Jan Knippers, Dr · Jörg Schlaich, Prof. — Schlaich, Bergermann and Partners, Штутгарт, Германия

Источник: Structural Engineering International, 1/2000, стр. 50–53.

Коллеги представляю вашему вниманию мой перевод статьи Folding Mechanism of the Kiel Hörn Footbridge, Germanyuilding structures. Оригинал статьи можно найти здесь Folding Mechanism of the Kiel Hörn Footbridge, Germany

Больше фото тут

Еще статьи по теме Краткий обзор и чертежи и Еще статья

Видео сгенерировано ИИ

Предисловие переводчика

Все три материала, попавшие мне в руки, посвящены одному объекту — складному пешеходному мосту Kiel Hörn (Kieler Hörn) в Киле, Германия. Инженеры — Schlaich Bergermann und Partner (Jan Knippers, Jörg Schlaich), архитекторы — gmp (von Gerkan, Marg und Partner), мост завершён в 1997 году. Ниже приведён перевод наиболее подробной из статей — публикации в журнале Structural Engineering International (SEI 1/2000), где авторы конструкции изложили инженерную логику складного механизма.

Главная идея конструкции, ради которой всё затевалось: во всех положениях и под всеми нагрузками вантовая система остаётся статически определимой, а все ванты всегда натянуты — без скрытой механики. В несущей схеме нет ни гидроцилиндров, ни пружин, ни демпферов — только ванты, перекинутые через мачтовые порталы и заякоренные в фундаменте. Складывание сводится к вращению пары лебёдок с постоянным крутящим моментом, к которым подключены все барабаны. Это сознательный отказ от «спрятанной» механики мостов XIX века (поворотных, подъёмных, тянущих, катучих): архитекторы и инженеры хотели, чтобы механика движения читалась, а форма перекликалась с портовыми кранами.

В закрытом положении мост — это обычная вантовая конструкция с пролётом около 25,6 м и шириной 5 м; складная часть весом 54 т разбита шарнирами на три сегмента. Полный цикл раскрытия — порядка 120 секунд. Перед отправкой мост полностью собрали на бывшей судоверфи в Ростоке, прогнали 48-часовой ресурсный тест (раскрытие каждые 15 минут, около 250 циклов), после чего целиком на понтоне доставили по Балтике в Киль и установили плавкраном.

Для меня этот объект интересен прежде всего как пример статически определимой вантовой системы с непрерывно меняющейся геометрией и приводом на постоянном моменте — особенно идея «13 расчётных положений» и принцип «ванты всегда в натяге без скрытой механики». Терминологию старался передавать инженерно корректно; в спорных местах оставлял оригинальные обозначения вант и палуб (1A, 2A, 3, 3A; декель 1/2/3). Подписи под иллюстрациями сохранены, места под сами иллюстрации оставлены пустыми.

Складной механизм пешеходного моста Kiel Hörn, Германия

Аннотация

Залив Балтийского моря разделяет центр города Киль. Чтобы обеспечить пешеходный переход, допускающий проход судов, был построен складной вантовый мост. Его необычный складной механизм был предложен не только ради безопасной и надёжной эксплуатации, но и как визуальная и техническая достопримечательность. Палуба складывается по трём шарнирам за счёт непрерывного вращения пары односкоростных лебёдок, к которым подключены все барабаны вант.

Введение

Складной мост Kiel Hörn — центральная часть пешеходного моста длиной 116 м, связывающего оба берега бассейна Хёрн, последнего фьордоподобного окончания Балтийского моря в городе Киль (рис. 1). В закрытом положении мост по сути представляет собой обычный вантовый мост с пролётом 25,6 м и шириной 5 м. Палуба разбита шарнирами на три сегмента, что позволяет ей складываться. Складывание моста представляет собой интересное зрелище и уменьшает площадь, подверженную ветру, в открытом положении. Во всех положениях палуба поддерживается только вантами, без применения пружин, гидравлики или иных механических устройств. Поэтому для надёжной и устойчивой работы конструкции необходимо обеспечить натяжение вант при всех условиях нагружения.

