تخيل تنينًا فولاذيًا يمتد عبر الأنهار، خفيف الوزن وقوي في آن واحد. هذا هو الجسر المعلق بالكابلات - تحفة معمارية تجمع بشكل مثالي بين ميكانيكا الهندسة والجمال المعماري. إنه أكثر من مجرد ممر يربط بين ضفتين، إنه بمثابة شهادة على براعة الإنسان وإبداعه.
كما يوحي اسمه، يتكون الجسر المعلق بالكابلات من عوارض مستمرة (أو سطح) مدعومة بكابلات مائلة. تربط هذه الكابلات، التي تشبه أوتار القيثارة، السطح بالأبراج الشاهقة، مما يشكل كلاً مستقرًا ولكنه رشيق. من الناحية الميكانيكية، تعمل الجسور المعلقة بالكابلات كجسور عوارض مستمرة مدعومة مرنًا، مع أن تكوينها الفريد يوفر مزايا مميزة ضمن نطاقات معينة.
من بين أنواع الجسور، تتفوق الجسور المعلقة بالكابلات في قدرات الامتداد. إنها تتألق بشكل خاص في نطاقات تتراوح بين 150 إلى 600 متر، حيث تتفوق على الجسور الناتئة والشبكية والقوسية والعوارض الصندوقية من الناحيتين الاقتصادية والجمالية. في حين أن قدرتها على الامتداد لا تضاهي الجسور المعلقة، فإن عمق العارضة الضحل نسبيًا يخلق مظهرًا خفيف الوزن بصريًا. مع تقدم تقنيات التصميم والبناء، تواصل الجسور المعلقة بالكابلات تحطيم أرقام قياسية في الامتداد، ويتجلى ذلك في جسر روسكي في روسيا بامتداده الرئيسي البالغ 1104 أمتار - وهو حاليًا أطول جسر معلق بالكابلات في العالم.
فلسفة تصميم الجسور المعلقة بالكابلات تتسم بالكفاءة الأنيقة. يتعامل كل مكون في المقام الأول مع قوى الشد أو الضغط، مما يزيد من استخدام المواد. توفر كابلات التعليق دعمًا مرنًا للسطح، مما يؤدي بشكل فعال إلى تمديد امتداد الجسر. لتحمل أحمال السطح، يجب أن تتحمل هذه الكابلات شدًا هائلاً، والذي يتحول بدوره إلى قوى ضغط داخل الأبراج والعوارض الرئيسية. في حين أن عزم الانحناء والقوى الأخرى تؤثر على الأبراج والعوارض، فإن القوى المحورية هي التي تسود عادةً. نظرًا لأن الأعضاء المحملة محوريًا تتفوق على أعضاء الانحناء من حيث الكفاءة، فإن هذا يفسر المزايا الهيكلية والاقتصادية للجسور المعلقة بالكابلات.
يعود مفهوم الجسور المعلقة بالكابلات إلى عام 1595، موثقًا في Machinae Novae. شهد أوائل القرن التاسع عشر العديد من الإنشاءات، ولكن لم تكتسب هذه الجسور شعبية إلا في الخمسينيات من القرن العشرين جنبًا إلى جنب مع الجسور الشبكية والقوسية والمعلقة. نتجت الإخفاقات المبكرة عن عدم كفاية فهم النظام الهيكلي - وخاصة المقاومة غير الكافية وعدم القدرة على شد الكابلات بشكل صحيح، مما تسبب في التراخي في ظل الأحمال المختلفة. أحدث جسر بروكلين عام 1883 تحسينات كبيرة. ظهرت الجسور المعلقة بالكابلات الحديثة في ألمانيا في الخمسينيات من القرن العشرين، وأصبح جسر سترومسوند في السويد (1955) أول مثال حديث. منذ ذلك الحين، تقدمت تقنيات التصميم والبناء بسرعة، مما جعل الجسور المعلقة بالكابلات ظاهرة عالمية.
يمكن تصنيف الجسور المعلقة بالكابلات بعدة طرق، مع كون ترتيب الكابلات هو الطريقة الأكثر شيوعًا.
بناءً على الترتيب الطولي، تنقسم الجسور المعلقة بالكابلات إلى أربعة أنواع: الكابل الفردي، والمروحة، والمروحة المعدلة، وتكوينات القيثارة. في حين أن هذه الأنظمة تظهر اختلافات طفيفة في الأداء العام - خاصة بالنسبة للامتدادات الطويلة - فإن كل منها يوفر خصائص فريدة.
