مقاطع مصنعة في الورشة لأداء دورة حياة الجسر

تصميم الإجهاد لأحمال المرور

الجسر هيكل محمّل ديناميكيًا. فكل مركبة تعبره تطبق حملًا نقطيًا متحركًا يدور عبر أعضاء الهيكل ووصلاته. وعلى عمر تصميمي 50-100 سنة، قد يشهد جسر طريق 50-200 مليون دورة حمل شاحنة — نظام إجهاد لا يواجهه أي هيكل مبنى.

يحكم تصميم الإجهاد للجسور الفولاذية نطاق الإجهاد عند التفاصيل الحرجة إجهاديًا وعدد الدورات. والتفاصيل الحرجة ليست الأعضاء الرئيسية نفسها — فالوتر أو القطر المصمم جيدًا مقيس للقوة وعمر إجهاده عادة كافٍ. والتفاصيل الحرجة هي الوصلات: اللحامات التي تربط ألواح العقد بالوترات، واللحامات التي تربط المقويات العرضية بالجذوع، ومجموعات المسامير عند الوصلات الميدانية، واللحامات عند مقويات التحمل. وهذه مواضع تضخم فيها تراكيز الإجهاد نطاق الإجهاد الاسمي، وفيها تبدأ شقوق الإجهاد.

وتتبع مقاربة تصميم الإجهاد لدينا لـ جسور الهياكل الفولاذية ما يلي:

• تصنيف التفاصيل: يُصنَّف كل تفصيل ملحوم ومسمّر وفق جداول فئات الإجهاد في الكود المعمول به (AASHTO LRFD الجدول 6.6.1.5.3-1، أو Eurocode 3 الجدول 8.1-N، أو GB 50017). وتحدد الفئة نطاق الإجهاد المسموح لعدد دورات معين.
• حساب نطاق الإجهاد: لكل تفصيل حرج إجهاديًا، يُحسب نطاق الإجهاد من التحليل الإنشائي تحت تحميل شاحنة الإجهاد (شاحنة تصميمية بتباعد عجلات ووزن محددين، مطبقة في مواضع متعددة لتعظيم نطاق الإجهاد عند التفصيل).
• الضرر التراكمي لقاعدة مينر: يُجمَع ضرر الإجهاد من شاحنات بأوزان متغيرة بقاعدة مينر، التي تجمع نسبة الضرر (الدورات الفعلية / الدورات المسموحة) عبر كل فئات وزن الشاحنات. ويجب أن يكون الضرر التراكمي أقل من 1.0 عند عمر التصميم.
• تحسين التفصيل: حيث تكون سعة الإجهاد لتفصيل غير كافية، يُعاد هندسة التفصيل: تُعاد توجيه اللحامات لتقليل تركيز الإجهاد، أو يقلل جلخ جذور اللحام معامل تركيز الإجهاد، أو تحل وصلات مسمّرة محل وصلات ملحومة في مواضع نطاق الإجهاد العالي.

وسادات العزل الزلزالي

في المناطق الزلزالية، يجب عزل بنية الجسر العليا (الجمالون أو العارضة الفولاذية) عن البنية السفلى (الأعمدة والدعامات) لمنع نقل القوى الزلزالية المدمرة. ويُحقق العزل بـ وسادات العزل الزلزالي — أجهزة توضع بين البنية العليا والسفلى وتفصل الحركة الأفقية للأرض عن الحركة الأفقية لسطح الجسر.

ونهندس ثلاثة أنواع من وسادات العزل الزلزالي، تُختار حسب خطر الجسر الزلزالي وامتداده ومتطلباته الوظيفية:

