Баллонная фланцевая балка
Баллонная фланцевая балка представляет собой форму вертикальной двутавровой из кованого железа пластинчатой балки , в которой верхняя полка вместо простой плоской пластины расширена в полую трубку. Когда балка подвергается положительному изгибающему моменту, верхняя полка действует на сжатие, что делает полку с плоской пластиной более восприимчивой к локальному короблению, чем полка баллона.
Этот тип балки использовался редко, его единственным распространенным пользователем был Изамбард Кингдом Брюнель в 1840-х и 1850-х годах.
Дизайн
[ редактировать ]Брюнель работал в период усиленного теоретического и математического анализа мостов и механических конструкций. Вместе с работами Уильяма Фэйрберна , особенно в отношении Стивенсона , трубчатых мостов таких как Конви , произошло более глубокое понимание того, как балки при сжатии выходят из строя из- за коробления .
Брюнель был известен своим недоверием к чугуну как к материалу, по крайней мере, для больших балок. [1] [2] [я] Это недоверие к чугуну было оправдано, когда авантюрный чугунный мост Ди его друга Стивенсона (1846 г.) рухнул в 1847 году. Брюнель дал показания в свою поддержку в следующем расследовании, но это было на том основании, что Стивенсон был компетентным инженером в пределах установленных границ. современных знаний, а не в поддержку больших чугунных балок. [1] В мосту Ди Стивенсона использовалась ферменная балка, в которой чугунная балка перевернутой Т-образной формы была скреплена натяжными стержнями из кованого железа. Эта ошибочная конструкция сыграла важную роль в разрушении моста, когда напряжение в ферменных стержнях увеличило сжатие в верхней части балки, что привело к разрушению колонны . Несмотря на это, хотя и с учетом прошлого, Брюнель использовал аналогичные натяжные цепи для своей фермы . конструкции [4]
Примерно в 1840-х годах разработка пудлинговой печи снизила стоимость кованого железа , а усовершенствования прокатных станов позволили производить большие плоские секции. Это железо теперь было экономичным для изготовления балок, собиравшихся путем клепки плоских секций. [5]
Разработка
[ редактировать ]Брюнель уже экспериментировал с простыми чугунными балками с выпуклыми головками для относительно короткого 35-футового пролета моста через канал Бишопс-Бридж в Паддингтоне . У них был натянутый нижний фланец Т-образного сечения и круглая выпуклость большего размера на верхнем крае. [ii] в сжатии. [7] [8] По своей привычке Брюнель провел гидравлические испытания образцов этих балок на прочность в 1838 году и записал результаты в одну из своих книг «Факты». [6]
Экспериментальная балка
[ редактировать ]Чтобы разработать надежную ферменную ферму для мостов с большими пролетами, Брюнель провел замечательный эксперимент с полноразмерной балкой. [9] При этом использовалась одна пластинчатая балка из кованого железа длиной 70 футов, которая была нагружена до точки обрушения, сначала нагрузкой 165 тонн, а затем, после ремонта, до 188 тонн. [10] [iii] Брюнель знал, что вероятный механизм разрушения этой балки заключался в выпучивании верхнего фланца, который находился бы под действием сжимающих сил. Чтобы противостоять этому, фланец поддерживался треугольными пластинами, а также был слегка изогнут. [iv] Эксперимент имел большой успех: мост в конечном итоге вышел из строя при значительной нагрузке, что свидетельствует об эффективном использовании строительных материалов для моста такой мощности по сравнению с предыдущими проектами. [12]
• Экспериментальная балка ( железнодорожный мост Чепстоу был аналогичен)
• Железная дорога Южного Уэльса
• Восточно-Бенгальская железная дорога
• Камберлендского бассейна Мосты
• Виндзорский железнодорожный мост.
Все балки имеют одинаковый масштаб, за исключением фермы Windsor, размер которой составляет половину размера.
Железная дорога Южного Уэльса
[ редактировать ]Брюнель рано и широко использовал эту балку на своей железной дороге Южного Уэльса . Его использовали для пролетов до 100 футов, железные ферменные мосты далее использовались .
Усовершенствования в прокатке листов позволили изменить форму балки. Вместо просто слегка изогнутой верхней пластины с треугольными косынками теперь можно было свернуть полукруглую пластину. Это позволило использовать полностью развитую форму «воздушного шара», как показано на втором изображении поперечного сечения. [10] Верхняя стенка балки имела полукруглую форму и приклепана к центральной пластине L-образной полосой. Боковые косынки, также изогнутые, были приклепаны параллельно краям этой верхней пластины, а не через другую L-образную полосу, как использовалось изначально. Брюнель (вероятно, правильно) считал гладкий профиль воздушного шара более эффективной конструкцией, на которую повлиял его геометрический подход к проектированию, а не математический анализ Итона. С практической точки зрения, параллельное соединение внахлест вдвое сократило количество необходимых клепок по сравнению с L-образной полосой.
