吊橋

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吊橋では、交通を運ぶデッキは、高い塔の間に掛けられた巨大なケーブルからぶら下がっている一連のワイヤーロープによって支えられています。ニューヨーク市のブルックリン橋とサンフランシスコのゴールデンゲートブリッジは、最も有名な吊り橋の2つです。 1998年に完成した日本の明石海峡大橋には、世界最長の吊り橋（サポートタワー間の距離）があり、6,529フィート（1,991 m）です。塔と海岸の間の部分を含む橋全体は、合計で約2.5マイル（4 km）になります。明石海峡大橋の建設には10年かかり、費用は36億ドルで、負傷者は6人（死亡者なし）でした。 1世紀前、スパン1,600フィート（490 m）のブルックリン橋の建設には14年かかり、27人の命が失われました。

背景

吊橋は、人間が考案した最も初期のタイプの1つです。最も原始的なバージョンは、割れ目の2つの側面を結ぶつるロープです。人はロープからぶら下がって、自分を引き寄せて、手を渡して移動します。このような原始的な橋は、660フィート（200 m）にも及ぶものもあり、インドの田舎などの地域で現在も使用されています。やや洗練されたデザインには、つるの手すりの助けを借りて、人が歩くことができる平らな面が組み込まれています。

8世紀までに、中国の橋梁建設業者は、鉄の鎖のペアの間に板を敷設することによって吊橋を建設し、基本的にケーブル上に柔軟なデッキを設置していました。同様の橋は、その後の数世紀の間に世界のさまざまな場所に建設されました。しかし、吊橋の現代は、1808年にジェームズ・フィンリーという名前のアメリカ人が橋のケーブルから剛性のあるデッキを吊るすシステムの特許を取得するまで始まりませんでした。

フィンリーは12を超える小さな橋を建設しましたが、彼の技術を取り入れた最初の主要な橋は、イギリスのメナイ海峡にトーマス・テルフォードによって建設されました。 1825年に完成し、高さ153フィート（47 m）、長さ1,710フィート（521 m）、スパン580フィート（177 m）の石造りの塔がありました。幅30フィート（9 m）の道路は、鉄のチェーンケーブルから吊り下げられた剛性のあるプラットフォーム上に構築されました。 1939年に鉄の鎖が鋼棒のリンクに置き換えられましたが、橋はまだ使用されています。

もう一人のアメリカ人、ジョン・ローブリングは、1800年代半ばに吊り橋の設計に2つの主要な改良を加えました。 1つは、剛性のあるデッキプラットフォームをトラス（斜めの梁でクロスブレースされた水平および垂直の桁の配列）で補強することでした。経験によれば、風やリズミカルな交通負荷は、十分に補強されていないデッキを振動に送り込み、制御不能になり、文字通り橋を引き裂く可能性があります。

Roeblingの他の重要な革新には、橋の支持ケーブルの建設が含まれていました。 1830年頃、フランスのエンジニアは、多くのワイヤーのより線で構成されるケーブルが、橋を吊るすためにチェーンよりもうまく機能することを示しました。 Roeblingは、手に負えないプレハブケーブルを輸送して所定の位置に配置するのではなく、ケーブルをブリッジの所定の位置に「回転」または構築する方法を開発しました。彼の方法は今でも一般的に（排他的ではありませんが）新しい橋で使用されています。

吊橋の歴史には、先見の明のあるエンジニアによって提案されたときに不可能であると広く信じられていた成功した橋の例が惜しみなく散りばめられています。一例は、ナイアグラ川峡谷を横切って1851年から1855年の間に建設された鉄道橋ローブリングでした。最初のトラス補強された吊橋は、石の塔の間に張られた直径10インチ（250 cm）のケーブル4本で支えられていました。完成から40年後、橋は設計されたものの2.5倍の交通量を運ぶことに成功しました。その時点でそれは引退し、解体されました。

鉄鋼労働者の横になっているケーブルは、新しいタコマ、ワシントン、ナローズ橋の吊り橋を表しています。 1949年10月21日。

タコマナロウズ橋は、世界で3番目に大きい吊り橋であり、1940年11月7日土曜日に崩壊したとき、わずか5か月でした。中央のスパンは2,800フィート（853.4 m）で、2つの425フィート（129.5 m）の間に伸びていました。 ）高い塔、側面のスパンはそれぞれ1,100フィート（304.8 m）の長さでした。吊り下げケーブルは塔からぶら下がっていて、川岸に向かって1,000フィート（304.8 m）戻って固定されていました。設計者のレオン・モイセイフは、世界有数の橋梁技術者の1人でした。

Moisseiffの意図は、高い塔の間を穏やかにアーチ状に曲がる非常に細いデッキスパンを作成することでした。彼の設計は、ケーブルサスペンションの原理と、車道の側面に沿って走る、わずか8フィート（2.4 m）の深さまで合理化された鋼板補強材の桁設計を組み合わせたものです。

