Введение
Вид моста
Подвесной мост – это тип моста, в котором проезжая часть подвешена под несущими тросами на вертикальных подвесках. Первые современные образцы этого типа мостов были построены в начале 1800-х годов. Простые висячие мосты, не имеющие вертикальных подвесок, имеют давнюю историю во многих горных районах мира. Помимо типа моста, который чаще всего называют подвесным и который рассматривается в этой статье, существуют и другие типы подвесных мостов. Описываемый здесь тип имеет тросы, подвешенные между опорами (башнями), с вертикальными подвесными тросами, которые передают постоянную и временную нагрузки с проезжей части, по которой осуществляется движение. Такая конструкция позволяет проезжей части быть горизонтальной или слегка изогнутой вверх для обеспечения дополнительного просвета. Как и другие типы подвесных мостов, этот тип часто строится без использования временных опор. Несущие тросы должны быть закреплены на каждом конце моста, поскольку любая нагрузка, приложенная к мосту, преобразуется в натяжение в этих основных тросах. Основные тросы продолжаются за опоры до опор уровня проезжей части, а затем соединяются с якорями в грунте. Проезжая часть поддерживается вертикальными подвесными тросами или стержнями, называемыми вешалками. В некоторых случаях опоры могут располагаться на краю обрыва или каньона, где дорога может переходить непосредственно к основному пролету, в противном случае мост обычно имеет два небольших пролета, соединяющих каждую пару опор с автомагистралью, которые могут поддерживаться подвесными тросами или собственными фермами. В последнем случае в наружных основных тросах будет наблюдаться незначительный изгиб.
Прекурсоры
Тибетский сиддха и строитель мостов Тхангтон Гьялпо впервые начал использовать железные цепи в своих простых подвесных мостах. В 1433 году Гьялпо построил восемь мостов в восточном Бутане. Последним сохранившимся цепным мостом Гьялпо был мост Тхангтонг Гьялпо в Дуксуме по дороге в Траши Янцзы, который окончательно был смыт в 2004 году. Железные цепные мосты Гьялпо не имели подвесной палубы, которая является стандартом для всех современных подвесных мостов. Вместо этого, как ограждения, так и дорожное полотно мостов Гьялпо изготавливались из проволоки. Участки, испытывающие наибольшую нагрузку и поддерживающие настил, укреплялись железными цепями. До использования железных цепей считается, что Гьялпо использовал веревки из скрученных ивовых прутьев или шкур яков. Возможно, он также использовал плотно скрученную ткань. Инки использовали веревочные мосты, документальные свидетельства о которых датируются 1615 годом. Неизвестно, когда они были созданы впервые. Квешуачака считается последним сохранившимся мостом инков и ежегодно восстанавливается.
Мосты цепные
Первым железным цепным подвесным мостом в западном мире был мост Джейкобс-Крик (1801) в округе Вестморленд, штат Пенсильвания, спроектированный изобретателем Джеймсом Финли. Мост Финли был первым, который включал все необходимые компоненты современного подвесного моста, включая подвесную палубу, подвешенную на фермах. Финли запатентовал свой проект в 1808 году и опубликовал его в филадельфийском журнале The Port Folio в 1810 году. К ранним британским цепным мостам относятся мост аббатства Дрибург (1817) и 137-метровый мост Юнион (1820), с пролётами, быстро увеличивающимися до 176 м с мостом Менай (1826), «первым важным современным подвесным мостом». Первым цепным мостом на немецкоязычных территориях был цепной мост в Нюрнберге. Сагарский железный подвесной мост с пролётом 200 футов (также называемый мостом Беосе) был построен недалеко от Сагара, Индия, в 1828–1830 годах Дунканом Пресгрейвом, мастером монетного двора и испытателем. Подвесной мост Клифтон (спроектированный в 1831 году, завершённый в 1864 году с центральным пролётом 214 м) похож на мост Сагар и является одним из самых длинных мостов цепного типа с параболическим изгибом. Современный подвесной мост Марлоу был спроектирован Уильямом Тирни Кларком и построен между 1829 и 1832 годами, заменив деревянный мост ниже по течению, обрушившийся в 1828 году. Это единственный подвесной мост через Темзу, не подверженный влиянию приливов. Цепной мост Сеченьи (спроектированный в 1840 году, открытый в 1849 году), пересекающий реку Дунай в Будапеште, также был спроектирован Уильямом Кларком и представляет собой мост Марлоу в большем масштабе. Интересным вариантом является мост Торнуилла и Уорхэма через реку в Бертоне-он-Трент, Стаффордшир (1889), где цепи прикреплены не к опорам, как обычно, а к основным балкам, которые, таким образом, испытывают сжатие. Здесь цепи изготовлены из плоских кованых железных плит шириной 203 мм и толщиной 38 мм, соединённых заклёпками.