عرضيًا، يمكن ترتيب الكابلات في: مستوى مركزي واحد، أو مستويات حافة مزدوجة (رأسية أو مائلة)، أو ثلاثة مستويات تربط الخط المركزي بكلتا الحافتين. يؤثر هذا الترتيب على السلوك الهيكلي وطرق البناء والتعبير المعماري. تعد الأنظمة ذات المستوى المزدوج هي الأكثر شيوعًا، على الرغم من أن المستويات المركزية الفردية تعمل عند استخدام أقسام صندوقية مقاومة للالتواء. بالنسبة للأسطح العريضة بشكل استثنائي أو الجسور المشتركة للسكك الحديدية والطرق، يمكن استخدام الأنظمة ثلاثية المستويات.
يمكن تصميم الجسور المعلقة بالكابلات بامتدادات فردية أو مزدوجة أو ثلاثية أو متعددة. تعتبر الامتدادات المدعومة بثلاثة أو كابلين أكثر شيوعًا، حيث أن الكابلات وأرصفة المرساة ضرورية لاستقرار البرج. تشمل أمثلة البرج الفردي جسر إيراسموس في روتردام والجسر المركزي في طوكيو. بالنسبة للامتدادات التي تتجاوز الثلاثة، فإن التحدي الرئيسي يتضمن عدم كفاية التقييد الطولي في الجزء العلوي من البرج المتوسط. تشمل الحلول: زيادة صلابة البرج (باستخدام دعامات على شكل حرف A)، وربط الجزء العلوي من البرج بروابط أفقية، وإضافة كابلات تثبيت بين الأبراج، ودمج روابط منتصف الامتداد، أو استخدام كابلات متقاطعة تمتد حوالي 20٪ خارج منتصف الامتداد - كما يتضح من كابلات التثبيت الطولية البالغ طولها 464.6 مترًا في جسر تينغ كاو.
تعتمد الجسور المعلقة بالكابلات على ثلاثة عناصر أساسية تعمل معًا: الكابلات والأبراج والأسطح.
بصفتها أعضاء حيوية لتحمل الأحمال، تغلبت الكابلات الحديثة على أوجه القصور المبكرة في أنظمة المرساة والمواد والحماية من التآكل. تشمل الخيارات الحالية: خيوط ملفوفة مسبقة الصنع (بقوة شد تبلغ 1770 نيوتن/مم²)، وخيوط حلزونية مسبقة الصنع (باستخدام أسلاك 5 مم عند 1570/1770 نيوتن/مم²)، وكابلات قضبان (1230 نيوتن/مم²)، وخيوط أسلاك متوازية (أسلاك مجلفنة 7 مم عند 1570 نيوتن/مم²)، وكابلات خيوط متوازية (خيوط مجلفنة 15.2/15.7 مم عند 1770 نيوتن/مم²)، وكابلات مركبة متطورة.
قد تكون الأبراج عبارة عن أعمدة فردية عبر مراكز السطح أو معوضة للجسور المنحنية. تخلق ترتيبات الأعمدة المزدوجة (مع أو بدون عوارض متقاطعة) تكوينات على شكل حرف H، وإطار A، و Y مقلوب، وماسي، أو ماسي مزدوج. أعطت تصميمات الأبراج الفولاذية المبكرة الأولوية للتصنيع السريع ولكنها واجهت مخاوف من الانحناء. تفضل الاتجاهات الحديثة الخرسانة المسلحة/المجهدة مسبقًا لتحقيق الكفاءة من حيث التكلفة، على الرغم من الوزن الأكبر. تمكنت التطورات في تكنولوجيا الخرسانة الآن من إنشاء أشكال أبراج معقدة. يتراوح ارتفاع الأبراج النموذجية من 0.2-0.25 ضعف طول الامتداد الرئيسي، مع زوايا كابلات تتراوح بين 25-65 درجة للحفاظ على الكفاءة. قد تحدد العوامل الخارجية مثل قرب المطار أبراجًا أقل، كما هو الحال في الجسر المخطط له في كاواساكي بالقرب من مطار هانيدا الدولي.
على عكس أسطح الجسور المعلقة، يجب أن تقاوم الأسطح المعلقة بالكابلات عزوم الانحناء من الوزن الذاتي/الأحمال الحية والقوى المحورية من المكونات الأفقية للكابلات، مما يسمح بمقاطع عرضية متنوعة:
يتطلب تحليل الجسور المعلقة بالكابلات الحديثة طرق العناصر المحدودة. يمثل نموذج "عظم السمكة" عادةً الأبراج والأسطح والكابلات، مع عناصر متخصصة تأخذ في الاعتبار تأثيرات ترهل الكابلات باستخدام معامل المرونة المعدل. يعد التحليل التدريجي ضروريًا لمحاكاة تسلسل البناء وإعادة توزيع الحمل. يجب إجراء كل من التحليلات الخطية وغير الخطية، بالإضافة إلى التحليل الديناميكي لتحديد الترددات الطبيعية وأنماط الاهتزاز.
