға қабаттары дөңгелек пішіндес үшін кесілуі мүмкін. Корбельді арка төменгі бөлігінде итеру күші, яғни сыртқа қарайғы қысым жасамайды және нағыз арка деп есептелмейді. Ол нағыз аркадан гөрі тұрақтырақ, себебі оның итеру күші жоқ. Бірақ, бұл арканың кемшілігі – ол үлкен аралықтар үшін қолайлы емес.

Су құбырлары мен каналдар

Кейбір жерлерде салыстырмалы түрде биік орналасқан кең аралықты көпірлеу қажет болады, мысалы, канал немесе су тасымалдау желісі аңғарды көпірлеуі тиіс болғанда. Өте үлкен аркалар салудың немесе тым биік тіреу колонналарын (таспен салу қиын) орнатудың орнына, бір-бірінің үстіне аркалы құрылымдар қатары салынады, ал негізінде кеңірек құрылымдар болады. Римдік азаматтық инженерлер осындай жобаны жасап, тек қарапайым материалдар, құрал-жабдықтар және математиканы қолдана отырып, жоғары сапалы құрылыстарды салған. Бұл тип әлі де каналдық виадуктар мен жолдарда қолданылады, себебі оның пішіні әдемі, әсіресе су үстінен өтетін кезде, аркалардың су бетінен шағылысуы шеңберлер немесе эллипстер сияқты көрінеді.

Кеме палубасының аркалы көпірі

Бұл көпірдің түрі аркадан тұрады, онда көпірдің жол жабыны аркадан толығымен жоғары орналасқан. Арка мен жол жабыны арасындағы кеңістік шпандрал деп аталады. Егер шпандрал қатты болса, әдетте, тас немесе кірпіш аркалы көпірлерде кездесетіндей, онда бұл көпір жабық шпандралды жол жабыны бар аркалы көпір деп аталады. Егер жол жабыны аркадан тік бағаналар арқылы қолдау алса, онда бұл көпір ашық шпандралды жол жабыны бар аркалы көпір деп аталады. Александр Гамильтон көпірі – ашық шпандралды аркалы көпірдің мысалы. Соңында, егер арка жол жабынын тек арканың жоғарғы бөлігінде ғана қолдаса, онда бұл көпір соборлық аркалы көпір деп аталады.

Қиыр көпір арқылы

Бұл көпірдің аркасының негізі қапталда немесе одан төмен орналасқан, бірақ арканың жоғарғы бөлігі палубадан биікке көтеріледі, сондықтан палуба арканың ішінде өтеді. Палубаның орталық бөлігі аспалы кабельдер немесе байланыстыратын арқалықтар арқылы аркаға тіреледі, бұл байланыстырылған аркалы көпірге ұқсас. Көпірдің екі шеті де төменнен тіреуге ие болуы мүмкін, бұл палубалық аркалы көпірге тән. Арканың астынан тірелетін кез келген бөлік жабық немесе ашық шпандельдермен жабдырылуы мүмкін. Сидней порты көпірі және Байон көпірі – фермалық арканы қолданатын аралық аркалы көпірлер.

Байланысты аркалы көпір

Бұл типті аркалық көпір, сонымен қатар садақ аркасы деп те аталады, арканың екі қарама-қарсы ұшы арасында байланысты қамтиды. Бұл байланыс әдетте көпірдің жол жапырағы болып табылады және ол аркалық көпірдің тіректеріне әдетте түсетін көлденең итерме күштеріне қарсы тұра алады. Жол жапырағы аркадан ілінген. Арка сығым күшіне түседі, ал аспалы көпірдегі катенария керілу күшіне түседі. Байланысты аркалық көпір сонымен қатар аралық аркалық көпір де болуы мүмкін.

Аркалы көпір

Құрылымдық элементтердің арасында қозғалысқа мүмкіндік беретін буындармен жабдықталған аркалы көпір. Бір буынды көпірдің аркасының жоғары нүктесінде буыны болады, екі буынды көпірдің екі тірегінде де буындар болады, ал үш буынды көпірдің үш нүктесінде де буындар болады.

Заманауи материалдарды пайдалану

Қазіргі заманғы көптеген аркалы көпірлер темірбетоннан жасалған. Бұл типтегі көпірлер формаларды, арматуралық болатты және жаңартпаған бетонды қолдау үшін уақытша тіреу құрылымын орнатуға болатын жерлерге жарайды. Бетон жеткілікті түрде қатып қалғаннан кейін формалар мен тіреу құрылыстары алынып тасталады. Сонымен қатар, арка екі бөліктен құралып, кейін біріне-бірі сүйеніп тұратын, жиналмалы темірбетоннан арка салуға да болады. Көптеген қазіргі заманғы көпірлер, болаттан немесе темірбетоннан жасалған, жүктеменің бір бөлігін құрылым ішіндегі тартылыс күші арқылы көтереді. Бұл тіреулерге қарсы көлденең қысымды азайтады немесе жояды және оларды нашар негізге орнатуға мүмкіндік береді. Құрылымдық және талдау тұрғысынан, олар нағыз аркалар емес, арка пішіндес арқалықтар. Бұл тип туралы толығырақ білу үшін бұрышты аркалы көпірді қараңыз. Аркалы көпірдің қазіргі заманғы дамуы – ұзын аралықты аркалы көпір. Бұл темір және алдын ала керілген бетон сияқты, тартылысқа төзімді жеңіл материалдарды пайдалану арқасында мүмкін болды.