Проводные кабели
Первым подвесным мостом из проволочных канатов был Мост-паук у водопадов Скулкилл (1816) – скромный и временный пешеходный мост, построенный после обрушения расположенного поблизости цепного моста Джеймса Финли у водопадов Скулкилл (1808). Пролёт пешеходного моста составлял 124 м, хотя ширина его настила была всего 0,45 м. Развитие подвесных мостов из проволочных канатов начинается с временного простого подвесного моста в Анноне, построенного Марком Сегуином и его братьями в 1822 году. Его пролёт составлял всего 18 м. Первым мостом, канаты которого были собраны в воздухе современным способом, был Большой подвесной мост Жозефа Шале в Фрибурге, построенный в 1834 году.
Основные компоненты моста
Две башни/столба, два несущих троса, четыре анкера несущих тросов, множество вантовых канатов, проезжая часть моста.
Структурный анализ
Главные тросы подвесного моста образуют цепную линию, когда висят только под собственным весом. При поддержке проезжей части тросы вместо этого образуют параболу, при условии, что вес тросов мал по сравнению с весом проезжей части. Эту форму можно определить по постоянному увеличению уклона троса с увеличением линейного расстояния (длины проезжей части), причем это увеличение уклона в каждой точке соединения с проезжей частью обеспечивает результирующую силу поддержки, направленную вверх. В сочетании с относительно простыми ограничениями, накладываемыми на саму проезжую часть, это делает проектирование и анализ подвесного моста значительно проще, чем проектирование и анализ вантового моста, в котором проезжая часть испытывает сжатие.
Сравнение с канатным мостом
Кабельные и подвесные мосты могут казаться похожими, но по принципу действия и конструкции они существенно различаются. В подвесных мостах большие главные канаты (обычно два) провисают между пилонами и закрепляются на обоих концах в земле. Главные канаты, которые могут свободно перемещаться на опорах в пилонах, несут нагрузку от проезжей части моста. До установки проезжей части канаты находятся под натяжением от собственного веса. Вдоль главных канатов к проезжей части, которая поднимается секциями, крепятся более тонкие канаты или стержни. По мере этого натяжение в канатах увеличивается, как и при движении транспорта по мосту. Натяжение главных канатов передается в землю в местах анкеровки и посредством вертикального сжатия на пилоны. В кабельных мостах пилоны являются основными несущими конструкциями, передающими нагрузки моста на землю. Для поддержки проезжей части вблизи пилонов часто используется консольный метод, но участки, расположенные дальше от них, поддерживаются канатами, идущими непосредственно к пилонам. По проекту все статические горизонтальные силы кабельного моста сбалансированы таким образом, чтобы опорные пилоны не имели тенденции к наклону или сдвигу и, следовательно, должны сопротивляться только горизонтальным силам от подвижных нагрузок.
Преимущества
Достигаются большие основные пролеты, чем при использовании любого другого типа моста. Для их строительства может потребоваться меньше материала, чем для других типов мостов, даже при сопоставимых пролетах, что ведет к снижению затрат на строительство. За исключением установки первоначальных временных тросов, во время строительства требуется минимальный или вообще не требуется доступ снизу, что позволяет судоходному каналу оставаться открытым во время возведения моста. Они могут быть более устойчивы к сейсмическим воздействиям, чем более тяжелые и жесткие мосты. На проезжей части моста можно заменять секции для расширения полос движения для большегрузного транспорта или добавления дополнительной ширины для выделенных велосипедных и пешеходных дорожек.
