Висячие и вантовые мосты

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 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 открытиие 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.

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.

 
 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3. – мост « Г. Вашингтона» через р. Гудзон в Нью-Йорке 

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. Последующий примерно столетний период характерен массовым строительством висячих мостов во многих странах мира. Конструкции висячих мостов быстро совершенствовались. Стали применяться высокопрочные материалы, а пролеты мостов постоянно увеличивались и к началу XX столетия приближались к 500 м. Так, например, в 1883 г. был построен знаменитый Бруклинский мост в Нью-Йорке с грандиозным пролетом - 486 м.

В XX веке было построено большое количество висячих мостов, основные достижения технологии их строительства таковы:

В 1929 г. был построен Амбассадорский мост через реку Детройт вышедший на первое место среди всех систем мостов по длине пролёта, превзойдя Квебекский мост с пролётом 548 м. Мост соединил две соседние страны — Канаду и США. Строительство продолжалось два года. Средний пролет моста равен 563 м. Высота стальной решетчатой балки жесткости - 6,7 м. Отношение высоты балки жесткости к пролету 1 : 84. Ширина проезжей части 14,1 м, тротуаров — 2,4 м. Мост поддерживается двумя кабелями, состоящими из параллельных проволок. Диаметр каждого кабеля 48,9 см.

 
 

 
Рисунок 4. -  Поперечное сечение моста через реку Гудзон.

 
 
В 1931 г. построен мост через Гудзон длиной 1067 м, — первый мост, превзошедший километровый пролёт, окончательно закрепивший превосходство висячих систем. Мост имеет стальные решетчатые пилоны высотой 181 м. Пролет его равен 1067 м. Поперечное сечение моста показано на рис. 1.3. Расстояние между двумя балками жесткости равно 32,29 м. Проезжая часть поддерживается четырьмя кабелями диаметром 91,4 см. Кабели этого моста состоят из 61 пряди. Каждая прядь изготовлена из 434 проволок диаметром 4,9 мм. Временное сопротивление проволоки 155 кН/ см², а условный предел текучести -105 кН/см². Подвески, между которыми расположены тротуары имеют диаметр 78 мм. Каждая поперечная балка подвешена четырьмя подвесками. Всего в одном кабеле содержится 26474 параллельных проволок. Общая длина проволок в кабеле составляет 171 000 км. Мост был спроектирован двухъярусным. В 1929 г. был сооружен только верхний ярус для восьми полос автомобильного движения. В середине — проезд шириной 12,2 м — предназначен для грузового транспорта, а по бокам полосы для легковых автомобилей.

В период с 1959 по 1962 гг. был  пристроен нижний ярус, что позволило справиться с возросшим транспортным потоком. В результате пристройки образовалась ферма жесткости высотой 9,14 м.

В 1937 г. в Сан-Франциско построен мост Золотые Ворота, длина 1280 м, предмет национальной гордости американцев (на праздновании 50-летия моста в 1987 г. собралось 150 000 человек), получил много призов за красоту, особый эффект от оранжевого кабеля на фоне голубого океана. В 1953 г. после катастрофы с висячим мостом в Такомской Долине (1940 г.), мост «Золотые Ворота» был усилен горизонтальными удерживающими кабелями.

В 1940 г. через пролив Пюджет Саунд был построен трехпролетный Такомский мост, который, просуществовав всего четыре месяца, обрушился от колебаний, вызванных действием ветра.

В октябре 1950 г. было открыто  движение по новому Такомскому мосту, построенному на том же месте с использованием старых фундаментов опор. Длина главного пролета равна 853 м. Новый мост отличается от старого балкой жесткости, выполненной в виде стальной решетчатой фермы высотой 10 м. Балка жесткости поддерживается двумя кабелями диаметром 50,8 см.

В 1965 г. в Нью-Йорке построен мост «Верразано-Нерроуз», длина 1298 м, — последний американский мировой рекорд, остающийся до сих пор рекордом Америки.

В 1997 г. в Японии, между островами Сикоку и Хонсю построен мост Акаси-Кайкё, который дважды вошёл в книгу рекордов Гиннесса: как самый длинный подвесной мост — длина одного его пролёта составляет 1991 м — и как самый высокий мост, так как его пилоны поднимаются на 297 м, что выше девяностоэтажного дома. Общая же протяжённость этого уникального трехпролетного сооружения составляет 3911 м. Несмотря на огромные размеры моста, его конструкция достаточно прочна, чтобы выдержать порывы ветра до 80 м в секунду и землетрясения до 8 баллов по шкале Рихтера, которые нередки на Дальнем Востоке.

