Крушения металлических мостов

Крушения металлических мостов  

 

 

  

 

Аварии и  крушения металлических мостовых конструкций  весьма поучительны для исследования причин аварий и немостовых металлических  конструкций.

 
На протяжении истории мостостроения  имели место весьма интересные с  научной и инженерной точек зрения аварии мостов. Одной из самых характерных  причин всегда была потеря устойчивости. За редчайшим исключением, в любой  аварии мостовых конструкций главной  или сопутствующей причиной оказывалась  потеря устойчивости либо всей конструкции, либо ее отдельных элементов. Ниже приведены  краткие сведения об отдельных «классических» случаях крушений мостов.

 
Тэйский мост (Англия). Крушение произошло в 1879 г. через 19 месяцев после начала эксплуатации. Основные причины — недоучет ветровой нагрузки, недостаточная прочность и устойчивость высоких опор моста на опрокидывание. Река Тэй в Шотландии у г. Данди образует озеро, через которое был построен однопутный мост, имевший в плане букву S (рис. 61, а). Длина моста свыше 3,5 км, ширина 4,5 м. Мост имел 85 разных пролетов — от 8,54 до 74,7 м. Фермы с параллельными поясами (кроме одной с криволинейным верхним поясом) опирались на очень высокие решетчатые опоры (Л = 24 м), которые в свою очередь опирались на кирпичные быки, установленные на кессонах. При скорости ветра 130—140 км/ч 13 судоходных пролетов, перекрытых тремя неразрезными фермами (одной — пяти и двух—четырехпролет-ными) с пролетами по 74,7 м, вместе с находящимся на них пассажирским поездом обрушились в воду (рис. 61 б, в). Частично обрушились и металлические трубчатые опоры вплоть до каменной кладки. По свидетельству современников, подобный катастрофы еще не было в истории мостостроения Англии.

 
Мост имел 20-кратный запас прочности  на вертикальную нагрузку и не был  рассчитан на ветровую. Автором проекта  была сделана проверка только на ветровую нагрузку на весьма заниженное давление — 47 кГ/м2. Нормы для определения ветрового давления в разных странах были разные: в Англии при постройке Тэйского моста была взята нагрузка в 3 раза меньше, чем в Германии, и в 5 раз меньше, чем в США. Итак, мост был проверен на давление ветра 47 кГ/м2, а в момент катастрофы это давление достигало 188 кГ/м2. Советский исследователь Ф. Д. Дмитриев [1] причину катастрофы усматривает в недостаточной прочности и устойчивости опор на опрокидывание. По его подсчетам, если определить опрокидывающий и удерживающий моменты, то окажется, что мост неизбежно должен был опрокинуться при давлеии ветра 115 кГ/м2, и ни качество материала и работ, ни жесткость связей, ни 20-кратная прочность на вертикальную нагрузку не могли бы спасти мост от обрушения.

 
Мост через р. Бирс у  дер. Менхенштейн (Швейцария). Крушение произошло в 1891 г. Основная причина — потеря устойчивости вследствие недостаточной жесткости средних раскосов. Знакопеременные раскосы были ошибочно рассчитаны и запроектированы как растянутые. Однопутный мост длиной всего 42 м, построенный по проекту автора всемирно известной в Париже башни инж. Эйфеля, был расположен на магистрали, соединяющей Париж со Швейцарией. Фермы моста — с параллельными поясами. Высота ферм 6,2 м, расстояние между осями ферм 4,7 м Материал —сварочное железо. За год до крушения мост уже'подвергался усилению. Он обрушился во время прохождения" по нему пассажирского поезда. Слабым местом оказались средние раскосы, выполненные из накрест поставленных уголков, соединенных между собой планками через 1,2 м.

 
Свидетели аварии почти единогласно  показали, что крушение началось в  тот момент, когда паровоз еще не достиг середины или только что перешел за середину моста. Линия влияния указывает на то, что для среднего раскоса такое загружение наиболее опасно. По расчетам Энгессера, исследовавшего конструкцию моста (официальное расследование вели Риттер и Тетмайер), коэффициент запаса оказался равным всего 0,75. Знакопеременные раскосы были рассчитаны только на растяжение без учета продольного изгиба. По подсчетам Ф. Д. Дмитриева [1], максимальное сжимающее усилие в одном из раскосов составило 22,3 т, а гибкость Я=193. При такой гибкости критическое напряжение для сварочного железа по таблицам Ф. С. Ясинского (?кр. = 530 кГ/см2, в то время как действительное напряжение в раскосе было сг = 676 кГ/см2.

 
Мост через р. Кевду (Россия). Крушение произошло в 1875 г. (вскоре после окончания сборки) при проходе по мосту рабочего поезда. Основная причина — потеря устойчивости верхних поясов ферм в плоскости, перпендикулярной плоскости ферм. Мост длиной 33,5 м не имел верхних горизонтальных связей. Верхний пояс ферм представлял собой сжатый длинный стержень, работающий в упругой среде, создаваемой отпором стоек. Недостаточная жесткость стоек оказывала незначительный отпор, и работа пояса проходила в неблагоприятных условиях: пояса = 6580 СМ*; /СТОЙКИ = 215 СМ*.