تدين الجسور المعلقة بالكابلات بنجاحها لإجراءات التركيب الفعالة، بشكل أساسي:
تخيل تنينًا فولاذيًا يمتد عبر الأنهار، خفيف الوزن وقوي في آن واحد. هذا هو الجسر المعلق بالكابلات - تحفة معمارية تجمع بشكل مثالي بين ميكانيكا الهندسة والجمال المعماري. إنه أكثر من مجرد ممر يربط بين ضفتين، إنه بمثابة شهادة على براعة الإنسان وإبداعه.
كما يوحي اسمه، يتكون الجسر المعلق بالكابلات من عوارض مستمرة (أو سطح) مدعومة بكابلات مائلة. تربط هذه الكابلات، التي تشبه أوتار القيثارة، السطح بالأبراج الشاهقة، مما يشكل كلاً مستقرًا ولكنه رشيق. من الناحية الميكانيكية، تعمل الجسور المعلقة بالكابلات كجسور عوارض مستمرة مدعومة مرنًا، مع أن تكوينها الفريد يوفر مزايا مميزة ضمن نطاقات معينة.
من بين أنواع الجسور، تتفوق الجسور المعلقة بالكابلات في قدرات الامتداد. إنها تتألق بشكل خاص في نطاقات تتراوح بين 150 إلى 600 متر، حيث تتفوق على الجسور الناتئة والشبكية والقوسية والعوارض الصندوقية من الناحيتين الاقتصادية والجمالية. في حين أن قدرتها على الامتداد لا تضاهي الجسور المعلقة، فإن عمق العارضة الضحل نسبيًا يخلق مظهرًا خفيف الوزن بصريًا. مع تقدم تقنيات التصميم والبناء، تواصل الجسور المعلقة بالكابلات تحطيم أرقام قياسية في الامتداد، ويتجلى ذلك في جسر روسكي في روسيا بامتداده الرئيسي البالغ 1104 أمتار - وهو حاليًا أطول جسر معلق بالكابلات في العالم.
فلسفة تصميم الجسور المعلقة بالكابلات تتسم بالكفاءة الأنيقة. يتعامل كل مكون في المقام الأول مع قوى الشد أو الضغط، مما يزيد من استخدام المواد. توفر كابلات التعليق دعمًا مرنًا للسطح، مما يؤدي بشكل فعال إلى تمديد امتداد الجسر. لتحمل أحمال السطح، يجب أن تتحمل هذه الكابلات شدًا هائلاً، والذي يتحول بدوره إلى قوى ضغط داخل الأبراج والعوارض الرئيسية. في حين أن عزم الانحناء والقوى الأخرى تؤثر على الأبراج والعوارض، فإن القوى المحورية هي التي تسود عادةً. نظرًا لأن الأعضاء المحملة محوريًا تتفوق على أعضاء الانحناء من حيث الكفاءة، فإن هذا يفسر المزايا الهيكلية والاقتصادية للجسور المعلقة بالكابلات.
يعود مفهوم الجسور المعلقة بالكابلات إلى عام 1595، موثقًا في Machinae Novae. شهد أوائل القرن التاسع عشر العديد من الإنشاءات، ولكن لم تكتسب هذه الجسور شعبية إلا في الخمسينيات من القرن العشرين جنبًا إلى جنب مع الجسور الشبكية والقوسية والمعلقة. نتجت الإخفاقات المبكرة عن عدم كفاية فهم النظام الهيكلي - وخاصة المقاومة غير الكافية وعدم القدرة على شد الكابلات بشكل صحيح، مما تسبب في التراخي في ظل الأحمال المختلفة. أحدث جسر بروكلين عام 1883 تحسينات كبيرة. ظهرت الجسور المعلقة بالكابلات الحديثة في ألمانيا في الخمسينيات من القرن العشرين، وأصبح جسر سترومسوند في السويد (1955) أول مثال حديث. منذ ذلك الحين، تقدمت تقنيات التصميم والبناء بسرعة، مما جعل الجسور المعلقة بالكابلات ظاهرة عالمية.
يمكن تصنيف الجسور المعلقة بالكابلات بعدة طرق، مع كون ترتيب الكابلات هو الطريقة الأكثر شيوعًا.
بناءً على الترتيب الطولي، تنقسم الجسور المعلقة بالكابلات إلى أربعة أنواع: الكابل الفردي، والمروحة، والمروحة المعدلة، وتكوينات القيثارة. في حين أن هذه الأنظمة تظهر اختلافات طفيفة في الأداء العام - خاصة بالنسبة للامتدادات الطويلة - فإن كل منها يوفر خصائص فريدة.
