Макинакский мост в Мичигане – это мост идеальной, гарантированной аэродинамической безопасности, обеспеченной без ущерба для экономичности и изящных пропорций. Дизайн моста с главным пролетом 3800 футов был предопределен научно, в окончательной форме, без многолетних экспериментов с нащупыванием, вырезанием и пробами, и без последовательного изменения конструкции для преодоления аэродинамической неустойчивости. На момент постройки это был самый длинный подвесной мост.
Факты и цифры:
Макинакский мост
Контракт на субструкцию был заключен на сумму 25 миллионов долларов США, а на надстройку – на 45 миллионов долларов США. Это был самый крупный контракт, когда-либо полученный United States Steel Corporation в то время. Фактически, это был самый крупный контракт в истории мостостроения.
Использование метода prepakt для укладки бетона в фундамент Макинакского моста позволило установить новый мировой рекорд по укладке бетона под водой с одного плавучего завода: 4800 кубических метров за 24 часа.
1. Необходимость строительства моста
Ширина Макинакского пролива составляет 4 мили, он соединяет озера Мичиган и Гурон. Пролив разделяет штат Мичиган на Нижний полуостров площадью 41 700 кв. миль и Верхний полуостров площадью 16 500 кв. миль.
Большая часть населения штата сосредоточена на высокоиндустриальном Нижнем полуострове, но Верхний полуостров обладает огромными природными ресурсами, которые при дальнейшем освоении привлекут дополнительное население и промышленную активность.
Протяженность Верхнего полуострова составляет 400 миль, его площадь почти равна площади четырех штатов Новой Англии. Основными отраслями промышленности в то время были лесное хозяйство, горнодобывающая промышленность, сельское хозяйство и отдых. Часть этой территории известна как Медная страна. Этот район также известен как райский уголок для отдыха, привлекающий туристов и спортсменов из многих штатов для охоты, рыбалки, кемпинга, парусного спорта и зимних видов спорта.
Макинакский мост заменил существующую государственную паромную систему автомобильных дорог, чтобы обеспечить круглогодичное, всепогодное, прямое, экономящее время сообщение между двумя великими полуостровами штата Мичиган. Признано, что этот проект внес наибольший вклад в развитие Верхнего полуострова.
Макинакский мост построен для соединения нижнего полуострова и верхнего полуострова штата Мичиган
Переправа на пароме длиной 5 миль занимает более часа. Макинакский мост позволил сократить время переправы всего до десяти минут. Но, что более важно, Макинакский мост позволил сэкономить время, потерянное на ожидание в очереди на паром. Летом это время ожидания в очереди могло составлять около трех-четырех часов. В праздничные дни и во время сезона охоты на оленей автомобилям приходилось стоять в очереди до 14-17 часов. Очереди из ожидающих машин тянулись вдоль шоссе на расстояние до 20 миль от парома.
2. Хронология строительства Макинакского моста
В 1920 году комиссар по дорогам штата Мичиган предложил построить подводный плавучий туннель для пересечения пролива Макинак.
В 1928 году департамент автомобильных дорог штата рекомендовал построить мост, но наступившая депрессия приостановила проект.
В 1934 году законодательным собранием штата был создан орган по строительству мостов. Управление привлекло трех консультантов, которые представили различные планы в 1934, 1935 и 1940 годах. Однако продолжающаяся Вторая мировая война положила конец всем планам.
В 1950 году законодательным собранием штата Мичиган было создано нынешнее Управление Макинакского моста.
В 1951 году Совет консультантов, состоящий из трех человек, сообщил, что строительство моста вполне осуществимо.
В январе 1953 года Управление выбрало Глена Б. Вудраффа в качестве инженера-проектировщика. В течение двух месяцев были готовы предварительные контрактные планы и сметы объемов работ, проведены переговоры и заключены контракты на строительство подконструкций и надстроек для скорейшего начала строительства.
Из-за задержки, вызванной завершением финансирования проекта, только весной 1954 года подрядчики приступили к заказу материалов и мобилизации оборудования. В течение следующих нескольких месяцев плавучая строительная техника стоимостью $5 000 000 была собрана и установлена на месте вдоль линии моста для выполнения контракта на строительство подконструкции. Это было самое большое и лучшее плавучее оборудование, когда-либо собранное для строительного контракта.
Строительство Макинакского моста
10 июля были начаты работы по выемке грунта для подводного фундамента. Более 750 человек были заняты на стройке, работая от 20 до 24 часов в сутки, поскольку зимние ледовые условия в проливе ограничивают обычный рабочий сезон всего восемью месяцами.
3. Геологические факторы, влияющие на проектирование и строительство
Геологические факторы, влияющие на проектирование строительства, включали (1) воздействие ветра и течений на опоры, башни и несущие тросы (2) воздействие давления льда и ледяных толчков (3) толщину и характер неконсолидированных ледниковых отложений на дне пролива (4) геологическую структуру коренных пород, в которых будут установлены фундаменты.
