Mosty wantowe

Rozwój, osiągnięcia i możliwości

Konstrukcje wantowe są najmłodszymi, najszybciej rozwijającymi się i najbardziej obiecującymi systemami mostowymi.

Mosty wantowe są podkategorią konstrukcji podwieszanych. Most wantowy jest podobny do mostu podwieszonego, ponieważ posiada wieże i pomost podtrzymywany przez kable, jednak kable ukośne przenoszą obciążenia pionowe z pomostu bezpośrednio na wieże. W ten sposób główny pomost mostu wantowego działa jak belka ciągła na podporach kablowych (bardziej elastycznych niż podpory mola) z dodatkową siłą ściskającą w całym pomoście. Most wantowy jest również ustrojem sprężonym, ponieważ jego wanty są dodatkowo naprężone, aby zrównoważyć znaczną część obciążeń pionowych działających na główny pokład-dźwigar.

Most Strömsund w Szwecji, ukończony w 1956 roku z głównym przęsłem o długości 182 metrów (597 stóp), jest uważany za pierwszy nowoczesny most wantowy. Przez następne 65 lat mosty wantowe odnotowały gwałtowny wzrost zarówno liczby nowych konstrukcji, jak i osiągnięć w zakresie dużych rozpiętości przęseł. Do 1995 roku istniały tylko 3 mosty wantowe o rozpiętości przęseł powyżej 500 metrów (1 640 stóp); 25 lat później jest już 67 mostów wantowych o rozpiętości przęseł powyżej 500 metrów (w tym trzy o rozpiętości powyżej 1 000 metrów lub 3 280 stóp). Kolejnych 29 mostów o rozpiętości ponad 500 metrów, w tym kilka o rozpiętości ponad 800 metrów, jest obecnie w budowie.

Wydajność mostów wantowych zmierza w kierunku jeszcze większych rozpiętości. Żaden inny system konstrukcji mostowych nie wykazuje tak szybkiego rozwoju. Większość mostów wantowych jest piękna wizualnie, a niektóre z nich należą do najbardziej imponujących osiągnięć inżynieryjnych.

Origins and Precedents

Pomysł na system wantowy został być może zainspirowany mostami zwodzonymi średniowiecznych zamków i masztami wysokich statków opartymi na linach. Pierwszy udokumentowany obraz mostu wantowego znajduje się w Machinae Novae, książce Fausto Veranzio wydanej w 1615 r.

Poprzednicy współczesnych mostów wantowych pojawili się w XIX wieku w postaci różnych hybrydowych kombinacji systemów podwieszonych z dodatkowymi prostymi kablami ukośnymi, jak w przypadku mostu Albert Bridge w Wielkiej Brytanii (1873). Najbardziej znaną z tych hybrydowych konstrukcji jest Most Brookliński, Nowy Jork, 1883, o rozpiętości głównej 486 metrów (1 594 stóp), w którym John Roebling zastosował kable ukośne do usztywnienia konstrukcji.

W latach 60. i 70. system ten był dalej rozwijany w celu zastąpienia wielu mostów zniszczonych w Niemczech podczas II wojny światowej. W tym okresie system ten był również wykorzystywany do konstrukcji dachowych wymagających długich, pozbawionych słupów przestrzeni w budynkach. Początkowo konstrukcje wantowe były wykorzystywane do budowy mostów o rozpiętości od 60 do 250 metrów (196 do 820 stóp), obecnie jednak rozpiętość przęseł jest znacznie większa i są one jedynym systemem, który stanowi wyzwanie dla mostów wiszących w zakresie super długich rozpiętości. Ich rozpiętość wzrosła do 302 metrów (990 stóp) w 1959 roku w przypadku mostu Severin (Niemcy), do 404 metrów (1,325 stóp) w 1974 roku w przypadku mostu Saint Nazaire (Francja) i do 856 metrów (2,808 stóp) w 1995 roku w przypadku mostu Normandzkiego Michela Virlogeux (Francja). Obecnie most Russky Island Bridge (Rosja) ma najdłuższe przęsło w tym systemie, 1 104 metrów (3 622 stóp) osiągnięte w 2012 roku (rysunek 1).