• وسادات مطاطية: طبقات مطاط متداخلة مع ألواح فولاذية رقيقة. يوفر المطاط مرونة أفقية (تتيح للجسر التحرك بالنسبة للأعمدة)، بينما توفر الألواح الفولاذية صلابة رأسية (تحمل الأحمال الميتة والحيّة للجسر). مناسبة للمناطق الزلزالية المنخفضة إلى المتوسطة.
• وسادات الرصاص-المطاط (LRB): يُدخل قلب رصاصي في وسادة مطاطية. ويخضع القلب الرصاصي عند الإزاحة الزلزالية، مبددًا الطاقة عبر تخميد هستيري. مناسبة للمناطق الزلزالية المتوسطة إلى العالية. وتقلل LRB القوة الزلزالية المنقولة إلى البنية السفلى 40-60٪ مقابل جسر غير معزول.
• وسادات البندول الاحتكاكي (FPB): وسادة انزلاقية بسطح مقعر منحني. ينزلق سطح الجسر على السطح المنحني أثناء الزلزال، ويوفر الانحناء قوة استعادة تعيد الجسر إلى موضعه المركزي. ويوفر الاحتكاك بين الأسطح المنزلقة تبديد الطاقة. مناسبة للمناطق الزلزالية العالية والجسور الطويلة التي تتطلب سعة إزاحة كبيرة.

وتصميم الوسادة ليس مواصفة جهاز فقط، بل مدمج في التحليل الإنشائي. فخصائص صلابة الوسادات وتخميدها تُنمذج في التحليل الزلزالي للجسر، وتُستخدم القوى الزلزالية المقللة في البنية العليا والسفلى لتحسين أحجام الأعضاء. فالجسر بوسادات عزل زلزالي له أعضاء بنية عليا أخف وعناصر بنية سفلى أصغر من جسر غير معزول بالامتداد نفسه — ونظام العزل يدفع ثمنه عبر وفورات إنشائية.

الجسر المغطى 748 مترًا: هجين مبنى وجسر

يمثل مشروع جسرنا المغطى 748 مترًا نوعًا إنشائيًا يتحدى التصنيف التقليدي. فهو جسر — يحمل المشاة عبر نهر أو وادٍ — ومبنى في الوقت نفسه، بسقف وجدران وفراغ داخلي مغلق. وعلى الهيكل أن يقاوم لا أحمال الجسر فقط (المرور والريح على السطح) بل أحمال المبنى أيضًا (الريح على الجدران والسقف، والثلج على السقف، والكتلة الزلزالية للغلاف).

التحدي الهندسي للجسر المغطى هو التفاعل بين هيكل الجسر وغلاف المبنى. فجمالونات الجسر تحمل حمل السطح وتقاوم القوى الأفقية من الغلاف. والغلاف — السقف والجدران والجملونات الطرفية — يضيف مساحة ريح لم تُصمم لها جمالونات الجسر في تكوين سطح مفتوح. والوتر العلوي للجمالون، الذي هو في جسر تقليدي عضو ضغط يحمل حمل السطح، يصير عضو ضغط-انحناء مركبًا يحمل حمل السطح وحمل الريح من الجدار فوقه.

وطول الجسر 748 مترًا يعني أن التمدد الحراري شاغل تصميمي كبير. فجسر فولاذي 748 مترًا يشهد تغيرًا حراريًا 60 مئوية يتمدد نحو 540 مم عند الطرف الحر — تستوعبها وصلات تمدد عند كل فاصل امتداد. لكن الغلاف المغطى يلطّف نطاق الحرارة: فالفراغ المغلق يشهد تفاوتًا حراريًا أقل من جسر مكشوف، ما يقلل طلب الحركة الحرارية. وهذه إحدى الفوائد الإنشائية لنمط الجسر المغطى — فالغلاف الذي يضيف حمل الريح يقلل الإجهاد الحراري أيضًا.

وللجسر المغطى نشرنا نظام جمالون معياريًا: يُقسم الجسر إلى وحدات إنشائية 40-60 مترًا، كل وحدة مصنعة في الورشة ومنقولة ومسمّرة في الموقع. وتتطابق فواصل الوحدات مع مواضع وصلات التمدد، فتصير كل وحدة مستقلة حراريًا. والوصلات الميدانية المسمّرة مصممة كوصلات مفصلية (تنقل القص لا العزم)، ما يتيح لكل وحدة أن تتكيف مستقلة تحت الحركة الحرارية والهبوط التفاضلي.