Вантовый мост: конструкция и история развития

Введение

Тип моста с тросами, идущими непосредственно от пилонов

Вантовый мост имеет одну или несколько башен (или пилонов), от которых тросы поддерживают проезжую часть. Характерной особенностью являются тросы или ванты, которые идут непосредственно от пилона к проезжей части, обычно образуя веерный рисунок или ряд параллельных линий. Это отличается от современного висячего моста, где тросы, поддерживающие проезжую часть, подвешены вертикально от главного несущего троса, закрепленного на обоих концах моста и проходящего между пилонами. Вантовый мост оптимален для пролетов, превышающих длину консольных мостов, но меньших, чем у висячих мостов. Это диапазон, в котором консольные мосты быстро становятся тяжелее, а тросовая оснастка висячих мостов обходится дороже. Проектирование и строительство вантовых мостов велось уже в конце XVI века, а эта конструкция получила широкое распространение в конце XIX века. Ранние примеры, включая Бруклинский мост, часто объединяли элементы как вантовой, так и висячей конструкций. Вантовые конструкции утратили популярность в начале XX века, поскольку для перекрытия больших пролетов стали использовать чисто висячие системы, а для более коротких – различные системы из железобетона. В конце XX века вантовые мосты вновь приобрели популярность благодаря сочетанию новых материалов, более мощной строительной техники и необходимости замены старых мостов, что снизило относительную стоимость этих конструкций.

История

Вантовые мосты восходят к 1595 году, когда проекты были найдены в книге «Machinae Novae» хорватского венецианского изобретателя Фаусто Веранцио. Многие ранние висячие мосты имели вантовую конструкцию, включая пешеходный мост Драйбург-Абби (1817), запатентованный Джеймсом Дреджем мост Виктория в Бате (1836), а также более поздние мосты Альберт (1872) и Бруклинский мост (1883). Их конструкторы обнаружили, что сочетание технологий создает более жесткую конструкцию. Джон А. Роблинг особенно воспользовался этим, чтобы ограничить деформации, вызванные нагрузками от железнодорожного транспорта на висячем мосту через Ниагарский водопад. Самый ранний известный сохранившийся пример настоящего вантового моста в Соединенных Штатах — это в значительной степени нетронутый стальной или железный мост Блафф-Дейл, спроектированный Э. Э. Рунионом, с деревянными прогонами и настилом в Блафф-Дейле, штат Техас (1890), или его мост Бартон-Крик, построенный несколько недель ранее, но разрушенный между Хаккабей и Гордоном, штат Техас (1889 или 1890). В двадцатом веке ранние примеры вантовых мостов включали необычный мост Кассань, спроектированный А. Гискларом (1899), в котором горизонтальная составляющая усилий от вантов уравновешивается отдельным горизонтальным связующим канатом, предотвращающим значительное сжатие проезжей части, и мост Г. Лейнекугеля ле Кока в Лезардрё, Бретань (1924). Эдуардо Торроха спроектировал вантовый акведук в Темпуле в 1926 году. Бетонный вантовый мост Альберта Како (1952) над каналом Донзёр-Мондрагон в Пьерлатте является одним из первых мостов современного типа, но оказал незначительное влияние на дальнейшее развитие. Моно-конструкция использует один вант от каждой опоры и является одним из менее распространенных примеров этого типа. В конструкции «арфа» или «параллельной» конструкции ванты почти параллельны, так что высота их крепления к опоре пропорциональна расстоянию от опоры до точки их крепления к проезжей части. В веерной конструкции все ванты соединяются или проходят через верхнюю часть опор. Веерная конструкция структурно превосходит другие, создавая минимальный изгибающий момент на опорах, но по практическим соображениям предпочтительнее модифицированная веерная конструкция (также называемая полувеерной), особенно когда требуется большое количество вантов. В модифицированной веерной конструкции ванты заканчиваются вблизи вершины опоры, но расположены на достаточном расстоянии друг от друга, чтобы обеспечить лучшее крепление, улучшенную защиту от внешних воздействий и удобный доступ к отдельным вантам для обслуживания. В звездной конструкции, еще одном относительно редком типе, ванты расположены на некотором расстоянии друг от друга на опоре, как в конструкции «арфа», но соединяются с одной точкой или рядом близко расположенных точек на проезжей части. Существует также семь основных схем расположения опорных колонн: одиночные, двойные, портальные, А-образные, H-образные, перевернутые Y-образные и M-образные. Последние три являются гибридными схемами, объединяющими две схемы в одну.