W Stanach Zjednoczonych możemy wymienić drugi Sunshine Skyway Bridge o rozpiętości 366 metrów (1 200 stóp) w 1987 roku (Floryda), Dames Point Bridge o rozpiętości 396 metrów (1 300 stóp) na Florydzie oraz Arthur Ravenel Bridge o rozpiętości 471 metrów (1 545 stóp) w 2005 roku (Karolina Południowa).

Szczegóły systemu

Głównymi elementami mostu wantowego są wieże lub pylony, dźwigar(y) pokładowy(e), przęsła kablowe, zakotwienia i fundamenty. Wieża i pylon są terminami zamiennymi; lżejsze, smukłe wieże są często nazywane pylonami. Klasyczne mosty wantowe są symetryczne, mają jedno przęsło środkowe, dwa przęsła boczne i dwie wieże; taka jest większość mostów wantowych o rozpiętości przęseł powyżej 600 metrów. Kable rezerwowe mogą rozciągać się na kilka przęseł bocznych.

Asymetryczne mosty wantowe mają jedno przęsło główne i jedno przęsło boczne, z jedną wieżą. Wieloprzęsłowe mosty wantowe mają dwa lub więcej (zwykle równe) przęsła główne. Kilka przykładów pokazano na rysunku 2.

W przypadku mostów wantowych stosuje się pewne podziały: extradosed, under-spanned (podpokładowe), cradle, inverted Fink truss oraz tensegrity. Kable na wieżach mogą być ułożone w konfiguracji równoległej (harfa), wachlarzowej, gwiaździstej lub mieszanej. W wieżach stosowane są różne rozwiązania konstrukcyjne: pojedyncze pylony, dwunożne portale (pionowe, lekko skośne, wolnostojące lub połączone ze sobą jako rama portalowa, z łukami w kształcie litery „A”, „H”, „Y” lub odwróconego „Y”).

Wieże mogą być ciągłe powyżej i poniżej pokładu, podtrzymując zarówno pokład, jak i kable, lub górna część może podtrzymywać tylko kable, podczas gdy pokład-dźwigar jest podparty bezpośrednio przez pomosty. Przykłady pokazano na rysunku 3.

Podstawowe materiały konstrukcyjne stosowane w mostach wantowych to:

• Dla pokładów: żelbetowe lub sprężone, zespolone betonowo-stalowe lub stalowe ortotropowe;
• Dla dźwigarów pokładowych: belki z betonu sprężonego lub stali, dźwigary skrzynkowe z betonu sprężonego lub stali, podobne do tych w nowoczesnych mostach wiszących;
• Dla wież: stalowe, żelbetowe lub sprężone, zespolone stalowo-betonowe;
• Dla kabli: druty stalowe o wysokiej wytrzymałości, zwykle klasy 270 (270 ksi, lub 1,860 MPa), zbudowane z 7 drutów, ⅜ cala (9.5 milimetrów) zgodnie z normą ASTM A886, innych drutów stalowych wyższej klasy, polimerów wzmacnianych włóknami węglowymi (CFRP) lub kompozytów. W przeszłości stosowano beton sprężony, ale należy go unikać, ponieważ okazał się niebezpieczny w przypadku niektórych awarii, takich jak most Morandi;
• W przypadku filarów i fundamentów: żelbeton z palami lub bez w zależności od gruntu.

W przypadku mostów o dużej rozpiętości, fundamentów na miękkich gruntach lub mostów w obszarach o wysokiej aktywności sejsmicznej, zaleca się stosowanie głównie konstrukcji stalowych w celu zmniejszenia ciężaru własnego i związanych z nim sił sejsmicznych.

