Мост — это сооружение, построенное для перекрытия физического препятствия (например, водоема , долины , дороги или железной дороги), не блокируя путь под ним. Он строится с целью обеспечения прохода через препятствие, которое обычно является чем-то, что в противном случае трудно или невозможно пересечь. Существует множество различных конструкций мостов, каждая из которых служит определенной цели и применима к различным ситуациям. Конструкции мостов различаются в зависимости от таких факторов, как функция моста, характер местности, на которой мост построен и закреплен, материал, используемый для его изготовления, и доступные для его строительства средства.
Самые ранние мосты, вероятно, были сделаны из упавших деревьев и ступенчатых камней . Люди неолита строили дощатые мосты через болота. Мост Аркадико , датируемый 13 веком до н. э., на Пелопоннесе , является одним из старейших арочных мостов, которые существуют и используются.
Оксфордский словарь английского языка прослеживает происхождение слова bridge от древнеанглийского слова brycg , имеющего то же значение. [1] [2] : bridge 1
Оксфордский словарь английского языка также отмечает, что есть некоторые предположения, что слово может быть прослежено непосредственно до протоиндоевропейского *bʰrēw-. Однако они также отмечают, что «это создает семантические проблемы». [3]
Происхождение слова для одноименной карточной игры неизвестно. [2] : мост 2
Самыми простыми и ранними типами мостов были мосты из каменных ступеней .
Люди неолита также строили своего рода дощатый настил через болота ; примерами таких мостов являются Sweet Track и Post Track в Англии, которым около 6000 лет. [5] Древние люди также использовали бревенчатые мосты [6], состоящие из бревен, которые упали естественным образом или были намеренно срублены или перекинуты через ручьи. Некоторые из первых рукотворных мостов со значительным пролетом, вероятно, были намеренно срубленными деревьями. [7] Среди старейших деревянных мостов — мост Хольцбрюкке Рапперсвиль-Хурден , который пересекал верхнее Цюрихское озеро в Швейцарии; доисторические деревянные сваи, обнаруженные к западу от дамбы Зеедамм, датируются 1523 годом до нашей эры. Первый деревянный пешеходный мост там вел через Цюрихское озеро; он был реконструирован несколько раз в конце II века нашей эры, когда Римская империя построила деревянный мост шириной 6 метров (20 футов) для перевозки транспорта через озеро. Между 1358 и 1360 годами Рудольф IV, герцог Австрии , построил «новый» деревянный мост через озеро, который использовался до 1878 года; он был приблизительно 1450 метров (4760 футов) в длину и 4 метра (13 футов) в ширину. 6 апреля 2001 года была открыта реконструкция оригинального деревянного пешеходного моста; это также самый длинный деревянный мост в Швейцарии.
Мост Аркадико — один из четырех микенских мостов с арками-коробками , которые были частью бывшей сети дорог, предназначенной для проезда колесниц , между фортом Тиринф и городом Эпидавр на Пелопоннесе , на юге Греции . Датируемый греческим бронзовым веком (13 век до н. э.), он является одним из старейших арочных мостов, которые все еще существуют и используются. На Пелопоннесе можно найти несколько нетронутых арочных каменных мостов эллинистической эпохи . [8]
Величайшими строителями мостов древности были древние римляне . [9] Римляне строили арочные мосты и акведуки , которые могли выстоять в условиях, которые повредили бы или уничтожили более ранние конструкции, некоторые из которых стоят и по сей день. [10] Примером может служить мост Алькантара , построенный через реку Тежу в Испании. Римляне также использовали цемент, который уменьшал колебания прочности, обнаруженные в натуральном камне. [11] Один из видов цемента, называемый пуццоланой , состоял из воды, извести , песка и вулканической породы . Мосты из кирпича и раствора были построены после римской эпохи , поскольку технология производства цемента была утеряна (а затем вновь открыта).