Известно, что ни один из этих мостов не сохранился в форме воздушного шара, хотя балка от одного из них позже была повторно использована для работ по расширению моста (1861 г.) через дорогу Койти возле Бридженда и сохранилась там. [13] Мост на Коити-Роуд был построен до этой даты, но был расширен для размещения новой железной дороги долины Ллинви . Одна сторона моста была перенесена наружу, чтобы разместить новый запасной путь и установить на этой стороне баллонную балку. Считается, что эта балка (тем более, что она была установлена после смерти Брюнеля) ранее использовалась где-то на SWR . [13] хотя его первоначальная дата и место неизвестны.
Подобные балки использовались, чтобы пересечь Северн в Овере . [10] [14]
Восточно-Бенгальская железная дорога
[ редактировать ]Следующая разработка сохранила полукруглый верхний фланец, но от боковых косынок теперь вообще отказались, поскольку считалось, что глубина фланца, даже если он не поддерживается другой пластиной, будет достаточно жесткой. Это также позволило улучшить доступ внутрь для покраски. Поперек фланца были размещены прерывистые поперечные диафрагмы, чтобы сохранять его положение относительно основной стенки и избегать искажений из-за раскачивания в сторону. [10]
Форма балки широко использовалась в работах Брюнеля для Восточно-Бенгальской железной дороги . [10]
Мосты бассейна Камберленд
[ редактировать ]
Когда Брюнель перестраивал входные шлюзы Камберлендского бассейна в Бристольской гавани между 1848 и 1849 годами, он также построил « поворотный мост » — первый движущийся мост Брюнеля. [10] Он имел конструкцию с центральным шарниром, но был крайне асимметричным: внешняя сторона была почти в три раза длиннее, чем обращенная к суше, и уравновешивалась большим чугунным противовесом . [10]
Поскольку мост предназначался для легкой дороги и не должен был выдерживать вес железной дороги или поезда, его балки имели легкую конструкцию, что упрощало изготовление. Была использована верхняя полка с полным баллоном, похожая по форме на железнодорожные мосты Южного Уэльса, но полка располагалась над основной стенкой балки, и стенка не охватывала полку и не доходила до верха. Эта упрощенная конструкция позволяет избежать Т-образного соединения, необходимых L-образных полос и, следовательно, нескольких рядов клепок. [10]
Нижний фланец имел совершенно новую форму — треугольное в сечении, хотя и с вогнутыми сторонами. И снова основная стенка не охватывала полку. Все три соединения теперь представляли собой простые соединения внахлест с однорядной клепкой. [10]
Как и многие ранние мосты Брюнеля, участие Брюнеля в их строительстве было в значительной степени забыто и зафиксировано только в малоизвестных работах. [15] В какой-то момент они находились под серьезной угрозой сноса, пока их историческое значение не было вновь признано. В 2014 году была подана апелляция на восстановление моста на сумму 1 миллион фунтов стерлингов. [16] [17]
Очень похожий поворотный мост был построен несколько лет спустя как мост-Док в Кронштадте , Россия. [18]
Виндзорский железнодорожный мост
[ редактировать ]
Виндзорский железнодорожный мост (1849 г.) представляет собой арочный или тетивобалочный мост. [19] Пролет состоит из двух балок, образующих ферму. Верхняя балка представляет собой арку и несет на себе вес моста. [20] Нижняя балка подвешивается к нему с помощью вертикальных стержней и не обязана выдерживать собственный вес. Основная функция нижней балки – выполнять роль связи; это противодействует боковым силам арки, избегая обычных боковых сил арки на ее фундамент. Поскольку это железнодорожный мост, где подвесные мосты создают проблемы из-за раскачивания их пролета, эта балка также выполняет функцию жесткости.
Брюнель использовал форму своей баллонной фланцевой балки для обеих балок. Верхняя арочная балка имеет треугольную форму, характерную для раннего эксперимента, с плоской верхней пластиной и вообще без вертикальной перемычки под фланцевой коробкой. В нижней балке используется «открытая» форма полки, слегка изогнутая и без косынок. Поскольку нижняя балка не несет своего веса, на нее не действуют обычные силы продольного изгиба.
Железнодорожный мост Чепстоу
[ редактировать ]Железнодорожный мост Чепстоу (1852 г.) представлял собой сложный мост, в котором впервые была использована конструкция ферм Брюнеля для создания подвесного моста с широким непрерывным пролетом на высоком уровне над судоходным каналом. Однако западный берег ущелья был мелким и илистым, поэтому половину общего пролета моста составляли три 100-футовых пролета балочного моста, опирающегося на чугунные цилиндрические опоры. Эти балки ( илл .) по форме и размеру очень напоминали исходную экспериментальную балку. [21]
Балки, обращенные к суше, были заменены в 1948 году, а главная ферма с балками под ней - в 1962 году. [22] Части балок сохранились и сегодня.
Крати Бридж
[ редактировать ]
Мост Крэти (1854–1857 гг.) представляет собой однопролетный мост длиной 125 футов через реку Ди , ведущий к королевскому поместью Балморал . [23] [24] [25] [26] Мост сначала был нарисован в форме фермы Брюнеля, перекликающейся с его Королевским мостом Альберта в Салташе . [27] Однако в построенном мосте использовалась С-образная открытая форма верхнего фланца, как на Восточно-Бенгальской железной дороге . Поскольку мост предназначался только для легкого дорожного движения, можно было также заменить сплошное полотно балки над уровнем проезжей части ажурной решеткой, что сделало вид с моста визуально более привлекательным для его прославленного жителя. Несмотря на это, Ее Величество мост «не позабавил». [23] [24]
Разрабатывает «Рыбный мост»
[ редактировать ]Линия 1857 года через Девайзес в Уилтшире вниз по Кан-Хиллу была проведена по дороге с помощью необычной конструкции воздушного фланца, сочетающей его с чечевицеобразной пластинчатой балкой . [28] [29] Эта двояковыпуклая форма рыбьего брюшка дала ему популярное название «Рыбный мост». По работе над конструкцией фермы Брюнель уже был знаком с преимуществами линзовидной формы.
Оригинальный Рыбный мост был заменен в 1901 году фермой с тетивой . [30] Название оставалось широко используемым даже после того, как железная дорога была удалена во время Бичинг-Топора .
Сохранившиеся примеры
[ редактировать ]
- Over Junction Bridge, железнодорожный мост через Северн в Овер . (1848) [14]
- Бассейн Камберленд , Бристольская гавань (1849 г.) [31] [32] Один фиксированный пролет недавно был восстановлен для использования в качестве пешеходного моста.
- Виндзорский железнодорожный мост (1849 г.)
- Железнодорожный мост Чепстоу (1852 г.) [22] Секции балок сохранились в Брунеля Университете в Аксбридже . [33]
- Мост Крати (1854–1857) в королевское поместье Балморал . [24]
- Мост Коити-Роуд, Бридженд (1861 г.) [13]
- Студли-Бридж, Девон. Полукруглая верхняя полка с открытым нижним краем, решетчатая ферменная балка, c. 1863. [34]
- Мост на Пил-стрит, Бристоль. Полукруглая открытая снизу верхняя полка, решетчатая ферменная ферма, 1878 г. [35]
- Часть канала Бишопс-Бридж в Паддингтоне , возможно, стала первым применением Брюнелем этой техники. В 2004 году его разобрали и поставили на хранение. [36]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]
- ^ Эта точка зрения недавно была оспорена в свете большого количества чугунных мостов, спроектированных Брюнелем. [3]
- ^ Тигровый [6] описывает их как на 40% больше в поперечном сечении, хотя по линейному размеру они немного уже.
- ^ Обратите внимание, что нумерация страниц различается в издании «Жизнь Изамбарда Кингдом Брюнеля» 1870 года , воспроизведенном в Google Books, и в Кембриджском факсимильном издании, [11] и издание, посвященное двухсотлетию STEAM 2006 года. [10] стр. 193 в оригинале теперь стр. 146 в выпуске STEAM 2006 года. Здесь указаны номера страниц более доступного издания 2006 года.
- ↑ Сечение этой первой балки напоминает секцию из Чепстоу, которая сейчас хранится в Университете Брунеля. илл.
- ^ Jump up to: а б Бриндл, Стивен (2005). Брюнель: Человек, который построил мир . Вайденфельд и Николсон. стр. 164–165. ISBN 0-297-84408-3 .
- ^ Жизнь ИКБ , стр. 144–1452.
- ^ Бриндл, Стивен; Такер, Малькольм (6 сентября 2019 г.). Чугунные мосты И. К. Брюнеля . Бристольский поворотный мост И. К. Брюнеля: его место в его офисе и его мире. Бристоль: Институт инженеров-строителей.