Projekt koncepcyjny

Najważniejszą częścią projektu mostu jest ogólna koncepcja konstrukcji i jej elementów: wybór odpowiedniego układu konstrukcyjnego dla mostu z uwzględnieniem jego specyficznej funkcji, lokalizacji i wymaganych rozpiętości. Dobrze wybrana koncepcja decyduje o wydajności i ekonomiczności mostu, oszczędza materiały, koszty i czas budowy. Dobre koncepcje projektowe minimalizują problemy i przyszłe trudności zarówno w biurze projektowym, jak i na placu budowy.

Przy projektowaniu wczesnych mostów wantowych inżynierowie stosowali stosunkowo niewielką liczbę kabli. Po zdobyciu większego doświadczenia i wprowadzeniu oprogramowania do projektowania konstrukcji inżynierowie byli w stanie zastosować większą liczbę cięgien, co zmniejszyło zapotrzebowanie na dźwigar pomostu i doprowadziło do zwiększenia wydajności i długości przęseł.

Podstawy projektowania mostów wantowych są następujące: pionowe obciążenia pomostu są przenoszone przez ukośne cięgna, które przenoszą te obciążenia na wieże. Na wieży składowe poziome kabli z głównego przęsła są w równowadze z tymi z przęseł bocznych/sąsiednich. Wieże podtrzymują i przenoszą obciążenie pionowe na fundamenty. Podobnie, skumulowane ściskające poziome składowe obciążeń z przęsła głównego są w równowadze ze ściskającymi składowymi obciążeń z przęseł bocznych. W związku z tym cały ustrój mostu jest w równowadze z dominującymi siłami ściskającymi w wieżach i ustroju nośnym oraz z siłami rozciągającymi w podporach kablowych. System jest samobalansujący, pod warunkiem, że wszystkie elementy są zaprojektowane prawidłowo, aby utrzymać maksymalne zapotrzebowanie wynikające z najwyższej możliwej kombinacji obciążeń.

Wyzwaniem dla inżyniera projektanta jest wybór odpowiedniej kombinacji wielu możliwych wariantów wież, układów want i systemów pomostów. Podobnie jak wszystkie konstrukcje podwieszone, mosty wantowe są wrażliwe na odkształcenia i konieczne jest sprawdzenie stanu odkształcenia systemu dla wszystkich kombinacji obciążeń, również w różnych fazach budowy.

Dzisiejsze oprogramowanie do projektowania konstrukcji w znacznym stopniu wspomaga inżynierów w obliczeniach mostów wantowych. Po wybraniu głównych parametrów systemu konieczne jest ustalenie wymiarów początkowych i przekrojów pomostu, kabli i wież. Proste podejście projektowe pomoże w ustaleniu tych wymiarów.

Na początek projektant może zastosować zastępczą belkę swobodnie podpartą do określenia przybliżonych momentów zginających dla dźwigara pomostu głównego przęsła. Zwiększenie naprężenia wstępnego want może skompensować większość momentów pochodzących od obciążeń stałych na pokładzie. Uzyskuje się to przez dodatkowe naprężenie kabli po zmontowaniu elementów głównych w celu przeciwdziałania obciążeniom stałym, co powoduje minimalne zginanie pionowe pokładu-belek. Kable powinny być dodatkowo naprężone tak, aby przeciwdziałać 50% łącznych tymczasowych obciążeń skierowanych w dół (obciążenia użytkowe, wiatr, śnieg, lód i trzęsienie ziemi). W ten sposób robocze momenty zginające pokładu-bramki będą się zmieniać podczas eksploatacji w przybliżeniu pomiędzy 50% momentów dodatnich (od najgorszej kombinacji obciążeń chwilowych) a 50% momentów ujemnych od obciążeń chwilowych. Ten „pierwszy krok” określa obliczeniowe momenty zginające dla pokładu-belek głównego przęsła. Siła ściskająca w dźwigarze pokładu spowodowana składowymi poziomymi sił od cięgien stanowi skumulowaną sumę tych składowych, około 55 do 65% całkowitych obciążeń pionowych przęsła głównego w zależności od rozpiętości, liczby cięgien i wysokości połączeń kablowych na wieży. Skumulowana siła ściskająca (ΣPc) w pokładzie – dźwigarze jest równa sumie wszystkich sił ściskających Pci w połączeniach kablowych (Rysunek 4) na pokładzie: siła naciągu kabli Pcable = Pv/sin α,