 
Современный   расчет показывает,   что фактическое напряжение в поясе значительно превышало критическое: 
"действ = 970 кГ\см\ акр = 850 кГ\см\ Потеря устойчивости верхнего пояса открытых мостов обычно имеет смешанную изгибно-крутильную форму.

 
Квебекский мост через  р. Св. Лаврентия (Канада). Мост обрушивался дважды — первый раз в 1907 г. во время строительства. Среди причин главной была потеря устойчивости сжатых стержней при недостаточности решеток связей. Вторая катастрофа произошла в 1916 г. во время монтажа конструкций при установке центрального подвесного пролета. Причина — соскользнул балансир.

 
Мост консольный. Общая его длина 988 м; средний, самый длинный в мире для того времени пролет — 549 м: два боковых— по 152,5 м, два береговых—по 67 м; ширина моста 20,4 м Чтобы судить о размерах моста, достаточно сказать, что высота фермы на быке составляла 96 м. Конструкция соединения элементов в узлах была смешанной: сжатых на заклепках и растянутых на болтах диаметром до 60 см.

 
Первое крушение произошло в период, когда были выполнены южная половина моста и три панели подвесной  фермы (рис. 62, б). Сборка призводилась на весу двумя кранами, которые в  момент крушения стояли на консолях фермы. Катастрофа уже наметилась почти  за месяц до аварии — большие  выгибы сжатых стержней консольных ферм. Возникшая по этому вопросу переписка  затянулась до дня катастрофы.

 
Каковы ошибки?

 
1. Была взята сильно заниженная  нагрузка от собственного веса, в результате того что величина  среднего пролета вначале была  принята 488 м, а затем увеличена  до 549 м * ; конструктивные коэффициенты для определения собственного веса были оставлены прежние. Нагрузка от собственного веса сильно возросла: половина подвесного пролета — на 17,5%, консоли — на 19,6%, берегового пролета — на 30%.

 
2. Неправильно был рассчитан нижний  сжатый пояс — составной стержень. Теории расчета решетки составных  стержней в то время еще  не было.

 
По современным расчетам в момент катастрофы фактическое напряжение в одном из элементов нижнего  пояса было сг= 1143 кГ/см2, а сгкр.= 1010 кГ\смг. Следовательно, неправильный расчет сжатых стержней и неумение рассчитывать решетку составных стержней, работающих на продольный изгиб, сделало все сооружение дефектным. Кроме того, нижний сжатый пояс был еще не весь склепан, отдельные его элементы были соединены на временных болтах и не обеспечивали необходимой жесткости. Использовать оставшиеся после крушения части стальной конструкции было невозможно, и мост спроектировали заново.

 
Второе крушение произошло через 9 лет, в момент установки центрального подвесного пролета длиной 187 м и  весом 5200 т. Когда баржу, на которой  покоилась ферма, оттянули, последняя  повисла на подъемных цепях, и  ее подтягивали к консолям моста, на которых были установлены подъемники. Пролет обрушился внезапно.

 
Наиболее вероятная причина катастрофы. Поперечная балка, на которой покоились  опоры, опиралась на цилиндрические (а не на плоские) шарниры, соединенные  с подъемниками цепями, и балка  находилась в неустойчивом положении. Во время подъема фермы последняя под действием собственного веса, естественно, деформировалась. Балка могла повернуться, и средний балансир мог соскользнуть вдоль нижнего шарнира. Ферма при подъеме, очевидно, имела и перекос, так как количество подъемников на концах консольных ферм было разное (на одном — пять, на другом— шесть). При подъеме новой фермы (вместо затонувшей) были применены уже плоские шарниры, гарантирующие от соскальзывания, и подвесная ферма была благополучно поднята и подвешена к консольным. Из изложенного следует, что соскальзывание, очевидно, и явилось основной причиной крушения.

 
Комитет, расследовавший причины аварии, вынес суждение о том, что она  произошла от разрушения крестообразного  балансира (это уже является следствием, М. Л.) и высказал еще три возможные  причины: 
 

появление горизонтальной силы, стремящейся заставить конец пролета соскользнуть с опорных валиков на поддерживающей балке;  подъем одного угла пролета опередил подъем на такую же величину соседнего угла, что вызвало потерю устойчивости поддерживающих ферм;

 

 

разрушение  самого пролета вследствие какой-либо ошибки в проекте.

 
Такомский мост через залив  Такома (США). Крушение произошло в 1940 г. после четырехмесячной эксплуатации. Основная причина аварии — чрезмерные динамические крутильные колебания, вызванные ветром. Для изучения аварии этого моста удачным фактором был тот, что точное поведение моста от начала аварии до момента крушения удалось подробно изучить при помощи киносъемки, зарегистрировавшей колебания и характер разрушения.