Cable stayed bridges date back to 1595, where designs were found in Machinae Novae, a book by Croatian Venetian inventor Fausto Veranzio. Many early suspension bridges were cable stayed construction, including the 1817 footbridge Dryburgh Abbey Bridge, James Dredge's patented Victoria Bridge, Bath (1836), and the later Albert Bridge (1872) and Brooklyn Bridge (1883). Their designers found that the combination of technologies created a stiffer bridge. John A. Roebling took particular advantage of this to limit deformations due to railway loads in the Niagara Falls Suspension Bridge. The earliest known surviving example of a true cable stayed bridge in the United States is E. E. Runyon's largely intact steel or iron Bluff Dale Suspension bridge with wooden stringers and decking in Bluff Dale, Texas (1890), or his weeks earlier but ruined Barton Creek Bridge between Huckabay, Texas and Gordon, Texas (1889 or 1890). In the twentieth century, early examples of cable stayed bridges included A. Gisclard's unusual Cassagnes bridge (1899), in which the horizontal part of the cable forces is balanced by a separate horizontal tie cable, preventing significant compression in the deck, and G. Leinekugel le Coq's bridge at Lézardrieux in Brittany (1924). Eduardo Torroja designed a cable stayed aqueduct at Tempul in 1926. Albert Caquot's 1952 concrete decked cable stayed bridge over the Donzère Mondragon canal at Pierrelatte is one of the first of the modern type, but had little influence on later development. The mono design uses a single cable from its towers and is one of the lesser used examples of the class. In the harp or parallel design, the cables are nearly parallel so that the height of their attachment to the tower is proportional to the distance from the tower to their mounting on the deck. In the fan design, the cables all connect to or pass over the top of the towers. The fan design is structurally superior with a minimum moment applied to the towers, but, for practical reasons, the modified fan (also called the semi fan) is preferred, especially where many cables are necessary. In the modified fan arrangement, the cables terminate near the top of the tower but are spaced from each other sufficiently to allow better termination, improved environmental protection, and good access to individual cables for maintenance. In the star design, another relatively rare design, the cables are spaced apart on the tower, like the harp design, but connect to one point or a number of closely spaced points on the deck. There are also seven main arrangements for support columns: single, double, portal, A shaped, H shaped, inverted Y and M shaped. The last three are hybrid arrangements that combine two arrangements into one.

Экстрадозируемый мост

Экстрадозированный мост — это вантовый мост с более массивной проезжей частью, которая, благодаря своей большей жесткости и прочности, позволяет отказаться от вант вблизи опоры и сделать опоры ниже по отношению к пролету. Первыми экстрадозированными мостами стали мост Гантер и мост Зунниберг в Швейцарии. Первый экстрадозированный мост в Соединенных Штатах, Мемориальный мост Перл-Харбор, был построен для автомагистрали I-95 через реку Квиннипиак в Нью-Хейвене, штат Коннектикут, и открыт в июне 2012 года.

Мост с кабельной колыбелью

Система колыбели несет тросы внутри вантовых канатов от проезжей части моста к проезжей части моста, представляя собой единый элемент и исключая необходимость анкеровки в пилонах. Каждый стальной трос, покрытый эпоксидной смолой, размещается внутри колыбели в стальной трубе диаметром 2,54 см. Каждый трос работает независимо, что обеспечивает возможность его извлечения, осмотра и замены. Первыми мостами, построенными по данной технологии, стали мост Пенобскот-Нарроуз, завершенный в 2006 году, и мост Ветеранов-Гласс-Сити-Скайуэй, завершенный в 2007 году.

Самозакрепляющийся подвесной мост

Самостоятельно закрепленный вантовый мост имеет некоторое сходство по принципу действия с кабельно-статным мостом, в том, что силы натяжения, предотвращающие опускание проезжей части, преобразуются в силы сжатия вертикально в пилоне и горизонтально вдоль конструкции проезжей части. Он также имеет родство с обычным подвесным мостом, поскольку использует арочные несущие канаты с подвесками, однако самостоятельно закрепленный тип не требует массивных анкерных устройств, характерных для традиционных подвесных мостов. В отличие от кабельно-статного или обычного подвесного моста, при строительстве самостоятельно закрепленного вантового моста необходима временная поддерживающая конструкция, что делает его возведение более дорогостоящим.