Pci to siła ściskająca w pokładzie-dźwigarze od składowej poziomej siły naciągu kabli,

Pvi jest pionową siłą DL + LL przyłożoną w połączeniu kabli na pokładzie-dźwigarze plus pionowa składowa dodatkowo przyłożonej siły rozciągającej,

Li jest poziomą odległością od tego połączenia do wieży, a

Ht jest wysokością tego połączenia kabli na wieży powyżej pokładu.

Uproszczone obliczenia wstępne dla skumulowanej siły ściskającej są następujące:

gdzie:

ΣPc jest skumulowaną siłą ściskającą w pokładzie-dźwigarze, maksymalną przy wieżach,

ΣPv jest sumą wszystkich sił pionowych skierowanych w dół na pokładzie głównego przęsła,

Lmax jest długością głównego przęsła,

Ht jest wysokością połączeń kablowych w wieży nad pokładem, jak pokazano na rysunku 4 dla konfiguracji kabli wachlarzowych lub harfowych, a

Lgr jest całkowitą długością grupy kabli dla konfiguracji harfowej.

Suma sił poziomych wszystkich kabli na wieży (z przęsła głównego) jest równa skumulowanej sile ściskającej w dźwigarze pokładowym przęsła głównego, równoważonej przez równą siłę po stronie przeciwnej.

Obliczenia te pozwolą projektantowi na ustalenie wstępnych wymiarów projektowych kabli, pomostu i wieży, które zostaną wykorzystane w modelu komputerowym do dalszych korekt i udoskonaleń systemu. Dźwigar pomostu musi być zaprojektowany na ściskanie i zginanie pochodzące od systemu wantowego oraz typowej konstrukcji pomostu mostowego na pionowe obciążenia własne i użytkowe. Opisane powyżej podejście wstępne pomoże szybciej osiągnąć pożądany cel końcowy.

Wydajność i ekonomia

Mosty wantowe są wydajne pod względem kosztów, materiałów i czasu budowy. Mają lepszą wydajność niż inne systemy mostowe, których jedynym konkurentem są systemy podwieszane, a jednocześnie pozwalają na prostsze metody budowy. Dodatkową zaletą mostów wantowych jest ich większy zakres rozpiętości od 100-metrowych (328 stóp) do ponad 1000-metrowych (3280 stóp).

Mnogość możliwości systemu zapewnia inżynierom i architektom wiele opcji projektowych. Konstrukcje typu „mid-long range” pozwalają na większą kreatywność, oryginalność i możliwości innowacyjnej pracy. Most wantowy nie musi być ekstrawagancki. Najprostszy most o „szczerej” strukturze jest często najlepszy i zazwyczaj elegancki i atrakcyjny.

Mosty wantowe łączą w sobie elegancję, smukłość i poczucie solidności. Zapotrzebowanie krajowej infrastruktury na więcej mostów wymaga priorytetu wydajności i ekonomii.

Sztuka inżynierii wymaga kreatywności i fantazji, ale inżynierowie powinni unikać powtarzalnych i nielogicznych kształtów. Kreatywność jest niezbędna, ale „nadmierna oryginalność” powinna występować tylko w uzasadnionych wyjątkach (np, Christian Menn i Michel Virlogeux).

