Над, под или прямо посередине? Это простой вопрос, но с древних времен он стоит перед каждым великим инженером . Нам нравится, когда дороги и железные дороги прямые и ровные, но неровности делают такое строительство непростой задачей. Как пройти по шоссе через долину или заставить железную дорогу пересечь ручей? Самый простой ответ - использовать мост . Возможно, звучит легко, но какой тип моста вы используете? Почему существует так много разных типов и как все они работают? Давайте посмотрим поближе и узнаем больше!
Чудо мостов
В бесконечной войне людей против природы всегда будет только один победитель, но люди по-прежнему могут утешать себя случайными победами, что и представляют собой величайшие мосты мира. Нужно ли нам переходить реки или долины, соединяют острова с материком, перевозят машины, людей или искусственные водные пути, мосты - прекрасное решение, когда природа встает на нашем пути. Историки предполагают, что люди изобрели мосты, когда увидели, как упавшие деревья могут помочь им пересечь мелкие реки. С тех пор мосты стали длиннее, технически более сложными и внушающими трепет, медленно эволюционируя от простых каменных арок до изящных подвесных мостов длиной в несколько миль. Поднимаемые ветрами сверху, омываемые реками снизу, загруженные потоком машин в течение всего дня, это чудо, что мосты так долго остаются в вертикальном положении.
Как мосты уравновешивают силы
Силы заставляют вещи двигаться, но они также удерживают их. Это далеко не очевидно, но когда что-то вроде небоскреба вырисовывается высоко над нами или мост простирается у нас под ногами, скрытые силы усердно работают: мост никуда не уходит, потому что все силы, действующие на него, идеально сбалансированы. Короче говоря, проектировщики мостов - это балансировщики сил .
Самая большая и самая распространенная сила во Вселенной, гравитация, постоянно тянет вещи вниз, что не является такой проблемой для небоскреба, потому что земля под ними снова толкает вверх. Но мост через реку, долину, море или дорогу - это совсем другое дело: огромный настил (основная горизонтальная платформа моста) не имеет опоры непосредственно под ней. Чем длиннее мост, тем больше он весит, тем больше он несет и тем выше риск его обрушения. Мосты, конечно, время от времени падают, и это весьма впечатляюще, но большинство из них счастливо простаивают годами, десятилетиями или даже столетиями. Они делают это, тщательно уравновешивая два основных вида сил, называемых сжатием (толкающая или сжимающая сила, действующая внутрь) и растяжение.(тянущая или растягивающая сила, действующая наружу), направляя нагрузку (общий вес моста и вещей, которые он несет) на опоры (опоры с обеих сторон) и опоры (одна или несколько опор посередине). Хотя существует много видов мостов, практически все они работают, уравновешивая сжимающие силы в одних местах с растягивающими силами в других местах, поэтому нет общей силы, которая могла бы вызвать движение и нанести ущерб.
Перевозка грузов
Если мост разгружен, то все, что ему действительно нужно, - это поддерживать собственный вес ( статическая нагрузка ), поэтому растяжение и сжатие в его конструкции представляют собой, по сути, статические силы (те, которые не вызывают движения), мало меняющиеся от часа к часу. час или день в день. Однако по определению мосты должны нести изменяющуюся величину веса ( динамическую нагрузку ) от таких вещей, как железнодорожные составы, автомобили или люди, что может значительно увеличить обычные растягивающие или сжимающие силы. Например, железнодорожные мосты изгибаются и изгибаются каждый раз, когда через них проезжает тяжелый поезд, а затем снова «расслабляются», как только груз проходит.
Силы окружающей среды
Мосты также должны выдерживать постоянно меняющиеся факторы окружающей среды. Например, арочные мосты через реки должны справляться с подпоркой воды за ними (их сваи часто имеют стратегически расположенные отверстия, позволяющие пропускать воду, вытекающую из паводка). Подвесные мосты, на которых перевозятся автомобили, как правило, несут одни и те же нагрузки в течение всего дня, хотя, часто расположенные в ветреных устьях, они также должны выдерживать шквальные порывы ветра, которые могут создавать скручивающую силу в настиле моста. (Современные подвесные мосты решают эту проблему, имея палубы с аэродинамическим поперечным сечением, испытанные в аэродинамических трубах.(и может быть усилен фермами внизу). Нагрузки, которые заставляют мост двигаться вперед и назад, могут быть особенно опасными, если они заставляют его сильно вибрировать на так называемой естественной или резонансной частоте. Резонанс , как это известно, заставляет бокалы разбиваться, когда оперные певцы подходят слишком близко; «пение» ветра может иметь столь же катастрофические последствия для моста.