- ^ Беккет (1984). Британия Стивенсона . Дэвид и Чарльз. стр. 120–130. ISBN 0715382691 .
- ^ Бриндл (2005) , стр. 166–167.
- ^ Jump up to: а б Бриндл, Стивен . «Паддингтонский мост Брюнеля» . Общество Paddington Waterways и Maida Vale.
- ^ Бриндл (2005) , с. 166
- ^ «В картинках: Скрытый мост Брюнеля» . Новостной канал Би-би-си . 3 марта 2004 г.
- ^ Кларк, Эдвин (1850). «Опыты по поперечной прочности кованой балки». Трубчатые мосты Британия и Конвей . Том. I. Лондон: Дэй и сын. стр. 437–441.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж Исамбард Брюнель (2006) [1870]. Жизнь Изамбарда Кингдома Брюнеля, инженера-строителя . STEAM/Неподобное издательство. стр. 146–149. ISBN 1-84588-031-5 .
- ^ Исамбард Брюнель (2011) [1870]. Жизнь Изамбарда Кингдома Брюнеля, инженера-строителя . Издательство Кембриджского университета. стр. 193–194. ISBN 978-1-108-02630-7 .
- ^ Кларк (1850) , с. 441. Устойчивость треугольной ячейки с загнутой вершиной к короблению оказалась наиболее удовлетворительной по сравнению с ячейками другой формы.
- ^ Jump up to: а б с Джонс, II (2009) , стр. 133–134.
- ^ Jump up to: а б Джонс, Стивен К. (2009). Брюнель в Южном Уэльсе . Том. II: Связь и уголь. Страуд: Историческая пресса. п. 56. ИСБН 9780752449128 .
- ^ Бьюкенен, Ангус; Уильямс, Майкл (1982). Бристоль Брюнеля . Редклифф Пресс. п. 31. ISBN 0905459393 .
- ^ «Другой мост Брюнеля в Бристоле может быть отремонтирован после подачи апелляции на 1 миллион фунтов стерлингов» . Новости BBC онлайн . 10 октября 2014 г.
- ^ «Другой мост Брюнеля» .
- ^ Гринфилд, Дэвид; и др. (Евгений Кобчиков) (6 сентября 2019). Поворотный мост Брюнеля: его наследие, часть 2 – Кронштадтский мост . Бристольский поворотный мост И. К. Брюнеля: его место в его офисе и его мире. Бристоль: Институт инженеров-строителей .
- ^ Хамбер, Уильям (1870). Полный трактат о строительстве мостов из чугуна и кованого железа . Том. Я. Лондон: Lockwood & Co., стр. 245–246.
- ^ Жизнь ИКБ , с. 150
- ^ Жизнь ИКБ , с. 151–155
- ^ Jump up to: а б Джонс, II (2009) , стр. 93, рисунок 12, 128–129, 246–247.
- ^ Jump up to: а б Бриндл (2005) , с. 171
- ^ Jump up to: а б с «Роял Дисайд: Мост Брюнеля в Крэти» . Ройал Дисайд. Архивировано из оригинала 5 мая 2017 года.
- ^ «Крати, Балочный мост» . Места Шотландии.
- ^ «Балморалский мост» . Инженерные сроки. Архивировано из оригинала 4 марта 2016 года.
- ^ «Эскизы моста через Балморал работы Брюнеля выставлены» . 30 марта 2006 г.
- ^ «CH66: Рыбный мост — ветка Девизес» . Геокешинг .
- ^ Хайд, Дэвид; Приддл, Род (1996). GWR для Devizes . Книги Милстрима. стр. 74–75. ISBN 0948975431 .
- ^ «Девизес и железная дорога» . Придумывает наследие . Архивировано из оригинала 3 мая 2014 года.
- ^ Малпасс, Питер; Кинг, Энди (2009). Плавучая гавань Бристоля . Бристоль: Редклифф Пресс. стр. 52, 54–55. ISBN 978-1-906593-28-5 .
- ^ «Разводной мост Брюнеля» . Инженерные сроки.
- ^ Джонс, II (2009) , с. рисунок 12, 128–129
- ^ «Мост Студли» . Руководство Грейс .
- ^ «Мост на Пил-стрит» . Руководство Грейс .
- ^ Бриндл, Стивен (2 мая 2012 г.). «Потерянный мост Брюнеля: повторное открытие и спасение моста через канал Бишопс-Роуд, Паддингтон» (PDF) . Архитектурный факультет Кембриджского университета . Проверено 16 июля 2021 г.