640万ドルの橋は、その奇妙な行動を経験した人々から「ギャロッピングガーティ」と呼ばれていました。甲板を投げたり転がしたりするうねりに耐えることを余儀なくされ、労働者は船酔いを訴えた。オープニング後は、微風でもドライバーが横断するのは難しいスポーツイベントとなり、船酔いの苦情が多くなりました。

州および有料橋局のエンジニアは、幅がわずか39フィート（1 1.9 m）の細い2車線のスパンの動作に少し神経質になりました。スパンの長さ（8-2,800フィート[2.4-853.4 m]）に比べて浅い深さは、1：350の比率になり、ゴールデンゲートブリッジやジョージワシントンブリッジのほぼ3倍の柔軟性があります。エンジニアは振動を安定させるためにいくつかの方法を試しましたが、どれもうまくいきませんでした。

目撃者には、有料橋当局の議長であるケネス・アーキンとファークハーソン教授が含まれていました。アーキンは10:00までに、風速が時速38〜42マイル（61.1〜67.6 km）に上昇し、デッキが1分間に3フィート（0.9 m）上昇および下降したことを確認しました。彼とFarquharsonは交通を止めた。

新聞記者のレナード・コーツワースは、うねりのためにそれ以上運転できなくなったとき、橋の真ん中で車を捨てていた。彼は娘の愛犬が車の中にいたことを思い出して少し振り返ったが、彼の手と膝に投げ込まれた。 10時30分までに、サスペンダーロープが裂け始め、デッキを壊し、コートワースの車を水中に投げ込みました。 30分以内に、デッキの残りの部分はセクションごとに落ちました。

ねじれ橋の問題を調査しているエンジニアは、風が常に同じ角度、同じ強さで橋に当たらないことを説明することができました。たとえば、下から来る風は一方の端を持ち上げ、反対側を押し下げます。デッキはまっすぐにしようとして、ひねります。ねじれが繰り返されると振幅が大きくなり、ブリッジがさまざまな方向に振動します。風の振る舞いの研究は、空気力学と呼ばれる工学分野全体に成長しました。最終的に、風洞でモデルをテストせずに、橋、建物、またはその他の露出した構造物は設計されませんでした。グラフィック機能の開発に伴い、このテストの一部は現在コンピューターで実行されています。

1869年、ローブリングは彼が設計したブルックリン橋の場所を調査しているときに事故で亡くなりました。彼の息子であるワシントン・ローブリングは、次の14年間、有名な建造物を建てました。これは、錬鉄ではなく鋼で作られたケーブルを使用した最初の吊り橋でした（比較的柔らかいタイプの鉄で、熱いうちに機械で成形したり、ハンマーで成形したりできます）。直径16インチ（40 cm）の4本のケーブルはそれぞれ、5,000本を超える平行な鋼線で構成されています。完成してから1世紀以上が経ち、ブルックリン橋は大量の近代的な交通を運んでいます。

もう1つの画期的な吊橋は、1933年から1937年にかけて、ジョセフストラウスによって、サンフランシスコ湾の河口であるゴールデンゲートの向こう側に建設されました。ゴールデンゲートブリッジの長さは6,450フィート（1,966 m）で、主支間は4,200フィート（1,280 m）です。その2つの塔の高さは746フィート（227 m）です。これらは、合計80,000マイル（129,000 km）の鋼線を含む2本の7,125トン（650万kg）のケーブルをサポートします。厳格な安全対策にもかかわらず、11人の労働者が死亡した。 19は、建設中にデッキの下にぶら下がっているセーフティネットによって救われました。これは、後の橋梁プロジェクトで標準となった革新です。

アメリカで最も有名な橋の故障の1つは、1940年にワシントン州のピュージェット湾にあるタコマナローズ橋が崩壊したことです。その後、世界で3番目に長い吊橋であり、非常に滑らかになるように設計されていました。 2つの車線と歩道に十分な幅しかなく、スパンの長さは2,800フィート（853 m）でした。デッキはトラスで補強されるのではなく、高さがわずか8フィート（2.4 m）の2つの鋼桁で補強され、いくつかのクロスブレースがそれらを接続していました。この設計は、トラスよりも剛性が低いだけでなく、風が開いたトラス配置を無害に通過するのではなく、構造に強い力を加えることを可能にしました。橋が完成してから4か月後、橋は42 mph（68 km / h）の風によって振動が増加するパターンに設定され、それ自体が引き裂かれました。 10年後に建設された交換用の橋は、厚さ33フィート（10 m）の鋼トラスで補強されたデッキで設計されました。