3.1 Приливы и течения
Средний объем воды, протекающей через проливы, невелик, и возникающие при этом течения незначительны. Максимальные течения возникают либо в результате сейш (гравитационно-волновых колебаний поверхности озера, вызванных резонансной связью с быстро движущейся линией скачка атмосферного давления), либо в результате длительной высокой скорости ветра в определенном направлении.
Краткие наблюдения в 1939 году показали, что максимальная скорость течения воды, движущейся через проливы, составляет 1,9 мили в час. Считалось, что можно обоснованно ожидать абсолютную максимальную скорость 4 мили в час, за исключением случайных сейшенов.
Макинакский мост под воздействием приливов и течений
3.2 Ветер
Наибольшая устойчивая скорость ветра, зарегистрированная до начала строительства, составляла 78 миль в час. Испытания в аэродинамической трубе секционной масштабной модели моста показали, что при устойчивой скорости ветра 100 миль в час и при нулевом угле атаки сила ветра или сила сопротивления составит 670 фунтов на линейный фут моста, а вертикальная подъемная сила – 50 фунтов на квадратный фут моста.
Поэтому мост был спроектирован с коэффициентом безопасности, равным 960 фунтам на линейный фут моста, что соответствует устойчивой скорости ветра 120 миль в час.
Макинакский мост под воздействием ветровой нагрузки
3.3 Лед
Средняя максимальная толщина льда в проливе составляет около 18 дюймов, а максимальная зарегистрированная толщина льда в глубокой воде – 30 дюймов. Массивные льдины, вбитые в пролив со стороны озера Гурон ветряными сваями на высоту 50 футов и более.
Поэтому фундаменты были спроектированы для восприятия вертикальных мертвых и живых (принятых за 2 000 фунтов на линейный фут) нагрузок при давлении на опору 15 тонн на квадратный фут, что считается очень консервативным для данной породы, исходя из результатов нагрузочных испытаний.
Надстройка была рассчитана на давление ветра в 50 фунтов на квадратный фут, а при проектировании пирса было принято очень жесткое предположение о толщине льда в 4 фута с прочностью на раздавливание в 400 фунтов на квадратный дюйм. Тем не менее, чистое давление на опоры возросло до 25 тонн на квадратный фут, что было консервативным значением.
Макинакский мост, подвергшийся давлению льда
3.4 Геологическая структура
Макинакский пролив находится рядом с северным краем Мичиганского бассейна. Пласты горных пород простираются на восток почти параллельно оси проливов и наклоняются на юг к центру структурного бассейна. Скорость падения пластов увеличивается с глубиной стратиграфии, но считается, что в целом среднее падение составляет 50-65 футов на милю.
Южное погружение пласта Сент-Игнас было рассчитано как 52 фута на милю, а пласта Буа-Блан – как 55 футов на милю. Эти региональные наклоны несколько больше, чем средние для Мичиганского бассейна, и, вероятно, являются результатом большего оседания в центре, чем по краям бассейна в силурийское и девонское время.
Горные породы, задействованные в строительстве моста, включали верхний и нижний силурийский, нижний и средний девонский сланцы, известняк, доломитизированный известняк, доломит, черты и тонкие эвапориты.
4. Детали фундамента Макинакского моста
Из-за необычной брекчированной формации инженеры сомневались, что порода, лежащая под проливом, не выдержит веса моста. Исчерпывающие геологические исследования, лабораторные испытания на сжатие и натурные испытания на нагрузку скальной породы под водой в этом месте установили, что скальная порода под проливом может безопасно выдерживать нагрузку более 60 тонн на квадратный фут. Эта способность в четыре раза превышала результирующую, обусловленную максимально возможной нагрузкой, приложенной к конструкции.
Максимальная нагрузка включала комбинацию мертвой нагрузки, живой нагрузки, ветровой нагрузки и ледовой нагрузки. Однако открытый кессонный фундамент был рассчитан на нагрузку 15 тонн на квадратный фут. Таким образом, камни смогли обеспечить безопасность намного выше, чем предполагали инженеры.
Максимальное давление льда, когда-либо полученное на месторождении Straits, составило около 21 000 фунтов на линейный фут ширины пирса. Кроме того, наибольшее давление льда, полученное в лаборатории в контролируемых условиях для теоретически максимального давления, составило 23 000 фунтов на линейный фут. Однако Макинакский мост был рассчитан на давление в пять раз большее, чем теоретически предполагаемое. Опоры были рассчитаны на гипотетическое, невозможное давление льда в 115 000 фунтов на линейный фут.
Фундамент Макинакского моста
Согласно действующим нормам, безопасное давление на фундамент достигается путем деления максимально возможного давления льда на коэффициент 2,5. Однако при проектировании Макинакского моста этот коэффициент был принят равным 4. Таким образом, общий коэффициент безопасности опор от давления льда составил 20, что очень безопасно. Именно поэтому Макинакский мост называют самым безопасным мостом в США.