Мосты через историю
Люди находят мосты завораживающими и сбивающими с толку одновременно. Почему так много разных типов? Как инженеры предпочитают один вид другому? Почему люди в разные периоды истории склонны строить разные мосты? На все эти вопросы есть простые ответы - и сложные.
Один простой ответ заключается в том, что за тысячи лет человеческой цивилизации инженеры постепенно разработали более сложные конструкции мостов, которые могут охватывать все большие расстояния. Самые старые типы мостов, балки и арки, могут только растянуться до того, как рухнут под собственным весом; более сложные варианты этих конструкций (фермы, коробчатые балки и консольные мосты) могут достигать большего; подвесные и вантовые мосты могут пойти еще дальше. Эта постепенная эволюция - и расширение - мостов стало возможным частично благодаря более глубокому пониманию инженерной мысли, но также благодаря разработке гораздо более прочных материалов. Например, арочные мосты были популярны в средние века, потому что их можно было быстро и легко построить из местных материалов, и они прослужили долгое время с минимальным обслуживанием или без него. Когда Ironbridge , первый в мире чугунный (арочный) мост, был построен в Коулбрукдейле в Шропшире, Англия, в 1779 году и произвел революцию в строительстве мостов; в течение 19 века сотни других мостов были построены из железа, а затем стали, включая знаменитый Бруклинский мост 1883 года в Нью-Йорке с пролетом 486 м . В производстве подвесных и вантовых мостов используются самые надежные из современных материалов - железобетон и сталь. В некоторых из новейших мостов естественно используются самые современные композитные материалы.
Типы мостов
Хотя обсуждать мосты довольно абстрактно и теоретически легко, гораздо интереснее рассмотреть некоторые особенности, исследуя каждый из основных типов мостов по очереди.
Балка
Балка - это самый простой (и часто дешевый) вид моста: настил, охватывающий относительно небольшое расстояние, поддерживаемый парой опор (вертикальные опоры с обоих концов). Встаньте на доску , натянутую между парой стульев (опор), и вы заставите ее прогнуться вниз посередине, так что она будет немного длиннее внизу и немного короче сверху. Это говорит нам о том, что нижняя часть балки находится в состоянии растяжения (растягивается дольше, чем обычно), а верхняя часть находится в состоянии сжатия (сжимается короче). Нагрузка на мост, подобный этому, передается через балку к опорам на обоих концах, которые также сжимаются (сдавливаются вниз). Чем длиннее балка, тем больше вероятность провисания посередине, поэтому основные балочные перемычки обычно довольно короткие. Современные балочные мосты могут быть намного длиннее, если построены с коробчатыми балками.(огромные пустотелые коробки из повторяющихся секций стальных балок и / или железобетона) или скрепленные фермами (диагональная арматура) сбоку или снизу.
Арка
Арки - это единственные типы мостов, которые полностью поддерживаются силами сжатия. Под аркой есть некоторое напряжение, но обычно оно незначительно, если только арка не большая и неглубокая. Это имеет смысл, если подумать, потому что бесконечно широкая арка была бы просто горизонтальной балкой с натянутой нижней стороной. Настил моста, опирающийся на арку, давит на изгиб камней (или металлических деталей) под ней, плотно сжимая их вместе и эффективно делая их сильнее. Нагрузка на каменный арочный мост передается через центральный камень (так называемый замковый камень). Вокруг изгиба других камней и в опоры, где твердая земля с обеих сторон отталкивается вверх и внутрь. Как и балочные мосты, арки относительно просты и дешевы в строительстве, и им не нужно перекрывать дорогу или реку центральными опорами. Они могут легко превзойти базовую балку, хотя их большой недостаток в том, что им нужны большие опоры, поэтому они не всегда являются эффективным способом перекрытия чего-то вроде шоссе, если под ними требуется большой зазор. Виадуки и акведуки (водные мосты) часто представляют собой вариации арочных мостов с несколькими арками, расположенными рядом.
Ферма
Один из способов увеличить досягаемость моста с базовой балкой - это усилить его, и инженеры нашли лучший способ сделать это с помощью системы диагональных треугольных стержней по бокам, которые называются фермами. Существует множество способов организации ферм для поддержки моста, что позволяет получить множество сложных и часто привлекательных узоров решеток; Линзовидные (изогнутые) фермы, использованные в Королевском мосту Альберта . Типичный ферменный мост выглядит как пустотелая коробка с открытыми или закрытыми вертикальными сторонами и крышей, стороны которых усилены диагональными фермами, а основание опирается на балки.
Две смежные балки, идущие наружу от пирса, могут уравновешивать друг друга - точно так же, как канатоходец может балансировать, удерживая обе руки прямо от своего тела. Это основная идея консольного моста. Обычно, когда мы говорим о кантилевере, мы имеем в виду балку, поддерживаемую только одним концом, например трамплин для прыжков в воду или качели, только гораздо более жесткие. В консольном мосту обычно есть пара консолей, отходящих от каждого пирса, с коротким балочным мостом между ними, соединяющим их вместе; в качестве альтернативы, у некоторых есть консоль, идущая от каждого упора к середине, с балкой, перекрывающей их. Консольные мосты иногда трудно распознать, потому что они обычно укрепляются балками и фермами,
Самый известный в мире консольный мост Форт-Бридж в Шотландии состоит из трех консолей (усиленных решеткой из ферм) с двумя более короткими балочными мостами между ними. Самая длинная консоль в мире - очень похожий Квебекский мост , его длина составляет чуть менее 1 км (987 м или 3239 футов, если быть точным). Другие примеры консольных мостов включают Квинсборо-Бридж в Нью-Йорке и Crescent City Connection в Новом Орлеане.
Подвесной
Если вам нужен мост с еще большим пролетом, какой-нибудь подвесной мост - действительно ваш единственный вариант. Гениальность подвесного моста заключается в использовании очень высоких опор с протянутыми между ними огромными изогнутыми основными тросами. Десятки более тонких вертикальных подвесных тросов различной длины свисают с основных тросов и выдерживают огромный вес палубы и нагрузки, которые она несет. (И хотя люди всегда замечают кабели в подвесном мосту, они часто не замечают фермы и фермы, укрепляющие настил под ним. Это тонкий и очень важный момент: большинство мостов на самом деле представляют собой композиты двух или более основных типов мостов. .) Все самые большие мосты используют подвесной подход; Самый длинный в мире, Акаси Кайкё в Японии, составляет 3,9 км.
Известные висячие мосты включают мост Хамбер и Клифтонский висячий мост в Англии, мост Золотые Ворота в Калифорнии и Бруклинский мост на Манхэттене, Нью-Йорк.
Вантовый
Большой недостаток подвесных мостов заключается в том, что их нужно прикреплять к земле с обеих сторон. Это не всегда возможно, если нет места для кабелей или подходящего основания, чтобы закрепить их. Другой тип подвесного моста, известный как вантовый мост, устраняет это, уравновешивая два набора подвесных тросов с каждой стороны каждой опоры, которая поддерживает нагрузку. В «обычном» подвесном мосту палуба свешивается на тросах разной длины, которые сами поддерживаются чрезвычайно прочными основными подвесными тросами. В вантовом мосту есть только один набор тросов, который разветвляется по диагонали от каждого пирса до настила моста, который имеет тенденцию быть прочнее и громоздче, чем в подвесном мосту.
Вантовые мосты значительно короче обычных подвесных мостов и обычно не перекрывают расстояния намного больше 1 км; Самым длинным в мире в настоящее время является Русский мост во Владивостоке, Россия, протяженностью 1,1 км. Другие примеры включают мост Васко да Гама в Португалии, Виадук Мийо во Франции, мост Хангзу в Китае и мост Аккордов в Иерусалиме.
Понтон
Лодки очевидно, плавают на воде, поэтому, если вам нужно в спешке построить временный мост, одним из возможных решений является плавание палубы на нескольких лодках. Такой плавучий мост называется понтоном - и он широко используется военными для импровизированных переходов через реки (например, когда существующие мосты взорваны по стратегическим причинам). Хорошо организованные армии имеют заранее подготовленные секции понтонных мостов, которые они могут поставить на место и скрепить болтами в любом месте и в любое время. Основные проблемы с понтонными мостами - это основная нестабильность и относительно легкие нагрузки, которые они могут нести. Поскольку палуба плавает очень близко к ватерлинии, понтонный мост автоматически блокирует движение лодок по реке, хотя обычно можно отделить часть или две от середины и отпустить ее, чтобы позволить речному движению пройти.
Подъемные и поворотные мосты
Обычные мосты непрактичны, если что-то вроде низкой дороги должно пересекать реку или канал, по которому должны проходить высокие лодки. В этом случае нам понадобится механический мост с настилом, который можно приподнять или откинуть в сторону при необходимости. Тауэрский мост в Лондоне, Англия, представляет собой своего рода двойной подъемный мост: у него есть разделенная платформа, которая поднимается вверх в центре. Примеров разводных мостов много во всем мире. У некоторых есть две движущиеся части, которые поворачиваются в стороны, оставляя свободный центральный канал; другие поворачиваются на центральной опоре, открывая один или два чистых канала водного пути с каждой стороны.
Как спроектировать мост?
Подобно тому, как мосты уравновешивают конкурирующие силы с разных направлений, инженеры должны уравновесить все виды соображений при планировании нового моста.
Тип
Как далеко нужно протянуть мост? Обычно это определяет тип необходимого моста. Очень короткий пролет (над небольшой рекой, дорогой или железнодорожным полотном) может потребовать только недорогой балки или фермы; подвесные и вантовые мосты, как правило, будут излишне сложными и дорогими; а арочные мосты строятся гораздо реже, чем в средние века, отчасти потому, что другие типы мостов используют доступное пространство более эффективно. Как мы уже видели, тип моста во многом определяет используемые материалы. Даже в этом случае есть возможность использовать местные материалы, чтобы мост вписался в окружающую среду. Это, безусловно, было особенностью традиционных арочных мостов, часто построенных из местного камня или камня. Современные мосты обычно строятся из стали и бетона, и вместо этого они должны полагаться на дизайн, чтобы интегрироваться в окружающую среду. Коробчато-балочные мосты часто производятся секциями вне строительной площадки, что означает, что они могут быть возведены очень быстро. К сожалению, это также означает, что они выглядят очень похожими и общими.
Место, где строится мост, также является критически важным фактором. Достаточно ли твердое основание для установки больших опор для арки? Есть ли твердый фундамент, в который можно закрепить подвесные тросы (а если нет, то лучше ли подойдет вантовый мост)? Если мост должен пересекать реку, как можно безопасно погрузить опоры и башни в его русло, чтобы их не смыло стремительной водой? Точное расположение моста тщательно выбирается, чтобы упростить конструкцию, снизить стоимость и обеспечить прочность и долговечность моста. Однако мосты не всегда могут пересекаться по идеально прямой линии; мосты иногда приходится пересекать под углом (что дает так называемый перекос), изгибать или менять направление от одного участка к другому. Современные мосты с коробчатыми балками, построенные из модульных секций настила, легко изгибаются даже под довольно резкими углами.
Нагрузки
Какие виды случайных кратковременных сил может выдержать мост, помимо статической и постоянной нагрузки? Есть ли землетрясения или ураганы, и если да, то как можно спроектировать мост, чтобы выдержать их? Сможет ли мост через реку выдержать наводнения? А как насчет груза? Если это автомобильный мост, насколько вероятно увеличение трафика в ближайшие годы и десятилетия, и всегда ли мост будет достаточно прочным, чтобы выдержать их? Что, если несколько из этих кратковременных сил возникнут одновременно? Например, предположим, что мост одновременно должен выдерживать сильный ветер, огромное давление из-за подъема уровня воды и интенсивное движение?
Прочие факторы
Инженеры должны учитывать множество других факторов, помимо основного типа, расположения и прочности моста. Например, должен ли мост пропускать разные типы движения (железная дорога, автомобили и пешеходы) и как он будет их разделять? А как насчет соображений безопасности (не дать машинам с большой скоростью вылететь за край) и таких вопросов, как минимизация риска самоубийств (особая проблема для некоторых из самых высоких мостов в мире)? Какой вид обслуживания потребуется мосту, от регулярных осмотров бетона до систематической покраски для защиты от коррозии?
Мосты в гармонии
Наука, технологии и инженерия вселяют в нас уверенность в том, что мы можем построить мосты из камня, железа, стали или бетона, которые просуществуют многие десятилетия. Но мост - это гораздо больше, чем просто оставаться в вертикальном положении, когда по нему проносятся обычные грузы. Подумайте о некоторых из величайших мостов в мире - арке Старый мост в Мостаре, Бруклинском подвесном мосту на Манхэттене, консольном мосту Форт-Рэйлэйшн или совсем недавно построенном вантовом виадуке Мийо. Во Франции, например, - и вы быстро поймете, что великие мосты так же захватывающе запоминаются, как и великие здания. Сидя в реке или пересекая долину, вы можете возразить, что мост нарушает равновесие в природе. Но мосты соединяют людей и сообщества вместе, и многие будут оспаривать, что великие мосты - это настоящие чудеса света, улучшающие их окружающую среду. Кто, например, может представить залив Сан-Франциско без моста Золотые Ворота ? Так что, возможно, так же верно было бы утверждать, что гений большого моста заключается в налаживании партнерства между людьми и местом, так что инженерия и природа счастливо сосуществуют бок о бок.
Почему рушатся мосты?
Мосты всегда разрушаются по одной и той же причине: происходит что-то, что не позволяет им уравновесить действующие на них силы. Сила становится слишком большой для одного из компонентов моста (может быть, для чего-то столь же простого, как одна заклепка или стяжка), что немедленно выходит из строя. Это означает, что нагрузка на мост внезапно должна распределяться между меньшим количеством компонентов, поэтому любой из них также может выйти за пределы своего предела. Рано или поздно выходит из строя другой компонент, затем другой - и таким образом мост разрушается в виде эффекта домино из разрушающихся материалов.
Существует два различных способа катастрофического отказа компонента моста: слабость и усталость. Во-первых, и это самое простое, он может быть слишком слабым, чтобы справиться с внезапной переходной нагрузкой. Если мост рассчитан на перевозку не более 100 автомобилей, но вместо этого на него въезжают 200 тяжелых грузовиков, это создает опасную временную нагрузку. Или, если ураганный ветер обрушится на мостик, изогнув палубу намного сильнее, чем она рассчитана, это тоже может иметь катастрофические последствия. Таким образом, мост может разрушиться из-за слабости, потому что сила превышает так называемую предельную прочность на растяжение (максимальное значение, которое вы можете потянуть) или прочность на сжатие (максимальное значение, которое вы можете протолкнуть) материалов, из которых он построен.
Но мост также может выйти из строя, даже если силы на нем относительно невелики и находятся в этих пределах. Ежедневные материалы обычно подвергаются повторяющимся нагрузкам и деформациям - например, настил моста загружается (когда проезжает грузовик), а затем сразу же выгружается снова, и это может происходить сотни или тысячи раз в день, сотни дней в году. . Подобно тому, как скрепка ломается, когда вы неоднократно сгибаете ее взад и вперед, бесконечные циклы напряжения и деформации , сгибания и расслабления могут со временем вызвать ослабление материалов из-за процесса, известного как усталость . В конце концов, что-то вроде металлического троса или стяжки на мосту порвется, даже если в этот момент оно не испытывает особой нагрузки. Усталость часто усугубляется постепеннойкоррозией ( ржавчина ) металлических компонентов или то, что неофициально известно как рак бетона (например, когда в железобетоне появляются трещины после того, как металлические арматурные стержни внутри него начинают ржаветь).
Инженеры пытаются защитить мост от повреждений двумя основными способами. Если мы научимся рассматривать мосты как «живые конструкции», которые постоянно стареют и деградируют под воздействием погоды и окружающей среды. легко понять, что они нуждаются в регулярном уходе, как и наши дома и тела. Периодические проверки и профилактическое обслуживание помогают нам выявлять проблемы и устранять их, пока не стало слишком поздно. Инженеры также могут защитить мост от разрушения, создав фактор безопасности - спроектировав их таким образом, чтобы они могли справляться с силами, в несколько раз большими, чем они могут когда-либо столкнуться. Это может включать в себя дополнительные «избыточные» компоненты или усиления, чтобы даже в случае выхода из строя одной части конструкции другие могли безопасно разделить нагрузку до тех пор, пока мост не будет усилен или отремонтирован.