 В нашей стране висячие мосты не получили такого большого развития, как в США, Англии, Франции, Японии и других странах. Во-первых, они появились у нас значительно позже. Г. П. Передерий считает, что первый висячий мост в России был построен в 1823 г. в Петербурге в Екатерингофском парке и имел пролет 15,2 м. Отставание в этой области объясняется многими причинами, одна из которых заключается в отсутствии сравнительно больших водных преград, которые требовали бы строительства столь больших пролетов.

Первые висячие мосты  в России построены в Петербурге в 1820-1830-е гг.:

1823 г., пешеходный мостик в Екатерингофском парке пролетом 15,2 м; 
1824 г., Пантелеймоновский мост через р. Фонтанку у Летнего сада, L = 40 м (разобран в 1905 г. после разрушения соседнего Египетского моста при проходе кавалерийского отряда).

Некоторые пешеходные висячие  мостики того периода сохранились до сих пор: Почтамтский (через Мойку), Банковский и Львиный (через канал Грибоедова). 
1836 г., г. Брест-Литовск, первый в России висячий мост на проволочных канатах, L = 89 м.

1847 г., г. Киев, р. Днепр, четырехпролетный мост, L = 134 м, разрушен белополяками в 1920 г.

В XX в. на территории СССР построен ряд висячих мостов весьма больших пролетов под трубопроводы (р. Амударья, L = 660 м; р. Днепр, L = 720 м) и  временный мост пролетом 874 м через  Волгу под конвейерную линию  при строительстве ГЭС.

 
 

 

 

 

 

Самым же известным российским висячим мостом является Крымский мост через Москва-реку.

 

 

 

Рисунок 5. – «Крымский  мост»

 

 

Своё название мост унаследовал  от когда-то существовавшего на месте  моста Крымского брода, через который переправлялись татары при набегах на Москву. Построенный в 1938 г., общей длиной в 688 м, он в то время вошёл в первую шестёрку мостов Европы по длине речного пролёта — 168 м. Тип конструкции, который использовали инженер Б. П. Константинов и архитектор А. В. Власов при проектировании Крымского моста, очень редко встречается в мировой практике. Его пилоны стоят отдельно и поверху не соединены. Несмотря на то, что вес металлических конструкций Крымского моста достигает 10 000 т, мост кажется очень лёгким и ажурным. И хотя Крымский мост уже стал одной из визитных карточек Москвы, в мировой табели о рангах он занимает более чем скромное место.

 

 

Вантовые мосты

Ва́нтовый мост — тип висячего моста, состоящий из одного или более пилонов, соединённых с дорожным полотном посредством прямолинейных стальных тросов — вантов. В отличие от висячих мостов, где дорожное полотно поддерживается вертикальными тросами, прикреплёнными к протянутым по всей длине моста основным несущим тросам, у вантовых мостов тросы (ванты) соединяются непосредственно с пилоном. Одним из преимуществ вантовых мостов является относительная неподвижность дорожного полотна, что делает их пригодными для использования в качестве железнодорожных мостов.

Большое разнообразие схем вантовых мостов можно разделить  на две группы:

1. Мосты с решетчатыми вантовыми фермами;

2. Вантовые мосты с балкой жесткости.

Вантовые мосты с  фермами являются распорными и статически определимыми, их устраивают без балок жесткости. Все элементы ферм изготовляют из стальных канатов, и работать они должны только на растяжение.

Под проезжей частью вантовых ферм устраивают продольные связи с  поясами. Распор от вант наверху пилонов  передается оттяжкам, а затем — анкерным опорам. Применять вантовые фермы выгодно под легкую автомобильную нагрузку для пролетов до 180—200 м. Основное их достоинство — более экономный расход стали по сравнению с другими системами мостов. Строительство мостов с Байтовыми фермами в нашей стране было распространено в 30-х годах.

Одно из важнейших  условий при выборе схемы Байтовой фермы — обеспечить растяжение во всех вантах при любом расположении временной нагрузки. Невыполнение этого  условия ведет к выключению из работы вант, что вызывает изменяемость схемы с возникновением больших прогибов. Байтовые фермы применяются и для трубопроводных переходов.

К недостаткам вантовых ферм относится большое число  узлов и сложность монтажа. Вес  это побудило в последние годы отказаться от применения их в мостостроении.

В послевоенный период, как  бы на смену пантовым фермам, появляется новая прогрессивная форма —  вантово-балочная. Эта система характеризуется  устройством балки жесткости, поддерживаемой прямыми наклонными вантами. Основные преимущества вантово-балочных мостов: меньший расход металла по сравнению с другими системами; большая жесткость; возможность перекрывать большие пролеты (в настоящее время максимальная длина — 457,2 м); удобство создания аэродинамически устойчивой конструкции; возможность применения экономичных методов монтажа. В СССР были построены ряд выдающихся вантово-балочных мостов с большими пролетами: в Череповце (194 м), в Киеве {300 м), в Риге (312 м) и др.