В Индии трактат «Артхашастра» Каутильи упоминает строительство плотин и мостов. [12] Мост Маурьев около Гирнара был обследован Джеймсом Принсепом . [13] Мост был смыт во время наводнения, а позже отремонтирован Пушпагуптой, главным архитектором императора Чандрагупты I. [ 13] Использование более прочных мостов с использованием плетеного бамбука и железной цепи стало заметно в Индии примерно к 4 веку. [14] Множество мостов, как для военных, так и для коммерческих целей, были построены администрацией Моголов в Индии. [15]
Хотя в Китае во времена периода Воюющих царств существовали большие мосты деревянной конструкции , старейшим сохранившимся каменным мостом в Китае является мост Чжаочжоу , построенный с 595 по 605 гг. н. э. во время династии Суй . Этот мост также имеет историческое значение, поскольку является старейшим в мире каменным сегментным арочным мостом с открытыми перемычками . Европейские сегментные арочные мосты датируются по крайней мере мостом Альконетар (приблизительно 2 век н. э.), в то время как огромный римский мост Траяна (105 г. н. э.) отличался сегментными арками с открытыми перемычками в деревянной конструкции. [16]
Канатные мосты , простой тип подвесных мостов , использовались цивилизацией инков в Андах в Южной Америке, незадолго до европейской колонизации в XVI веке.
Ашанти строили мосты через ручьи и реки . [17] [18] Они были построены путем вбивания четырех больших раздвоенных стволов деревьев в русло ручья, размещения балок вдоль этих раздвоенных столбов, затем размещения поперечных балок, которые в конце были покрыты четырьмя-шестью дюймами земли. [18]
В XVIII веке было много инноваций в проектировании деревянных мостов, предложенных Гансом Ульрихом Грубенманном , Иоганнесом Грубенманном и другими. Первая книга по мостостроению была написана Юбером Готье в 1716 году.
Крупный прорыв в технологии мостов произошел с возведением Железного моста в Шропшире, Англия, в 1779 году. Впервые в качестве арок для пересечения реки Северн был использован чугун . [19] С промышленной революцией в 19 веке для больших мостов были разработаны ферменные системы из кованого железа , но железо не обладает прочностью на растяжение , чтобы выдерживать большие нагрузки. С появлением стали, которая имеет высокую прочность на растяжение, были построены гораздо большие мосты, многие из которых использовали идеи Гюстава Эйфеля . [20]
В Канаде и Соединенных Штатах многочисленные деревянные крытые мосты были построены в конце 1700-х - конце 1800-х годов, напоминая более ранние проекты в Германии и Швейцарии. Некоторые крытые мосты были построены также в Азии. [21] В более поздние годы некоторые из них были частично сделаны из камня или металла, но фермы, как правило, все еще были сделаны из дерева; в Соединенных Штатах было три стиля ферм: Queen Post, Burr Arch и Town Lattice. [22] Сотни этих конструкций все еще стоят в Северной Америке. Они были представлены вниманию широкой публики в 1990-х годах романом, фильмом и пьесой « Мосты округа Мэдисон» . [23] [24]
В 1927 году пионер сварки Стефан Брыла спроектировал первый сварной автодорожный мост в мире — мост Маужице , который позже был построен через реку Слудвия в Маужице около Ловича , Польша, в 1929 году. В 1995 году Американское общество сварки вручило Польше премию «За историческую сварную конструкцию» за этот мост. [25]
Мосты можно классифицировать несколькими способами. Общие категории включают тип используемых структурных элементов, то, что они несут, являются ли они фиксированными или подвижными, и используемые материалы.
Мосты можно классифицировать по тому, как распределяются по их конструкции действия растяжения , сжатия , изгиба , кручения и сдвига . Большинство мостов будут использовать все эти силы в той или иной степени, но только некоторые будут преобладать. Разделение сил и моментов может быть довольно четким. В подвесном или вантовом мосту элементы, работающие на растяжение, различаются по форме и размещению. В других случаях силы могут быть распределены между большим количеством элементов, как в ферме.
Некоторые инженеры подразделяют мосты с балками на плитные, балочно-плитные и коробчатые на основе их поперечного сечения. [38] Плита может быть сплошной или пустотной (хотя это больше не приветствуется из-за удобства осмотра), в то время как балочно-плитные мосты состоят из бетонных или стальных балок, соединенных бетонной плитой. [39] Поперечное сечение коробчатой балки состоит из одноячеистого или многоячеистого ящика. В последние годы также стало популярным строительство интегральных мостов .