عرضيًا، يمكن ترتيب الكابلات في: مستوى مركزي واحد، أو مستويات حافة مزدوجة (رأسية أو مائلة)، أو ثلاثة مستويات تربط الخط المركزي بكلتا الحافتين. يؤثر هذا الترتيب على السلوك الهيكلي وطرق البناء والتعبير المعماري. تعد الأنظمة ذات المستوى المزدوج هي الأكثر شيوعًا، على الرغم من أن المستويات المركزية الفردية تعمل عند استخدام أقسام صندوقية مقاومة للالتواء. بالنسبة للأسطح العريضة بشكل استثنائي أو الجسور المشتركة للسكك الحديدية والطرق، يمكن استخدام الأنظمة ثلاثية المستويات.
يمكن تصميم الجسور المعلقة بالكابلات بامتدادات فردية أو مزدوجة أو ثلاثية أو متعددة. تعتبر الامتدادات المدعومة بثلاثة أو كابلين أكثر شيوعًا، حيث أن الكابلات وأرصفة المرساة ضرورية لاستقرار البرج. تشمل أمثلة البرج الفردي جسر إيراسموس في روتردام والجسر المركزي في طوكيو. بالنسبة للامتدادات التي تتجاوز الثلاثة، فإن التحدي الرئيسي يتضمن عدم كفاية التقييد الطولي في الجزء العلوي من البرج المتوسط. تشمل الحلول: زيادة صلابة البرج (باستخدام دعامات على شكل حرف A)، وربط الجزء العلوي من البرج بروابط أفقية، وإضافة كابلات تثبيت بين الأبراج، ودمج روابط منتصف الامتداد، أو استخدام كابلات متقاطعة تمتد حوالي 20٪ خارج منتصف الامتداد - كما يتضح من كابلات التثبيت الطولية البالغ طولها 464.6 مترًا في جسر تينغ كاو.
تعتمد الجسور المعلقة بالكابلات على ثلاثة عناصر أساسية تعمل معًا: الكابلات والأبراج والأسطح.
بصفتها أعضاء حيوية لتحمل الأحمال، تغلبت الكابلات الحديثة على أوجه القصور المبكرة في أنظمة المرساة والمواد والحماية من التآكل. تشمل الخيارات الحالية: خيوط ملفوفة مسبقة الصنع (بقوة شد تبلغ 1770 نيوتن/مم²)، وخيوط حلزونية مسبقة الصنع (باستخدام أسلاك 5 مم عند 1570/1770 نيوتن/مم²)، وكابلات قضبان (1230 نيوتن/مم²)، وخيوط أسلاك متوازية (أسلاك مجلفنة 7 مم عند 1570 نيوتن/مم²)، وكابلات خيوط متوازية (خيوط مجلفنة 15.2/15.7 مم عند 1770 نيوتن/مم²)، وكابلات مركبة متطورة.
قد تكون الأبراج عبارة عن أعمدة فردية عبر مراكز السطح أو معوضة للجسور المنحنية. تخلق ترتيبات الأعمدة المزدوجة (مع أو بدون عوارض متقاطعة) تكوينات على شكل حرف H، وإطار A، و Y مقلوب، وماسي، أو ماسي مزدوج. أعطت تصميمات الأبراج الفولاذية المبكرة الأولوية للتصنيع السريع ولكنها واجهت مخاوف من الانحناء. تفضل الاتجاهات الحديثة الخرسانة المسلحة/المجهدة مسبقًا لتحقيق الكفاءة من حيث التكلفة، على الرغم من الوزن الأكبر. تمكنت التطورات في تكنولوجيا الخرسانة الآن من إنشاء أشكال أبراج معقدة. يتراوح ارتفاع الأبراج النموذجية من 0.2-0.25 ضعف طول الامتداد الرئيسي، مع زوايا كابلات تتراوح بين 25-65 درجة للحفاظ على الكفاءة. قد تحدد العوامل الخارجية مثل قرب المطار أبراجًا أقل، كما هو الحال في الجسر المخطط له في كاواساكي بالقرب من مطار هانيدا الدولي.
على عكس أسطح الجسور المعلقة، يجب أن تقاوم الأسطح المعلقة بالكابلات عزوم الانحناء من الوزن الذاتي/الأحمال الحية والقوى المحورية من المكونات الأفقية للكابلات، مما يسمح بمقاطع عرضية متنوعة:
يتطلب تحليل الجسور المعلقة بالكابلات الحديثة طرق العناصر المحدودة. يمثل نموذج "عظم السمكة" عادةً الأبراج والأسطح والكابلات، مع عناصر متخصصة تأخذ في الاعتبار تأثيرات ترهل الكابلات باستخدام معامل المرونة المعدل. يعد التحليل التدريجي ضروريًا لمحاكاة تسلسل البناء وإعادة توزيع الحمل. يجب إجراء كل من التحليلات الخطية وغير الخطية، بالإضافة إلى التحليل الديناميكي لتحديد الترددات الطبيعية وأنماط الاهتزاز.
تدين الجسور المعلقة بالكابلات بنجاحها لإجراءات التركيب الفعالة، بشكل أساسي:
