Баллонная балка с фланцем

Баллонная балка представляет собой форму вертикальной двутавровой балки из кованого железа , где верхний пояс, вместо того, чтобы быть простой плоской пластиной, расширяется в полую трубу. Когда балка подвергается положительному изгибающему моменту, верхний пояс действует на сжатие, делая плоский пояс более восприимчивым к локальному выпучиванию, чем поясной пояс.

Этот тип балок использовался редко, его единственным постоянным пользователем был Изамбард Кингдом Брюнель в 1840-х и 1850-х годах.

Брюнель работал в период возросшего теоретического и математического анализа мостов и механических конструкций. Вместе с работой Уильяма Фейрберна , особенно в отношении трубчатых мостов Стефенсона , таких как Конви , возросло понимание того, как балки при сжатии могут выйти из строя из-за потери устойчивости .

Брюнель был известен своим недоверием к чугуну как материалу, по крайней мере для больших балок. ^{[1] [2] [i]} Это недоверие к чугуну было оправдано, когда авантюрный чугунный мост Ди его друга Стефенсона (1846) рухнул в 1847 году. Брюнель дал показания в свою поддержку на последующем расследовании, но это было основано на том, что Стивенсон был компетентным инженером в рамках современных знаний, а не в поддержку больших чугунных балок. ^[1] Мост Ди Стивенсона использовал ферменную балку, где перевернутая Т-образная чугунная балка была скреплена наложенными коваными железными натяжными стержнями. Эта ошибочная конструкция сыграла решающую роль в разрушении моста, где натяжение в стержнях фермы увеличило сжатие в верхней части балки, так что она подверглась колонному разрушению . Несмотря на это, хотя и имея преимущество ретроспективного взгляда, Брюнель использовал бы аналогичные натяжные цепи для своей конструкции фермы . ^[4]

Около 1840-х годов развитие пудлинговой печи снизило стоимость кованого железа , а усовершенствования прокатных станов позволили производить большие плоские секции. Это железо теперь было экономичным для строительства балок, собранных путем клепки плоских секций. ^[5]

Брюнель уже экспериментировал с простыми балками с луковичными головками из чугуна для относительно короткого 35-футового пролета моста через канал Бишопс-Бридж в Паддингтоне . Они имели нижний фланец в виде Т-образного сечения, работающий на растяжение, и большую круглую луковицу на верхнем крае, ^[ii] работающую на сжатие. ^{[7] [8]} По своей привычке Брюнель провел гидравлические испытания образцов этих балок на прочность в 1838 году и записал результаты в одной из своих книг «Факты». ^[6]

Чтобы разработать надежную ферменную балку для мостов с большими пролетами, Брюнель провел замечательный эксперимент с балкой полного размера. ^[9] В нем использовалась одна балка из кованого железа длиной 70 футов, которая была нагружена до точки обрушения, сначала грузом в 165 тонн, а затем, после ремонта, до 188 тонн. ^{[10] [iii]} Брюнель знал, что вероятным механизмом разрушения этой балки было выпучивание верхнего фланца, который будет находиться под действием сил сжатия . Чтобы противостоять этому, фланец поддерживался треугольными пластинами, а также фланец был слегка изогнут. ^[iv] Эксперимент имел большой успех, мост в конечном итоге рухнул при значительной нагрузке, что представляет собой эффективное использование строительных материалов для моста такой мощности по сравнению с предыдущими конструкциями. ^[12]

Брюнель первым и широко использовал эту балку на своей Южно-Уэльской железной дороге . Она использовалась для пролетов до 100 футов, а железные ферменные мосты использовались и дальше.

Улучшения в прокатке листов позволили изменить форму балки. Вместо просто слегка изогнутой верхней пластины с треугольными косынками теперь можно было прокатать полукруглую пластину. Это позволило использовать полностью развернутую форму «баллона», как показано на втором поперечном сечении. ^[10] Верхняя стенка балки была полукруглой и приклепана к центральной пластине с помощью L-образной полосы. 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 баллона более эффективной конструкцией, на которую повлияли его геометрические подходы к проектированию, а не математический анализ Итона. Более практично, параллельное соединение внахлестку вдвое сократило количество необходимых клепок по сравнению с L-образной полосой.

Ни один из этих мостов не сохранился в своей форме баллона, хотя балка одного из них была позже повторно использована для работ по расширению моста (1861) через дорогу Койти около Бридженда и сохранилась там. ^[13] Мост Койти-роуд был построен до этой даты, но был расширен для размещения новой железной дороги долины Ллинви . Одна сторона моста была перемещена наружу, чтобы разместить новый сайдинг и балку баллона, установленную на этой стороне. Эта балка (особенно потому, что она была установлена ​​после смерти Брунеля), как полагают, ранее использовалась в другом месте на Юго-Западной железной дороге , ^[13] хотя ее первоначальная дата и местонахождение неизвестны.

