Размещено на http://www.allbest.ru/

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 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 открытие 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.

Размещено на http://www.allbest.ru/

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.

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.

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 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.

Размещено на http://www.allbest.ru/

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.Переход к рациональным системам висячих мостов

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.

Поэтому примененные в висячих мостах стрелы постепенно, в зависимости от периода постройки моста, увеличивались до 1/7 пролета. Это увеличение или уменьшение выгодной величины стрелы провеса диктуется, главным образом, экономикой применения пилонов. В прошлом столетии было невыгодно и сложно строить каменные пилоны большой высоты (каменные пилоны Бруклинского моста строились более 9 лет, т. е. 70% общего времени строительства моста), вследствие чего стрелу цепи выгодно было уменьшать, тем более, что это совпадало с требованиями к висячим мостам простейшего типа об уменьшении стрелы очертания цепи, исходя из уменьшения величины прогибов.

Таким образом, переходный период от простейших форм висячих мостов к рациональным системам характеризовался стремлением улучшить построенные мосты и, исходя из опыта строительства мостов, применять наиболее жесткие и экономически целесообразные системы и конструкции висячих мостов.

В основном, если не считать применения вантовых мостов во Франции, все усилия строителей и ученых сводились к улучшению простейшей одноцепной системы висячего моста посредством уточнения расчета и применения различных конструктивных мероприятий (введение наклонных вант и т. д.). Однако эти стремления не решали вопроса и являлись полумерами, так как способность простейшей системы висячего моста к S-образному изгибу балки жесткости в них сохранялась.

Нельзя считать, что все введенные усовершенствования простейшей формы висячего моста являются продуманными и универсальными.

Примером этому является потерпевший катастрофу Такомский висячий мост и многие из построенных в 1940-е годы висячих мостов США, которые подвергались в процессе их эксплуатации угрожающим колебаниям.

В частности Бронк-Уайтстонский висячий мост после обрушения Такомского моста был немедленно усилен, а на остальных висячих мостах США были организованы наблюдение и контроль за их колебаниями.

Выводы, которые были получены в США в результате анализа катастрофы Такомского моста, отмечают, что главная опасность кроется не в том, что слишком мала ширина висячих мостов больших пролетов (Такомский мост имел ширину 1/72 пролета, а в том, что слишком мала жесткость балок жесткости висячего моста, имеющего „лентовидную структуру").

В заключении своих выводов американские специалисты вынуждены заявить: „Более целесообразно научно устранить причины неустойчивости и малой жесткости висячих мостов, чем стараться найти какие-либо противоядия".

4.Примеры современных висячих мостов

Мост Золотые Ворота.

Историческая справка.

Акаси Кайкё (яп.–ѕђОЉC‹¬‘е‹ґ Акаси Кайкё: Охаси) -- висячий мост в Японии, пересекающий пролив Акаси (Акаси Кайкё:) и соединяющий города Кобе на острове Хонсю с городом Авадзи на острове Авадзи. (ГИП Акаши-Кайке - Суритано Карина.) Является частью магистрали Хонсю--Сикоку. Центральный пролёт моста является самым длинным в мире и имеет длину 1991 метр. Это один из трёх мостов, соединяющих острова Хонсю и Сикоку.

Историческая справка.

Перед тем, как этот мост был построен, через пролив Акаси действовала паромная переправа. Этот опасный водный путь часто подвергался сильным штормам. В 1955 году во время шторма утонули два парома, жертвами этой трагедии стали 168 детей. Волнения жителей и всеобщее недовольство вынудили японское правительство составить планы по строительству подвесного моста. Изначально планировалось построить железнодорожно-автомобильный мост, но в апреле 1986 года, когда началось строительство моста, было принято решение ограничиться только автомобильным движением в 6 полос. Фактически создание моста началось в 1988 году. Строительство моста началось в марте 1988 г. в осложненных условиях морского пролива при максимальной глубине по трассе моста 110 м, скорости течений 4,5 м/с и интенсивности судоходства 1400 судов/сутки, не считая рыболовного флота. (Пролив международный водный путь, его ширина должна быть не менее 1500 метров.)

Во время строительства моста Акаси-Кайке в Японии произошло сильное землетрясение. Эпицентр располагался всего в 3,2 км от центра моста. После землетрясения было обнаружено смещение фундаментов опор, вызванное движением земной коры, до 72см по горизонтали и 22см по вертикали. Возникла необходимость в перепроектировании балки жесткости. Возведенные конструкции почти не пострадали. Дополнительные усилия в элементах конструкции, возникшее от изменения конфигурации моста, определенные с помощью пространственного расчета, оказались незначительными. Открытие моста состоялось 5 апреля 1998 года. Стоимость сооружения моста составила 500 миллиардов иен.