Стальная конструкция

Палубы моста представляют собой простые стальные ростверки: продольные балки — двутавры, поперечные — стальные трубы. Мачты — стальные трубы с поперечной балкой наверху, образующие П-образную раму (портал). Доски настила — дубовые. Вся несущая сталь — марки St 52-3 (по DIN 18 800), все пальцы — из нержавеющей стали. В шарнирах между палубами и в опорах основания мачт применены не требующие обслуживания шаровые (сферические) подшипники. В шарнирах перил и в концевых фитингах вант использованы втулочные подшипники. Все ванты — оцинкованные канаты круглой свивки с пределом прочности 1960 Н/мм².

Мост опирается на забивные полые стальные сваи. Сваи раскреплены под водой в обоих направлениях для обеспечения достаточной жёсткости фундамента, поскольку дно гавани находится примерно на 12,0 м ниже уровня моря. Противовес — круглый стальной стержень диаметром 600 мм; он необходим, чтобы обеспечить заданное натяжение всех вант при открытом мосте.

Рис. 1. План расположения (Fixed Bridge — неподвижная часть; Folding Bridge — складная часть; Platform driving unit — платформа привода; размеры: 62,80 — 25,60 — 27,60 м).

Движение и кинематика

Чтобы выбрать подходящую вантовую систему, потребовалось исследование альтернатив. Помимо компьютерных расчётов, очень полезными для лучшего понимания поведения моста при движении оказались действующие функциональные модели. Вантовая система обладает следующими главными свойствами, необходимыми для надёжного складывания:

• Во всех положениях и под всеми нагрузками, особенно ветровыми, все ванты находятся в натяжении, то есть никогда не провисают — без применения дополнительных механических устройств.
• Конструктивная система статически определима во всех положениях. Отклонения от идеального движения, вызванные температурными деформациями, ползучестью вант, осадками или неисправностями, не приводят к защемлениям и неконтролируемым усилиям в вантах.
• Привод прост. Лебёдки приводятся с постоянной скоростью или постоянным усилием. Синхронизация скоростей разных лебёдок не требуется.

Перечисленные свойства достигаются за счёт следующего процесса складывания (рис. 2).

Закрытое положение

Постоянную и временную нагрузки несут ванты 1A и 2A, которые отклоняются у вершин мачт и заякорены в фундаментах. Шарниры палуб в закрытом положении не заперты, а остаются в шарнирном состоянии, чтобы сохранить статически определимую систему. Палуба 1 жёстко соединена с мачтой 1. Оба мачтовых портала имеют шарнирное опирание в основании в продольном направлении и защемлены в поперечном направлении моста. Усилия вант 1B и 2B передаются в стальную конструкцию неподвижной части моста через регулируемые упоры. Лебёдки и приводные единицы, а также ванты 3 и 3A в закрытом положении не задействованы. Тем не менее все ванты сохраняют небольшое натяжение.

Первая стадия складывания (от 0 до 15°)

Ванты 1B и 2B рассчитаны на временную нагрузку, из-за чего имеют большие диаметры — до 56 мм. Полиспасты с канатами меньшего диаметра тянут концевые фитинги вант 1B и 2B горизонтально вдоль неподвижного моста по направляющим рельсам. Это позволяет сделать диаметры лебёдок и приводные моменты меньше, чем если бы ванты 1B и 2B наматывались напрямую.

Перед началом процесса складывания вант 3 высвобождается гидравлическим устройством (рис. 3). Ванты 1 и 3 намотаны на барабан лебёдки 1/3 (диаметр барабана для двух вант различен) в противоположных направлениях, так что вант 1 наматывается по мере того, как вант 3 сматывается. Лебёдка 1/3 вращается с постоянной скоростью в течение всего процесса складывания. На этой первой стадии все три палубы несут ванты 1, 2 и 3A, и система статически определима.

Рис. 2. Статическая система в закрытом положении (a) и во время первой (b) и второй (c) стадий складывания.

Рис. 3. Последовательность раскрытия моста. Стадия ①: 0° — высвобождение ванта 3, вант 3 провисает. Стадия ②: 0–90° — лебёдка 1/3 вращается с постоянной скоростью, мачта 1 поднимается. Стадия ③: 15–90° — лебёдка 2 вращается с постоянным приводным моментом, мачта 2 поднимается.