Недостатки
Для предотвращения вибрации проезжей части моста при сильном ветре может потребоваться значительная жесткость или аэродинамическое профилирование. Относительно невысокая жесткость проезжей части по сравнению с другими типами мостов (не подвесными) затрудняет пропуск тяжелого железнодорожного транспорта, характеризующегося высокими сосредоточенными подвижными нагрузками. В процессе строительства может потребоваться доступ под пролет для подъема первоначальных тросов или секций проезжей части. Однако при строительстве вантовых мостов такой доступ часто можно избежать.
Недотянутые
В подвесном мосту с нижним расположением несущих тросов, также называемом вантовым мостом с нижним расположением палубы, основные тросы полностью висят под проезжей частью моста, но при этом закреплены в земле аналогично традиционным мостам. Мостов такого типа построено очень мало, поскольку проезжая часть по своей природе менее устойчива, чем при подвеске под тросами. Примеры включают мост Пон-де-Берг 1834 года, спроектированный Гийомом Анри Дюфуром, и проект Роберта Стивенсона моста через реку Алмонд близ Эдинбурга.
Типы конструкций палуб
Большинство подвесных мостов имеют открытые решетчатые конструкции для поддержки дорожного полотна, особенно из-за неблагоприятных последствий использования балок коробчатого сечения, выявленных при обрушении моста Такома-Нарроуз (1940). В 1960-х годах достижения в области аэродинамики мостов позволили вновь использовать пластинчатые конструкции в виде неглубоких коробочных балок, впервые примененные на мосту Северн, построенном в 1961–1966 годах. На фотографии моста Ичан обратите внимание на очень острый передний край и наклонные нижние балки в показанном подвесном мосту. Это позволяет использовать этот тип конструкции без риска срыва потока и, как следствие, аэроэластических эффектов, подобных тем, что привели к разрушению оригинального моста Такома-Нарроуз.
Силы
На любой мост действуют три вида сил: мертвая нагрузка, живая нагрузка и динамическая нагрузка. Мертвая нагрузка – это вес самого моста. Как и любая другая конструкция, мост имеет тенденцию к обрушению под действием силы тяжести, воздействующей на материалы, из которых он построен. Живая нагрузка включает в себя движущийся по мосту транспорт, а также обычные факторы окружающей среды, такие как изменения температуры, осадки и ветер. Динамическая нагрузка относится к воздействию факторов окружающей среды, выходящих за рамки нормальных погодных условий, например, внезапных порывов ветра и землетрясений. Все три фактора необходимо учитывать при строительстве моста.
Использование, кроме дорожного и железнодорожного
Принципы подвески, используемые в крупных сооружениях, также встречаются и в менее масштабных контекстах, чем автомобильные или железнодорожные мосты. Легкая кабельная подвеска может оказаться более экономичной и выглядеть изящнее для велосипедного или пешеходного моста, чем массивные балочные опоры. Примером этого служит мост Нессио в Нидерландах и пешеходный подвесной мост Ригельсвилля 1904 года по проекту Рёблинга через реку Делавэр в Пенсильвании. Самый длинный пешеходный подвесной мост, перекинутый через реку Пайва в Геопарке Арука, Португалия, был открыт в апреле 2021 года. Длина моста составляет 516 метров, а высота над рекой – 175 метров. Если такой мост перекрывает пространство между двумя зданиями, нет необходимости возводить опоры, так как здания могут служить якорями для кабелей. Кабельная подвеска также может быть усилена собственной жесткостью конструкции, схожей с трубчатым мостом.