Похожие балки использовались для пересечения реки Северн в Овере . ^{[10] [14]}

Следующая разработка сохранила полукруглый верхний фланец, но боковые косынки теперь были полностью отменены, поскольку считалось, что глубина фланца, даже если не поддерживается другой пластиной, будет достаточно жесткой. Это также обеспечивало лучший доступ к внутренней части для покраски. Прерывистые поперечные диафрагмы были размещены поперек фланца, чтобы сохранить его положение относительно основной стенки и избежать искажения из-за качания вбок. ^[10]

Форма балки широко использовалась в работах Брюнеля для Восточно-Бенгальской железной дороги . ^[10]

Когда Брюнель перестраивал входные шлюзы Камберлендского бассейна в Бристольской гавани в 1848–1849 годах, он также построил « поворотный мост » — первый подвижный мост Брюнеля. ^[10] Он имел конструкцию с центральным шарниром, но был крайне асимметричным: внешняя сторона была почти в три раза длиннее обращенной к берегу, уравновешиваясь большим чугунным противовесом . ^[10]

Поскольку мост был предназначен для легкой дороги и не должен был выдерживать вес железной дороги или поезда, его балки имели легкую конструкцию, что упрощало производство. Использовалась верхняя полка с полным баллоном, похожая по форме на мосты Южного Уэльса, но полка располагалась над основной стенкой балки, а стенка не охватывала полку и не достигала верха. Это упростило конструкцию, поскольку избегало Т-образного соединения, необходимых L-образных полос и, следовательно, нескольких рядов заклепок. ^[10]

Нижний фланец имел совершенно новую форму, будучи треугольным в сечении, хотя и с вогнутыми сторонами. Опять же, основная стенка не охватывала фланец. Все три соединения теперь были простыми нахлесточными соединениями с однорядной заклепкой. ^[10]

Как и в случае с рядом ранних мостов Брунеля, участие Брунеля в них 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 был объявлен сбор в размере 1 миллиона фунтов стерлингов на восстановление моста. ^{[16] [17]}

Очень похожий поворотный мост был построен несколько лет спустя как Док-Бридж  [ru] в Кронштадте , Россия. ^[18]

Виндзорский железнодорожный мост (1849) — это мост с завязанной аркой или тетивой. ^[19] Пролет состоит из двух балок, которые образуют ферму. Верхняя балка представляет собой арку и несет вес моста. ^[20] Нижняя балка подвешена к ней вертикальными стержнями и не обязана выдерживать собственный вес. Основная функция нижней балки — действовать как стяжка; это противодействует боковым силам арки, избегая обычных боковых сил арки на ее фундаменте. Поскольку это железнодорожный мост, где подвесные мосты с настилом представляют собой проблему из-за качания их настила, эта балка также имеет функцию жесткости.

Брюнель использовал форму своей балки с фланцем-баллоном для обеих балок. Верхняя арочная балка использует треугольную форму раннего эксперимента с плоской верхней пластиной и без какой-либо вертикальной стенки под коробкой фланца вообще. Нижняя балка использует «открытую» форму фланца, слегка изогнутую и без косынок. Поскольку нижняя балка не несет своего веса, она не подвергается обычным силам изгиба.

Железнодорожный мост Чепстоу (1852) был сложным мостом, который впервые использовал конструкцию фермы Брунеля для создания подвесного моста с широким непрерывным пролетом на высоком уровне над судоходным каналом. Однако западный берег ущелья был мелким и грязным, поэтому половина общего пролета моста была обеспечена тремя 100-футовыми пролетами балочного моста, поддерживаемыми чугунными цилиндрическими опорами. Эти балки ( илл .) имели форму и размер, очень похожие на исходную экспериментальную балку. ^[21]

Наземные фермы были заменены в 1948 году, а главная ферма с балками под ней — в 1962 году. ^[22] Части ферм сохранились до наших дней.

Мост Крэти (1854–1857) представляет собой 125-футовый одинарный пролет через реку Ди к королевскому поместью Балморал . ^{[23] [24] [25] [26]} Мост был впервые нарисован с формой фермы Брунеля, отражающей его Королевский мост Альберта в Солтэше . ^[27] Однако мост в том виде, в котором он был построен, использовал С-образную открытую форму верхнего фланца, которая использовалась для Восточно-Бенгальской железной дороги. Поскольку мост был предназначен только для легкого дорожного движения, также можно было заменить сплошную перемычку балки над уровнем проезжей части ажурной решеткой, сделав вид с моста визуально более привлекательным для его прославленного жителя. Несмотря на это, Ее Величество была «не в восторге» от моста. ^{[23] [24]}

Линия 1857 года через Девайзес в Уилтшире вниз по Кан Хилл была перенесена через дорогу на необычной разработке фланца воздушного шара, сочетающей его с чечевицеобразной пластинчатой ​​балкой. ^{[28] [29]} Эта чечевицеобразная форма рыбьего живота дала его популярное название «Рыбный мост». Благодаря своей работе над проектом фермы Брюнель уже был знаком с преимуществами чечевицеобразной формы.

Оригинальный мост Фиш-Бридж был заменен в 1901 году на ферму с тетивой . ^[30] Название оставалось общеупотребительным даже после того, как железная дорога была демонтирована во время « Бичинг-Экс» .

• Овер-Джанкшен-Бридж, железнодорожный мост через реку Северн в Овере . (1848) ^[14]
• Бассейн Камберленд , гавань Бристоля (1849) ^{[31] [32]} Недавно один фиксированный пролет был восстановлен для использования в качестве пешеходного моста.
• Виндзорский железнодорожный мост (1849)
• Железнодорожный мост Чепстоу (1852) ^[22] Секции балок сохранились в Университете Брунеля , Аксбридж . ^[33]
• Мост Крэти (1854–1857) в королевское поместье Балморал . ^[24]
• Мост Коити-Роуд, Бридженд (1861 г.) ^[13]
• Мост Стадлех, Девон. Полукруглый открытый снизу верхний фланец, решетчатая ферменная ферма, ок. 1863 г. ^[34]
• Мост Пил-стрит, Бристоль. Полукруглый открытый снизу верхний фланец, решетчатая ферменная ферма, 1878. ^[35]
• Канальная часть моста Епископа , Паддингтон , возможно, является первым применением Брюнелем этой техники. Он был разобран и сдан на хранение в 2004 году. ^[36]

• ферма Брунеля

На Викискладе есть медиафайлы по теме « Мосты Изамбарда Кингдома Брюнеля» .