Вторая стадия складывания (от 15 до 90°)

Соотношение длин вант 1 и 3 непрерывно меняется за счёт вращения лебёдки 1/3. Примерно на 15° вант 3 начинает приподнимать шарнир между палубами 2 и 3. Теперь палубы несут ванты 1, 3 и 3A, и система по-прежнему статически определима. Вант 2 разгружается и более не нужен для конструктивной системы последующих положений моста. Однако мачта 2 преграждает путь складывающимся палубам и поэтому должна быть отведена лебёдкой 2, которая приводится небольшим постоянным приводным моментом.

Складывание перил

Стойки перил соединены с поручнями и палубами моста. Перила каждой палубы шарнирно соединены со следующими с теми же эксцентриситетами, что и основные шарниры палуб. Перила первой палубы соединены также с перилами неподвижного моста. Таким образом получается складной механизм перил без какого-либо дополнительного привода. Чтобы избежать неустойчивого положения перил при открытом мосте, был установлен дополнительный страховочный (переборочный) трос.

Расчёт

Поведение моста под ветровой нагрузкой имело особое значение для проектирования и расчёта вантовой системы. Вант 3 соединён эксцентрично в шарнире между палубами 2 и 3 и обеспечивает натяжение ванта 3A и удержание ванта 3, так что предотвращается «опрокидывание» палубы 3 под ветровой нагрузкой. Наветренная палуба нагружалась ветровой нагрузкой 1,0 кН/м² во время движения. Ветровые нагрузки на остальные палубы уменьшались, поскольку их затеняет первая палуба. Принятые допущения позволяют принять скорость ветра до примерно 25 м/с при складывании моста, включая коэффициент запаса 1,5. Для открытого и закрытого крайних положений учитывались более высокие ветровые нагрузки.

Из-за ветроукрепляющей консоли, седловин вант, концевых упоров и смены нагрузки с ванта 2 на вант 3 при 15° геометрия и статическая система непрерывно меняются. Поэтому потребовалось проанализировать 13 положений моста. Для каждого положения учитывались трение, температура и ветровые нагрузки из разных направлений. Усталостная прочность каждого составного узла и всех сварных швов проверялась по Еврокоду 3. Для определения требуемых диаметров вант использовались нормы для кранов и подъёмных устройств (DIN 15 020).

Фундамент рассчитывался на горизонтально действующие ледовые нагрузки по [1]. Для забивных свай диаметром 1,4 м, поддерживающих мачты, учитывалось горизонтальное усилие 630 кН.

Привод

Складывание моста занимает примерно две минуты. Лебёдки приводятся гидравлическими моторами. На каждой стороне моста расположена приводная единица, состоящая из электромотора, гидромотора, трансмиссии и лебёдки. Общий вес подвижных частей моста, включая противовес, составляет примерно 54 т. Электромоторы имеют мощность 44 кВт каждый.

Лебёдки 1/3 с обеих сторон моста постоянно соединены валом, обеспечивающим одинаковую скорость вращения. В случае отказа приводной единицы с одной стороны другая может перемещать мост с пониженной скоростью. Во время каждого процесса складывания углы палуб и усилия вант контролируются и сравниваются с величинами, заложенными в систему управления. При обнаружении любой неисправности движение моста останавливается или подаётся сигнал оператору. Главный пост управления находится примерно в 80 м от моста, откуда движения моста можно наблюдать на видеоэкране.

Мост можно механически удерживать в открытом положении, чтобы освободить приводную единицу и проводить обслуживание и осмотр, не нарушая судоходства. В закрытом положении мост зафиксирован гидравлическим пальцем, который сигнализирует системе управления о начале или завершении процесса складывания.

Изготовление и испытания

Мост был построен на бывшей судоверфи в Ростоке, рядом с берегом Балтийского моря. Перед транспортировкой в Киль вся конструкция была собрана в цехе. Были испытаны гидравлические и сенсорные устройства, а поведение системы управления проверено для каждой ситуации и любой мыслимой неисправности. Все усилия вант были измерены и сопоставлены с результатами компьютерных расчётов.