Для дополнительной защиты от возможного повреждения льдом бетон опор был защищен стальными шпунтовыми сваями, стальными кессонами и бронеплитами.
Массивность фундаментов и их устойчивость к самым сильным ветровым нагрузкам, давлению льда или любым другим мыслимым нагрузкам и силам представлены на следующих рисунках:
Два основных троса Макинакского моста оказывали растягивающее усилие в 30 килотонн на анкерный блок моста. Однако вес бетона в анкерном блоке составлял более 170 килотонн, что обеспечивало коэффициент безопасности 5,5.
5. Аэродинамическая устойчивость надстройки Макинакского моста
Благодаря научному проектированию с использованием новых знаний в области аэродинамики подвесных мостов, Макинакский мост стал самым устойчивым в аэродинамическом отношении подвесным мостом из когда-либо созданных.
Главный пролет Макинакского моста является висячим мостом, который по своей сути является самым безопасным из всех возможных типов мостов. Глубина ферм жесткости составляет 38 футов, или 1/100 длины пролета. Это соотношение на 68 процентов больше, чем у моста “Золотые ворота”. Даже без такого большого коэффициента глубины пролет подвесного моста Макинак имел бы более чем достаточную аэродинамическую устойчивость.
Этот результат был достигнут не путем траты миллионов долларов на создание конструкции (по весу и жесткости), способной противостоять воздействию, а путем научного проектирования поперечного сечения для устранения причины аэродинамической неустойчивости. Вертикальные и торсионные аэродинамические силы, склонные к возникновению колебаний, устранены.
Тросы, поддерживающие главную башню Макинакского моста
Важной особенностью, способствующей высокой степени аэродинамической устойчивости, было обеспечение широкого открытого пространства между фермами жесткости и внешними краями проезжей части. Фермы расположены на расстоянии 68 футов друг от друга, а ширина проезжей части составляет всего 48 футов, что оставляет открытые пространства шириной 10 футов с каждой стороны по всей длине подвесного моста.
Для дальнейшего улучшения аэродинамической устойчивости в середине проезжей части был предусмотрен эквивалент широкого продольного проема. Две внешние полосы движения, каждая шириной 12 футов, были выполнены сплошными, а две внутренние полосы движения и центральный молл (ширина 24 фута) были выполнены в виде открытой решетчатой конструкции.
В дополнение к конструктивным особенностям, выход стали обеспечил аэродинамическую устойчивость, так как максимальная устойчивость на кручение была обеспечена за счет двух систем боковых креплений, в плоскостях верхней и нижней хорд, соответственно.
Система боковой фиксации
Никакие изменения в конструкции не были признаны необходимыми или желательными. Испытания в аэродинамической трубе убедительно показали, что конструкция Макинакского моста обладает:
Часто задаваемые вопросы
Какова общая длина и высота Макинакского моста?
Общая длина Макинакского моста составляет 8 км, а высота моста – 168 м.
Каков общий вес Макинакского моста?
Общий вес Макинакского моста составляет около 1,5 млн тонн.
Когда началось строительство Макинакского моста?
Строительство Макинакского моста началось 7 мая 1954 года.
Кто был инженером-проектировщиком Макинакского моста?
Д.Б. Стейнман был инженером-проектировщиком Макинакского моста.
Какова была стоимость строительства Макинакского моста?
Строительство Макинакского моста обошлось в 100 миллионов долларов США.
В чем заключалась необходимость строительства Макинакского моста?
Макинакский мост был построен для сокращения времени в пути между верхним полуостровом и нижним полуостровом штата Мичиган. Чтобы пересечь пролив Макинак, раньше переправа на пароме занимала более 1 часа. Однако после строительства Макинакского моста время переправы сократилось до 10 минут.
Какой тип фундамента использовался при строительстве Макинакского моста?
Для строительства опор Макинакского моста использовался фундамент из открытых колодцев.
Мост “Золотые ворота”: Строительство одного из самых длинных подвесных мостов в мире
Мост Хаурах: Строительство самого длинного консольного моста в Индии
Мост Ченаб: Строительство самого высокого в мире железнодорожного моста
Читайте далее:- Тауэрский мост: Особенности конструкции всемирно известного символа Лондона.
- Обрушение моста Такома-Нарроуз: конкретный пример.
- Типы мостов по пролетам, материалам, конструкциям, функциям, полезности и т.д..
- Катастрофа моста Пойнт Плезант: Обрушение подвесного моста с цепью для глаз.
- Мост Хаурах: Строительство самого длинного консольного моста в Индии.
- ДЕСЯТЬ САМЫХ УДИВИТЕЛЬНЫХ МОСТОВ.
- Мост Ченаб: Строительство самого высокого в мире железнодорожного моста.