Последовательность строительства (тип проволочного кабеля)
Типичные висячие мосты строятся с использованием последовательности, обычно описываемой следующим образом. В зависимости от длины и размера, строительство может занять от полутора лет (строительство оригинального моста Такома-Нарроуз заняло всего 19 месяцев) до десяти лет (строительство моста Акаси-Кайкио началось в мае 1986 года и было открыто в мае 1998 года – всего двенадцать лет). Там, где опоры башен основаны на подводных пирсах, опускаются кессоны и дно очищается от мягких грунтов для создания фундамента. Если скальное основание находится слишком глубоко для вскрытия при раскопках или опускании кессона, сваями забиваются в скальное основание или в перекрывающие его твердые слои почвы, либо строится большая бетонная плита для распределения нагрузки на менее устойчивый грунт, предварительно подготовив поверхность слоем уплотненного гравия. (Такая плита также может компенсировать смещения активного разлома, что было реализовано в фундаменте вантового моста Рио-Антирио.) Затем пирсы возводятся над уровнем воды, где на них устанавливаются пьедестальные основания для башен. Если башни строятся на суше, используются глубокие фундаменты или свайные основания. От основания башни возводятся башни из одной или нескольких колонн с использованием высокопрочного железобетона, каменной кладки или стали. Бетон чаще всего используется в современном строительстве висячих мостов из-за высокой стоимости стали. На вершинах башен устанавливаются большие устройства, называемые седлами, которые будут нести главные несущие канаты. Обычно изготавливаемые из литой стали, они также могут быть изготовлены из клепаных конструкций и оснащены роликами, позволяющими основным канатам смещаться во время строительства и под нормальными нагрузками. Одновременно со строительством башен возводятся анкерные устройства, предназначенные для восприятия натяжения канатов и формирования основной анкерной системы всей конструкции. Обычно они закрепляются в качественной скальной породе, но могут состоять из массивных железобетонных противовесов в котловане. Анкерная конструкция имеет несколько выступающих открытых наглазных болтов, расположенных в защищенном пространстве. Затем устанавливаются временные подвесные дорожки, называемые канатными дорожками, с помощью тросов-направляющих, поднимаемых наверх с помощью лебедок, расположенных на вершинах башен. Эти канатные дорожки повторяют кривую, заданную проектировщиками моста для главных канатов, следуя математически описанной цепной линии. Типичные канатные дорожки обычно имеют ширину от 2,4 до 3 метров и строятся из проволочной сетки и деревянных досок. На канатные дорожки устанавливаются портальные конструкции, которые будут поддерживать катушки для намотки главных канатов. Затем устанавливаются тросы, прикрепленные к лебедкам, и, в свою очередь, устройства для намотки главных канатов. Высокопрочная проволока (обычно оцинкованная стальная проволока калибра 4 или 6) протягивается в петлю шкивами на передвижном устройстве, один конец которой закреплен в анкерном устройстве. Когда передвижное устройство достигает противоположного анкерного устройства, петля надевается на открытый наглазный болт. Вдоль канатного прохода рабочие также натягивают проволоку канатов до требуемого натяжения. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будет завершена связка, называемая "прядью кабеля", и временно скреплена проволокой из нержавеющей стали. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не будет завершена окончательная прядь кабеля. Затем рабочие снимают отдельные обмотки с прядей кабеля (в процессе намотки форма главного кабеля очень напоминает шестиугольник), после чего весь кабель сжимается передвижным гидравлическим прессом в плотно упакованный цилиндр и плотно обматывается дополнительной проволокой для формирования окончательного круглого сечения. Для строительства висячих мостов используется оцинкованная стальная проволока, покрытая ингибиторами коррозии. В определенных точках вдоль главного кабеля (каждая из которых находится на точном горизонтальном расстоянии от следующей) устанавливаются устройства, называемые "кабельными бандами", для поддержки стальных канатов, называемых подвесными канатами. Каждый подвесной канат проектируется и обрезается до точной длины и закрепляется на кабельных бандах. На некоторых мостах, где башни расположены близко к берегу или на берегу, подвесные канаты могут быть применены только к центральному пролету. Ранние подвесные канаты были снабжены цинковыми муфтами и комплектом стальных шайб, которые образовывали опору для проезжей части. Современные подвесные канаты имеют такелажные соединения. Специальные подъемные лебедки, прикрепленные к подвесным канатам или к главным канатам, используются для подъема сборных секций проезжей части на нужный уровень, при условии, что местные условия позволяют транспортировать секции под мостом на баржах или другими средствами. В противном случае может использоваться передвижная консольная стрела для удлинения проезжей части секция за секцией, начиная от башен и двигаясь наружу. Если добавление конструкции проезжей части происходит от башен, завершенные участки проезжей части будут резко подниматься вверх, поскольку в центре пролета отсутствует нисходящая сила. После завершения проезжей части добавленная нагрузка приведет к тому, что главные канаты примут форму, математически описываемую параболой, а форма проезжей части будет соответствовать замыслу проектировщика – обычно плавному подъему для обеспечения достаточного просвета над судоходным каналом или плоской форме в других случаях, например, над каньоном. Арочные висячие пролеты также придают конструкции большую жесткость и прочность. После завершения основной конструкции устанавливаются или завершаются различные детали, такие как освещение, перила, окончательная покраска и мощение.