Влияние порывов ветра на мост во время движения было проверено простыми средствами. Мост останавливали в разных положениях, и шарнир между палубами 2 и 3 оттягивали тягами с усилием, примерно эквивалентным ожидаемому максимальному порыву ветра. Затем тяги резко отпускали. Измеряли затухание, амплитуды прогибов и усилий вант. Наблюдалась надёжная посадка вант в седловинах. Эти испытания подтвердили результаты выполненных ранее динамических расчётов и показали жёсткое поведение моста при складывании. Низшие собственные частоты находились в диапазоне от 0,7 до 1 Гц в зависимости от положения моста. Более высокие амплитуды перемещений, до 10 см, возникают только в последние моменты перед достижением открытого крайнего положения, но ускорения очень малы и из этих колебаний не возникает больших усилий. Амплитуды прогибов на этой стадии складывания гасятся мягкими концевыми упорами.

Динамическое поведение под временной нагрузкой также было испытано в цехе. Палубы моста — стальные ростверки с дощатым настилом и потому очень лёгкие, так что ожидались вибрации. Группа из 11 человек ходила и прыгала по мосту, и были измерены ускорения от 0,1 м/с² при нерегулярной ходьбе до 3 м/с² при синхронном прыжке. Низшая собственная частота составила примерно 2,1 Гц. Тем не менее было решено понаблюдать за поведением моста при реальной эксплуатации на окончательной площадке в Киле в течение некоторого времени, прежде чем принимать решение об установке демпфирующих устройств.

После более чем года интенсивной общественной эксплуатации жалоб на вибрации не поступало. Личное ощущение неудобства и неуверенности зависит не только от значений собственных частот или ускорений, но и от многих других параметров, которые трудно поддаются количественной оценке. Если пролёт моста короткий, высота над уровнем земли малая, а ширина палубы большая, как в данном случае, более высокие ускорения и амплитуды допустимы, как и для длинного высокого моста.

Заключительным цеховым испытанием стал 48-часовой ресурсный тест. Каждые 15 минут мост открывался и закрывался. Всего в цехе мост был сложен примерно 250 раз. После прохождения теста на долговечность вся конструкция была погружена на понтон и отправлена в Киль. Мост был установлен на место плавучим краном. После монтажа электрических и гидравлических устройств он был готов к эксплуатации.

Рис. 4. Складывание моста (последовательность фотографий стадий раскрытия).

Эксплуатация

Мост открыт для публики с декабря 1997 года. В 1998–1999 годах мост открывался и закрывался в среднем 11,4 раза в день летом и 8,9 раза в день зимой (рис. 4).

Поведение под ветровой нагрузкой очень часто обсуждалось в период проектирования, в том числе в местных газетах. Однако мост оказался очень устойчивым и надёжным под ветровыми нагрузками, как и предсказывали результаты динамических расчётов и цеховых испытаний. К настоящему времени он несколько раз складывался при скорости ветра 25 м/с. Интенсивный период цеховых испытаний оказался очень полезным; тем не менее в первые месяцы эксплуатации систему управления пришлось донастраивать. Суровая зима 1998/1999 года и лето 1999 года, однако, прошли без каких-либо неисправностей или перерывов в эксплуатации.

Выводы

Эта небольшая конструкция стала вызовом для своих проектировщиков и строителей, поскольку опыта работы с подобным типом моста не было. Мы надеемся, что он будет принят как небольшой образец инновации и радости в гавани Киля.

Литература

[1] Empfehlungen des Arbeitsausschusses Ufereinfassungen EAU 1990. 8. Auflage, Ernst & Sohn, Berlin, 1990.

Информационный блок SEI

Заказчик: Landeshauptstadt Kiel, Tiefbauamt und Hochbauamt. Архитектор: von Gerkan, Marg und Partner. Конструктивное проектирование: Schlaich, Bergermann and Partners. Подрядчик: Neptun Stahlobjektbau. Дата ввода в эксплуатацию: декабрь 1997 года.