 
Мост висячий (вантовый) трехпролетный. Общая длина 1662 м, средний пролет 854 м, два боковых — по 335 м, береговой— 137 м, ширина моста 11,9 м. Мост подвешен на двух стальных канатах 0 438 мм каждый. Стрела провеса 70,66 м. Пилоны стальные на бетонных быках. Мост имел очень малую высоту балки жесткости — 2,44 м, что составляло 1/100 пролета, и в связи с этим был подвержен сильным колебаниям.

 
Крушение произошло в 1940 г. после 4-х месячной эксплуатации в результате вызванных ветром динамических колебаний (аэродинамических). Обрыв подвесок центрального пролета повлек провисание боковых пролетов и наклон пилонов. Сильные вертикальные и крутильные колебания моста явились следствием чрезмерной гибкости конструкции и  относительно малой способности  моста поглощать динамические силы. На рис. 63 виден характер колебаний моста при скорости ветра 18,8 м/сек. Мост был запроектирован и правильно рассчитан на действие статических нагрузок, в том числе и ветровой, но аэродинамическое действие нагрузки не было учтено. Крутильные колебания возникли в результате действия ветра на проезжую часть около горизонтальной оси, параллельной продольной оси моста. Крутильные колебания усиливались вертикальными колебаниями тросов. Опускание троса с одной стороны моста и поднятие его с другой вызвали наклон проезжей части и породили крутильные колебания.

 
Можно указать еще ряд причин (кроме потери устойчивости), которые  самостоятельно, а чаще всего в  сочетании с другими вызывали аварии мостовых конструкций. Так, например, контактные поверхности стальных литых шарниров для предохранения их от ржавления на Мюнхенском каменном мосту были тщательно вычищены, смазаны специальным составом и покрыты стеарином. Коэффициент трения уменьшился, что способствовало скольжению. Большой двухпролетный каменный мост в 1904 г. разрушился,  так как обе трехшарнирные арки   пролетом по 44 м соскользнули со своих шарниров. Смазка шарниров стеарином оказалась причиной катастрофы. Мост еще не был в эксплуатации.

 
Мост через р. Луару (Франция). Крушение произошло в 1907 г., ввиду того что вовремя не были усилены конструкции. Мост был построен и рассчитан на меньшие нагрузки, чем впоследствии на него были даны. Проходивший по мосту пассажирский поезд сошел с рельсов, разрушил проезжую часть и упал в реку. Основными причинами аварии следует считать слабое прикрепление поперечных балок проезжей части к нижнему поясу ферм и существенное превышение расчетной нагрузки. Проезжая часть оторвалась от ферм и увлекла за собой поезд.

 
Повторные производственные операции — расклепка, вторичная склепка  элементов, пострадавших во время пожара, — оказались одной из причин аварийного состояния Мозырского моста через  р. Припять. При восстановлении моста  в 1922 г. были использованы пролетные  строения двух других мостов: Подольского— через р. Днепр и Гурьев-ского — через р. Южный Буг. Во время испытания пролетного строения Мозырского моста в 1925 г. два наиболее мощных сжатых раскоса почти одновременно один за другим выпучились из плоскости ферм внутрь моста: в одной ферме — на 1460 мм, в другой — на 905 мм.

 
При расклепке и вторичной склепке  элементов, поврежденных пожаром, естественно, увеличились   заклепочные   и   болтовые отверстия. Болты в конструкциях моста имели «игру», что создавало незначительную жесткость соединений.

 
Несоблюдение установленных габаритов  перевозимых грузов и отсутствие наблюдений за их закреплением явилось  причиной аварии моста г. Мидвил (США) в 1902 г. Однопутный мост имел три пролета: два крайних — по 33 м и средний  — 88,7 м. Мост располагался на кривой. Товарный поезд, проходивший по мосту, состоял  из паровоза и 28 вагонов. Паровоз и 20 вагонов благополучно проехали, четыре рухнули вместе с мостом в реку, а четыре остались на пути, не успев  взойти на мост.

 
Авария произошла из-за того, что  вагоны, упавшие вместе с мостом, были нагружены тяжелыми мостовыми  фермами и балками, которые не были как следует закреплены: балки лежали на платформе наискось, были стянуты и прикреплены к платформе легкими связями. При движении поезда балки сместились и выдававшимися в сторону фасонками ударили о ферму моста, вызвав его крушение.

 
Уроки аварий и катастроф мостовых конструкций дали богатейший материал для развития научной и инженерной мысли, постановки различных теоретических  исследований и экспериментальных  проверок. Достаточно указать на труды  Ф. С. Ясинского, А. Н. Динника, В. 3. Власова, И. И. Гольденблата. II. С. Стрелецкого, А. Р. Ржаницынаи др..