Pros and Cons

Główne zalety systemu to:

• Szybka i stosunkowo łatwa konstrukcja, wymagająca mniej czasu na budowę
• Mniej kosztowna
• Wielość opcji projektowych
• Duży efektywny zakres rozpiętości
• Wytrzymałe i odporne konstrukcje
• Atrakcyjny wygląd

Główne wady systemu to:

• Wciąż gorsze od mostów wiszących w przypadku superdługich przęseł
• Wymaga sprawdzania odkształceń w każdych warunkach
• Wymaga doświadczenia zarówno w projektowaniu, jak i budowie

Dalszy rozwój

Tak jak wszystkie inne systemy mostowe, mosty wantowe są stale ulepszane w oparciu o rozwój materiałów o wysokiej wytrzymałości i nowych technologii konstrukcyjnych. Bardziej wartościowe dla inżynierów są modyfikacje istniejących systemów konstrukcyjnych i nowszych podsystemów. Oprócz zwiększonej liczby mostów wantowych o większych rozpiętościach (powyżej 600 metrów lub około 2000 stóp), system ten jest coraz częściej wykorzystywany do budowy mostów dla pieszych. Mniejsze obciążenia i krótsze przęsła pozwalają inżynierom na badanie nowych podejść, przekształcając budowę tych mostów w laboratorium testowe dla innowacji. W związku z tym można rozważyć systemy mostów podwieszonych typu extradosed, under-spanned i inverted Fink truss, wszystkie zorientowane na poprawę efektywności.

Jednym z obszarów dalszego rozwoju jest poszukiwanie kombinacji/hybryd systemów mostów wantowych i podwieszonych w celu uzyskania superdługich przęseł. Pomysł polega na zmniejszeniu długości przęsła zawieszenia poprzez przesunięcie punktów podparcia zawieszenia do wewnątrz wzdłuż przęsła. Zmniejsza to nie tylko długość przęsła podwieszonego, ale również wymaganą wysokość wieży, umożliwiając jednocześnie uzyskanie większej rozpiętości przęsła w świetle. Jest to możliwe dzięki zastosowaniu „alternatywnych wsporników wantowych” na wieżach mostowych, dodających „pokładowe” pylony wantowe (Rysunek 5). Przy zastosowaniu wsporników o długości 500 metrów (1 640 stóp) i pylonów wantowych „na pokładzie” po obu stronach całkowitej rozpiętości przęsła w świetle wynoszącej 3 000 metrów (9 842 stóp), część podwieszona zostaje zredukowana do 2 000 metrów (6 561 stóp). Taka redukcja pozwoliłaby na użycie głównych lin nośnych o rozmiarze i typie tych, które są już używane w mostach, takich jak Akashi-Kaikyo na 1991 metrów (6,532 stóp), dla znacznie dłuższego głównego przęsła.

Wnioski

W oparciu o obecny postęp techniczny i szybki rozwój, mosty wantowe mogą osiągnąć rozpiętość od 2 400 do 2 600 metrów (7 600 do 8 500 stóp) w krótkim czasie; taka konstrukcja będzie wymagała wież o wysokości od 500 do 570 metrów (1640 stóp do 1 870 stóp), co jest osiągalne, biorąc pod uwagę już ukończone konstrukcje drapaczy chmur. Pozwoli to rozszerzyć zakres wydajności mostów wantowych do bardzo dużych rozpiętości powyżej 2000 metrów (6 561 stóp). Hybrydowy system wantowo-podwieszany umożliwiłby uzyskanie jeszcze większych rozpiętości przęseł, wynoszących od 3 000 do 3 400 metrów (od 9 842 do ponad 11 000 stóp), przy czym „czysty” most podwieszany miałby rozpiętość „tylko” od 2 200 do 2 400 metrów (od 7 218 do 7 874 stóp).

W oparciu o wydajność i zalety konstrukcji wantowych, amerykańscy inżynierowie i agencje transportowe powinny rozważyć zwiększenie liczby mostów wantowych przy planowaniu nowych projektów. Większe wykorzystanie mostów wantowych może unowocześnić infrastrukturę dzięki tym wydajnym, szybciej budowanym i eleganckim konstrukcjom. Upowszechnienie mostów wantowych może również pomóc naszej profesji inżyniera mostowego odzyskać pozycję lidera w projektowaniu i budowie mostów o dużej rozpiętości przęseł.