Большинство мостов являются фиксированными, то есть у них нет движущихся частей, и они остаются на одном месте, пока не выйдут из строя или не будут снесены. Временные мосты, такие как мосты Бейли , предназначены для сборки, разборки, транспортировки на другое место и повторного использования. Они важны в военной инженерии, а также используются для обеспечения движения транспорта, пока старый мост восстанавливается. Разводные мосты предназначены для перемещения с пути лодок или других видов транспорта, которые в противном случае были бы слишком высокими, чтобы поместиться. Они, как правило, имеют электрический привод. [40]
Танковый мостоукладчик (ТБТ) имеет такую же проходимость, как и танк, даже при полной загрузке. Он может самостоятельно устанавливать, сбрасывать и загружать мосты, но не может их восстанавливать. [ необходима цитата ]
Двухэтажные (или двухэтажные) мосты имеют два уровня, например, мост Джорджа Вашингтона , соединяющий Нью-Йорк с округом Берген , штат Нью-Джерси , США, как самый загруженный мост в мире, перевозящий 102 миллиона транспортных средств ежегодно; [41] [42] ферменные конструкции между уровнями проезжей части обеспечивали жесткость проезжей части и уменьшали движение верхнего уровня, когда нижний уровень был установлен через три десятилетия после верхнего уровня. Мост Цин Ма и мост Кап Шуй Мун в Гонконге имеют шесть полос на верхних уровнях, а на нижних уровнях есть две полосы и пара путей для поездов метро MTR . Некоторые двухэтажные мосты используют только один уровень для уличного движения; мост Вашингтон-авеню в Миннеаполисе резервирует свой нижний уровень для автомобильного и легкорельсового движения, а верхний уровень — для пешеходного и велосипедного движения (в основном студентов Университета Миннесоты ). Аналогично, в Торонто , виадук Принца Эдуарда имеет пять полос движения автотранспорта, велосипедные дорожки и тротуары на верхнем ярусе; и пару путей для линии метро Bloor–Danforth на нижнем ярусе. Западный пролет моста Сан-Франциско–Окленд-Бэй также имеет два уровня.
Высокоуровневый мост Роберта Стивенсона через реку Тайн в Ньюкасл-апон-Тайн , построенный в 1849 году, является ранним примером двухъярусного моста. По верхнему уровню проходит железная дорога, а нижний уровень используется для автомобильного движения. Другие примеры включают мост Британия через пролив Менай и мост Крейгавон в Дерри, Северная Ирландия. Эресуннский мост между Копенгагеном и Мальмё состоит из четырехполосного шоссе на верхнем уровне и пары железнодорожных путей на нижнем уровне. Тауэрский мост в Лондоне является другим примером двухъярусного моста, центральная часть которого состоит из низкоуровневого разводного пролета и высокоуровневого пешеходного моста .
Виадук состоит из нескольких мостов, соединенных в одну более длинную конструкцию. Самые длинные и некоторые из самых высоких мостов — это виадуки, такие как мост через озеро Пончартрейн и виадук Мийо .
Многопролетный мост имеет три или более отдельных пролётов, которые сходятся около центра моста. Многопролетные мосты только с тремя пролётами выглядят как «T» или «Y», если смотреть сверху. Многопролетные мосты чрезвычайно редки. Примерами являются мосты Tridge , Margaret Bridge и Zanesville Y-Bridge .