原材料

吊橋の部品の多くは鋼でできています。デッキを剛性にするために使用される桁は一例です。鋼は、ケーブルが吊橋の塔の上に載っているサドルまたはオープンチャネルにも使用されます。

鋼がワイヤーに引き込まれる（伸ばされる）と、その強度が増します。その結果、鋼線の比較的柔軟な束は、同じ直径の固体鋼棒よりも強力です。これが、吊り橋を支えるためにスチールケーブルが使用される理由です。明石海峡大橋では、シリコンで強化された新しい低合金鋼が開発されました。その引張強さ（引っ張り力に対する抵抗）は、以前のどの鋼線配合よりも12％大きくなっています。一部の吊り橋では、ケーブルを形成する鋼線が亜鉛メッキされています（亜鉛でコーティングされています）。

ほとんどの吊橋の塔は鋼でできていますが、いくつかは鉄筋コンクリートで作られています。

デザイン

各吊り橋は、多くの要因を考慮して個別に設計する必要があります。たとえば、サイトの地質はタワーとケーブルアンカーの基盤を提供し、地震の影響を受けやすい可能性があります。橋渡しされる水の深さと性質（たとえば、淡水または塩水、および流れの強さ）は、物理的な設計と鋼の保護コーティングなどの材料の選択の両方に影響を与える可能性があります。航行可能な海域では、タワーの基部に人工島を構築することにより、船の衝突の可能性からタワーを保護する必要がある場合があります。

タコマナロウズ橋の災害以来、ゴールデンゲートブリッジの設計と同様に、すべての新しい橋の設計は、風洞に縮尺モデルを配置することによってテストされてきました。たとえば、明石海峡大橋では、橋梁断面の1/100スケールモデルを試験するために、世界最大の風洞が建設されました。

非常に長い橋では、タワーを設計するときに地球の曲率を考慮する必要がある場合があります。たとえば、ニューヨークのヴェラザノナロウズ橋では、高さ700フィート（215 m）、高さ4,260フィート（298 m）の塔は、上部で約1.75インチ（4.5 cm）離れています。ボトム。

製造
プロセス

吊橋の建設には、3つの連続した建設が含まれます 水中に立つタワー構造は、ケーソン（円形ダムとして機能する鋼とコンクリートのシリンダー）で始まります。それらは水面下の地面に降ろされ、水が空になり、実際の塔の準備のためにコンクリートで満たされます。主要なコンポーネント：タワーとケーブルアンカー、サポートケーブル自体、およびデッキ構造。

タワーの建設

• 1タワーの基礎は、十分に固い岩層まで掘り下げることによって準備されます。一部の橋は、塔が乾燥した土地に建設されるように設計されているため、建設が容易になります。塔が水中に立つ場合、その建設は、ケーソン（円形のくそとして機能する鋼とコンクリートのシリンダー）を水面下の地面に降ろすことから始まります。ケーソンの内部から水を取り除くことで、労働者は実際に水中で作業しなくても基礎を掘削することができます。発掘が完了すると、コンクリートの塔の基礎が形成され、注がれます。
• 2構造の詳細は、それぞれの固有の橋によって異なります。例として、明石海峡大橋を考えてみましょう。その2つの鉄塔はそれぞれ2つの柱で構成されています。各列は30の垂直ブロック（またはレイヤー）で構成され、各ブロックは33フィート（10 m）です。 アンカー（橋のケーブルを支える構造物）は、強力な岩層にしっかりと取り付けられた巨大なコンクリートブロックです。タワーとアンカーが完成したら、タワーを横切る一方のアンカーからもう一方のアンカーまで、ケーブルの最終的な経路に沿ってパイロットラインを張る必要があります。高い;これらの各ブロックは、3つの水平セクションで構成されています。柱の間に配置されたクレーンが各柱の3つのセクションを所定の位置に持ち上げ、層を完成させました。各列のブロックを完了した後、「ブートストラップ」クレーンを次のレベルにジャッキアップし、次の層のセクションを所定の位置に持ち上げました。適切な間隔で、柱の間に斜めのブレースが追加されました。

アンカレッジ建設

• 3アンカーは、橋のケーブルの端が固定される構造物です。それらは、強い岩層にしっかりと取り付けられた巨大なコンクリートブロックです。アンカーの建設中、強力なアイバー（一端に円形の穴がある鋼棒）がコンクリートに埋め込まれます。アンカーの前にスプレーサドルが取り付けられています。スプレーサドルは、個々のワイヤーバンドル（手順5を参照）がファンアウトするポイントでケーブルをサポートします。各ワイヤーバンドルは、アンカーのアイバーの1つに固定されます。