Заметные обрушения
Подвесной мост Браутон (Англия) — железный цепной мост, построенный в 1826 году. Один из первых в Европе подвесных мостов, он обрушился в 1831 году из-за механического резонанса, вызванного согласованным маршем войск. В результате этого инцидента британская армия издала приказ, предписывающий войскам "сбиваться с ритма" при переходе моста. Мост Сильвер Бридж (США) — цепной мост, построенный в 1928 году, который обрушился в конце 1967 года, унеся жизни сорока шести человек. Мост имел конструкцию с низкой степенью резервирования, что затрудняло его осмотр. Это обрушение послужило стимулом для принятия законодательства, обеспечивающего регулярные проверки и техническое обслуживание старых мостов. После обрушения мост аналогичной конструкции был немедленно закрыт и впоследствии снесен. Второй мост подобной конструкции был построен с повышенным запасом прочности и оставался в эксплуатации до 1991 года. Мост Такома-Нарроуз (США), построенный в 1940 году, был уязвим к структурным колебаниям при устойчивом и умеренно сильном ветре из-за его конструкции с использованием балочных пролетных строений. Ветер вызвал явление, известное как аэроэластический трепет, что привело к его обрушению всего через несколько месяцев после завершения строительства. Обрушение было заснято на пленку. Человеческих жертв при обрушении не было; несколько водителей успели покинуть свои автомобили и добраться до анкерных опор до обрушения пролета. Подвесной мост Ярмут (Англия) был построен в 1829 году и обрушился в 1845 году, в результате чего погибли 79 человек. Подвесной мост над рекой Пис-Ривер (Канада), строительство которого было завершено в 1943 году, обрушился в октябре 1957 года из-за разрушения грунтовой основы северного анкера. Впоследствии обрушился весь мост. Мост Кутай Картанегара (Индонезия) через реку Махакам, расположенный в округе Кутай Картанегара, Восточный Калимантан, на индонезийском острове Борнео, строился с 1995 по 2001 год и обрушился в 2011 году. Десятки транспортных средств упали в реку Махакам. В результате этого инцидента погибли 24 человека, десятки получили ранения и были госпитализированы в региональную больницу Аджи Мухаммад Парикесит. Также сообщалось о пропаже без вести 12 человек, 31 человек получил серьезные травмы, а 8 — легкие. Результаты исследований указывают на то, что обрушение было в основном вызвано конструктивной ошибкой при изготовлении вертикальных подвесных зажимов. Также было установлено, что плохое техническое обслуживание, усталость материалов подвесных канатов, качество материалов и нагрузки на мост, превышающие допустимую грузоподъемность, также могут способствовать обрушению моста. В 2013 году мост Кутай Картанегара был восстановлен на прежнем месте и завершен в 2015 году с использованием арочной конструкции. 30 октября 2022 года в городе Морби, штат Гуджарат, Индия, обрушился пешеходный подвесной мост Джулто Пул над рекой Маччху, в результате чего погибли по меньшей мере 141 человек.