Мост можно классифицировать по тому, для чего он предназначен, например, для поездов, пешеходного или дорожного движения ( автомобильный мост ), трубопровода ( трубный мост ) или водного пути для водного транспорта или движения барж. Акведук — это мост, по которому перекачивается вода, напоминающий виадук, который является мостом, соединяющим точки одинаковой высоты. Автомобильно-железнодорожный мост переносит как автомобильное, так и железнодорожное движение. Путепровод — это термин для моста, который разделяет несовместимое пересекающееся движение, особенно автомобильное и железнодорожное. [43]
Некоторые мосты предназначены для других целей, например, башня моста Новый мост в Братиславе , в которой находится ресторан, или мост-ресторан , который представляет собой мост, построенный для использования в качестве ресторана. Другие башни подвесного моста несут передающие антенны. [44]
Экологи используют мосты для диких животных , чтобы уменьшить фрагментацию среды обитания и столкновения животных с транспортными средствами. [45] Первые мосты для животных появились во Франции в 1950-х годах, и сейчас такие мосты используются во всем мире для защиты как крупных, так и мелких диких животных. [46] [47] [48]
Мосты также могут использоваться не по назначению. Территории под некоторыми мостами стали временными убежищами и домами для бездомных, а подлески мостов по всему миру являются местами распространенных граффити. Некоторые мосты привлекают людей, пытающихся покончить жизнь самоубийством, и стали известны как мосты-самоубийцы . [49] [50]
Материалы, используемые для строительства конструкции, также используются для классификации мостов. До конца 18 века мосты строились из древесины, камня и каменной кладки. Современные мосты в настоящее время строятся из бетона, стали, армированных волокном полимеров (FRP), нержавеющей стали или комбинаций этих материалов. Живые мосты строились из живых растений, таких как корни дерева Ficus elastica в Индии [51] и лианы глицинии в Японии. [52]
В отличие от зданий, проектированием которых руководят архитекторы, мосты обычно проектируют инженеры. Это следует из важности инженерных требований; а именно, перекрытие препятствия и наличие прочности, чтобы выжить, с минимальным обслуживанием, в агрессивной внешней среде. [39] Сначала анализируются мосты; изгибающий момент и распределение силы сдвига рассчитываются из-за приложенных нагрузок. Для этого наиболее популярен метод конечных элементов . Анализ может быть одно-, двух- или трехмерным. Для большинства мостов достаточно двумерной модели пластины (часто с балками жесткости) или вертикальной модели конечных элементов. [57] По завершении анализа мост проектируется так, чтобы выдерживать приложенные изгибающие моменты и силы сдвига, размеры сечений выбираются с достаточной способностью выдерживать напряжения. Многие мосты изготавливаются из предварительно напряженного бетона , который имеет хорошие прочностные свойства, либо путем предварительного натяжения балок перед установкой, либо путем последующего натяжения на месте.
В большинстве стран мосты, как и другие конструкции, проектируются в соответствии с принципами расчета нагрузки и коэффициента сопротивления (LRFD). Проще говоря, это означает, что нагрузка увеличивается на коэффициент, больший единицы, в то время как сопротивление или грузоподъемность конструкции уменьшается на коэффициент, меньший единицы. Эффект факторизованной нагрузки (напряжение, изгибающий момент) должен быть меньше факторизованного сопротивления этому эффекту. Оба эти фактора допускают неопределенность и тем больше, чем больше неопределенность.
Большинство мостов утилитарны по внешнему виду, но в некоторых случаях внешний вид моста может иметь большое значение. [58] Часто это касается большого моста, который служит въездом в город или пересекает главный вход в гавань. Иногда их называют фирменными мостами. Проектировщики мостов в парках и вдоль бульваров часто уделяют больше внимания эстетике. Примерами служат мосты с каменной облицовкой вдоль Taconic State Parkway в Нью-Йорке.
Мосты, как правило, более эстетичны, если они имеют простую форму, настил тоньше по сравнению с его пролетом, линии конструкции непрерывны, а формы структурных элементов отражают силы, действующие на них. [59] Чтобы создать красивый образ, некоторые мосты строятся намного выше, чем необходимо. Этот тип, часто встречающийся в садах в восточно-азиатском стиле, называется Лунным мостом , вызывая в памяти восходящую полную луну. Другие садовые мосты могут пересекать только сухое русло гальки, вымытой ручьем, и предназначены только для того, чтобы передать впечатление ручья. Часто во дворцах мост строится через искусственный водный путь как символ прохода к важному месту или состоянию ума. Набор из пяти мостов пересекает извилистый водный путь в важном дворе Запретного города в Пекине, Китай. Центральный мост был зарезервирован исключительно для использования императором и императрицей с их приближенными.