ケーブル構造

• 4タワーとアンカーが完成したら、タワーを横切る一方のアンカーからもう一方のアンカーまで、ケーブルの最終的な経路に沿ってパイロットラインを張る必要があります。パイロットラインの配置には、さまざまな方法を使用できます。たとえば、ニアグラ川の橋の場合、ローブリングは、峡谷を横切って接続するためにパイロットラインが取り付けられた凧を飛ばすことができた最初の若者に10ドルの報酬を提供しました。今日、ヘリコプターが使われるかもしれません。または、ラインがボートで広がりを横切って、所定の位置に持ち上げられる場合があります。パイロットラインが設置されると、橋の全長にわたってパイロットラインの約3フィート（1 m）下にキャットウォークが建設されるため、作業員はケーブルの形成に注意を払うことができます。
• 5ケーブルの回転を開始するには、大きなスプールのワイヤーをアンカーに配置します。ワイヤーの自由端は、ストランドシュー（アイバーに固定されたスチールチャネル）の周りにループされています。スプールとストランドシューの間で、ワイヤーはパイロットラインに取り付けられたスピニングホイールの周りに巻き付けられます。この車輪は橋の経路を横切ってワイヤーを運び、ワイヤーはもう一方の足場でストランドシューの周りに巻き付けられます。その後、ホイールは最初の固定装置に戻り、別のストランドを所定の位置に配置します。このプロセスは、必要な数のより線の束が形成されるまで繰り返されます（これは約125本のより線から400本以上まで変化します）。回転中、キャットウォークに立っている作業員は、ワイヤーがスムーズに巻き戻され、ねじれがないことを確認します。スプールが使い果たされると、ワイヤーの端が新しいスプールからワイヤーに接続され、連続したストランドが形成されます。束が十分に厚い場合、テープまたはワイヤーストラップが間隔を置いて適用されます 垂直ケーブルをメインサポートケーブルに接続したら、デッキ構造をタワーにかかる力のバランスを常に保つために、タワーを正しい速度でサポートします。移動するクレーンがデッキセクションを所定の位置に持ち上げ、作業員がデッキセクションを以前に配置されたセクションとメインサスペンションケーブルからぶら下がっている垂直ケーブルに取り付けます。ワイヤーを一緒に保つために。スプールから外れたワイヤーは切断され、アンカーに固定されます。次に、次のバンドルのプロセスが再開されます。

  完全なケーブルに必要なバンドルの数はさまざまです。ゴールデンゲートブリッジでは61、明石海峡大橋では290です。適切な数を回転させると、放射状に配置されたジャッキの特別な配置を使用してバンドルをコンパクトなケーブルに圧縮し、鋼線を巻きます。その周りに。スチールクランプは、デッキをサポートケーブルに接続する垂直ケーブルのアンカーポイントとして機能するように、ケーブルの周囲に所定の間隔で取り付けられています。

デッキ構造

• 6垂直ケーブルをメインサポートケーブルに接続した後、デッキ構造を開始できます。タワーにかかる力のバランスを常に保つために、構造はサポートタワーから両方向に正しい速度で構築する必要があります。 1つの手法では、メインサスペンションケーブルの上を転がる移動クレーンがデッキセクションを所定の位置に持ち上げ、作業者がデッキセクションを以前に配置されたセクションと、メインサスペンションケーブルからぶら下がっている垂直ケーブルに取り付けて、完成した長さを延長します。あるいは、クレーンをデッキに直接置き、各セクションが配置されるときに前方に移動することもできます。

仕上げ

• 7デッキ構造が完成したら、ベース層（鋼板など）で覆い、舗装します。鋼の表面の塗装や照明用の電線の設置は、他の仕上げ手順の例です。さらに、継続的なメンテナンス手順が開始されます。たとえば、17人の鉄工と38人の画家の常勤スタッフが、ゴールデンゲートブリッジで毎日作業を続け、腐食しているリベットやその他の鋼製コンポーネントを交換し、橋を保護する塗料を修正しています。

未来

各吊り橋は、機能と美観の両方に注意を払って独自に設計されています。橋のかさばりを減らし、効率を高めるために、新しい材料を使用したり、開発したりすることもできます。また、革新的な設計者は、課題に対して通常とは異なるソリューションを作成することがあります。たとえば、1989年の地震で甚大な被害を受けたサンフランシスコ-オークランドベイブリッジの東側スパンを置き換えるために1998年に承認された設計は、1つのタワーのみで支えられた吊橋です。そのメインケーブルは、上記の大規模なアンカーではなく、ブリッジ自体のデッキサポート構造にアンカーされています。

おそらく、新しい吊橋のために現在開発中の最も野心的な計画は、シチリア島をイタリア本土に接続するための計画です。サポートタワーはメッシーナ海峡の対岸に建設する必要があるため、メインスパンの長さは9,500〜10,800フィート（2,900〜3,300 m）になります。提案された設計の1つは、高さ1,312フィート（400 m）のタワーを使用しています。開発者は2006年までに橋を架けることを望んでいます。