Расчетный срок службы мостов варьируется от 25 до 80 лет в зависимости от местоположения и материала. [60] [61]
Мосты могут прослужить сотни лет при надлежащем обслуживании и восстановлении. Техническое обслуживание мостов, состоящее из комбинации мониторинга состояния конструкции и тестирования. Это регулируется инженерными стандартами, специфичными для конкретной страны, и включает в себя постоянный мониторинг каждые три-шесть месяцев, простое испытание или осмотр каждые два-три года и капитальный осмотр каждые шесть-десять лет. В Европе стоимость обслуживания значительна [38] и в некоторых странах выше, чем расходы на новые мосты. Срок службы сварных стальных мостов может быть значительно продлен за счет последующей обработки сварных переходов . Это приводит к потенциально высокой выгоде, используя существующие мосты намного дольше запланированного срока службы.
В то время как реакция моста на приложенную нагрузку хорошо изучена, сама приложенная транспортная нагрузка все еще является предметом исследования. [62] Это статистическая проблема, поскольку нагрузка сильно варьируется, особенно для автодорожных мостов. Эффекты нагрузки в мостах (напряжения, изгибающие моменты) проектируются с использованием принципов расчета нагрузки и коэффициента сопротивления . Перед факторизацией для учета неопределенности эффект нагрузки обычно считается максимальным характерным значением за указанный период повторяемости . В частности, в Европе это максимальное значение, ожидаемое за 1000 лет.
Стандарты мостов обычно включают модель нагрузки, которая, как считается, представляет собой характерную максимальную нагрузку, ожидаемую в период возврата. В прошлом эти модели нагрузки согласовывались комитетами экспертов по разработке стандартов, но сегодня эта ситуация меняется. Теперь можно измерять компоненты нагрузки движения моста, взвешивать грузовики, используя технологии взвешивания в движении (WIM). С помощью обширных баз данных WIM можно рассчитать максимальный ожидаемый эффект нагрузки в указанный период возврата. Это активная область исследований, рассматривающая вопросы полос противоположного направления, [63] [64] полос бок о бок (в одном направлении), [65] [66] роста трафика, [67] разрешенных/неразрешенных транспортных средств [68] и мостов с большими пролетами (см. ниже). Вместо того чтобы повторять этот сложный процесс каждый раз, когда должен быть спроектирован мост, органы по стандартизации указывают упрощенные условные модели нагрузки, в частности HL-93, [69] [70], предназначенные для получения тех же эффектов нагрузки, что и характерные максимальные значения. Еврокод является примером стандарта для нагрузки на мост, разработанного таким образом. [ 71]
Большинство стандартов мостов применимы только для коротких и средних пролетов [72] - например, Еврокод применим только для загруженных длин до 200 м. Более длинные пролеты рассматриваются в каждом конкретном случае. Общепринято, что интенсивность нагрузки уменьшается с увеличением пролета, поскольку вероятность того, что много грузовиков будут близко друг к другу, а чрезвычайно тяжелые уменьшаются с увеличением количества задействованных грузовиков. Также обычно предполагается, что короткие пролеты регулируются небольшим количеством грузовиков, движущихся с высокой скоростью, с учетом динамики. С другой стороны, более длинные пролеты регулируются перегруженным движением, и учет динамики не требуется.
Расчет нагрузки из-за перегруженного движения остается сложной задачей, поскольку существует нехватка данных о зазорах между транспортными средствами, как внутри полосы, так и между полосами, в условиях перегруженности. Системы взвешивания в движении (WIM) предоставляют данные о зазорах между транспортными средствами, но хорошо работают только в условиях свободного движения. Некоторые авторы использовали камеры для измерения зазоров и длины транспортных средств в заторах и вывели вес из длины, используя данные WIM. [73] Другие использовали микросимуляцию для создания типичных скоплений транспортных средств на мосту. [74] [75] [76]
Мосты вибрируют под нагрузкой, и это в большей или меньшей степени способствует возникновению напряжений. [39] Вибрация и динамика, как правило, более значимы для тонких конструкций, таких как пешеходные мосты и длиннопролетные автомобильные или железнодорожные мосты. Одним из самых известных примеров является мост Такома-Нэрроус , который рухнул вскоре после постройки из-за чрезмерной вибрации. Совсем недавно мост Миллениум в Лондоне сильно вибрировал под пешеходной нагрузкой и был закрыт и модернизирован с помощью системы демпферов. Для небольших мостов динамика не является катастрофической, но может вносить дополнительный вклад в усиление напряжений из-за статических эффектов. Например, Еврокод для нагрузки моста указывает усиление от 10% до 70% в зависимости от пролета, количества полос движения и типа напряжения (изгибающий момент или сила сдвига). [77]
Было проведено много исследований динамического взаимодействия между транспортными средствами и мостами во время пересечения транспортными средствами. Фрайба [78] провел пионерскую работу по взаимодействию движущейся нагрузки и балки Эйлера-Бернулли. С ростом вычислительной мощности модели взаимодействия транспортного средства с мостом (VBI) стали еще более сложными. [79] [80] [81] [82] Проблема заключается в том, что одна из многих собственных частот, связанных с транспортным средством, будет резонировать с первой собственной частотой моста. [83] Частоты, связанные с транспортным средством, включают отскок кузова и подпрыгивание оси, но есть также псевдочастоты, связанные со скоростью пересечения транспортным средством [84], и есть много частот, связанных с профилем поверхности. [62] Учитывая большое разнообразие тяжелых транспортных средств на автодорожных мостах, был предложен статистический подход с анализом VBI, проведенным для многих статически экстремальных событий нагрузки. [85]
Разрушение мостов вызывает особую озабоченность у инженеров-строителей, пытающихся извлечь уроки, имеющие важное значение для проектирования, строительства и обслуживания мостов.
Проблема разрушения мостов впервые стала предметом национального интереса в Великобритании в викторианскую эпоху , когда строилось много новых конструкций, часто с использованием новых материалов, причем некоторые из них катастрофически разрушались.
В Соединенных Штатах Национальная инвентаризация мостов отслеживает структурную оценку всех мостов, включая такие обозначения, как «конструктивно несовершенный» и «функционально устаревший».
Существует несколько методов, используемых для мониторинга состояния крупных конструкций, таких как мосты. Многие длиннопролетные мосты теперь регулярно контролируются с помощью ряда датчиков, включая тензодатчики, акселерометры , [86] наклономеры и GPS. Акселерометры имеют то преимущество, что они инерциальны, т. е. им не требуется опорная точка для измерения. Это часто является проблемой для измерения расстояния или прогиба, особенно если мост находится над водой. [87] Краудсорсинг состояния моста путем доступа к данным, пассивно собранным мобильными телефонами, которые обычно включают акселерометры и датчики GPS, был предложен в качестве альтернативы включению датчиков во время строительства моста и дополнения для профессиональных осмотров. [88]
Вариантом контроля структурной целостности является «бесконтактный контроль», который использует эффект Доплера (доплеровский сдвиг). Лазерный луч от лазерного доплеровского виброметра направляется на интересующую точку, а амплитуда и частота вибрации извлекаются из доплеровского сдвига частоты лазерного луча из-за движения поверхности. [89] Преимущество этого метода заключается в том, что время настройки оборудования меньше, и, в отличие от акселерометра, это позволяет проводить измерения на нескольких конструкциях за максимально короткое время. Кроме того, этот метод может измерять определенные точки на мосту, доступ к которым может быть затруднен. Однако виброметры относительно дороги и имеют тот недостаток, что для измерения требуется контрольная точка.
Снимки внешнего состояния моста во времени можно записывать с помощью лидара для помощи в осмотре моста. [90] Это может обеспечить измерение геометрии моста (чтобы облегчить построение компьютерной модели), но точность, как правило, недостаточна для измерения прогибов моста под нагрузкой.
В то время как более крупные современные мосты регулярно контролируются электронным способом, более мелкие мосты обычно проверяются визуально обученными инспекторами. Существует значительный исследовательский интерес к проблеме небольших мостов, поскольку они часто находятся вдали от цивилизации и не имеют электропитания на месте. Возможными решениями являются установка датчиков на специализированном инспекционном автомобиле и использование его измерений при проезде по мосту для получения информации о состоянии моста. [91] [92] [93] Эти автомобили могут быть оснащены акселерометрами, гирометрами, лазерными доплеровскими виброметрами [94] [95] , а некоторые даже имеют возможность прикладывать резонансную силу к поверхности дороги для динамического возбуждения моста на его резонансной частоте.
(Бревенчатый мост) — мост, состоящий из бревенчатых балок, причем бревна находятся в естественном состоянии или
обтесаны
, которые переброшены через две
опоры
и по которым может проходить транспорт.