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以下の文書は以下の日本語訳です。

Suspension bridge - Wikipedia

現代的な吊り橋は米国に始まるようです。

吊り橋 (Suspension bridge)

吊り橋は橋の 1 型式で、路面 (荷重を支える部分) が吊り下げケーブルの下で、垂直なサスペンダー (吊り具) により、支えられているものである。 この型式の橋の最初の現代的な実例は 19 世紀初頭に建設されたものである。 垂直なサスペンダー (吊り具) がない単純吊り橋は世界の山岳地帯に長い歴史がある。

日本の明石海峡大橋
主スパンが世界最長

この型式の橋には塔の間に吊ったケーブル、及び垂直なサスペンダー・ケーブルがあり、 これが下の路面の重さを支え、路面の上を交通が横断する。 この配置により、路面は水平、もしくは追加の垂直余地を与えるために 上に反った円弧になる。 他の吊り橋と同様に、 この型式の橋はしばしばフォールスワークなしに建設される。

2 階建てのジョージ・ワシントン橋
ニューヨーク市とニュー・ジャージー州
バーゲン郡を接続、世界で最も繁忙な
吊り橋、年間で 10200万台を運ぶ。
マンハッタン橋、ニューヨーク市の
マンハッタンとブルックリンを接続、
1909 年開通、現代的吊り橋の先駆
と見なされる。このデザイン は多く
の世界中の長スパン吊り橋
のモデルになった。

吊り橋のケーブルは橋の両端で固定しないといけない。 というのは橋に適用される荷重は主ケーブルの張力に変換されるからである。 主ケーブルは柱を越えて、路面レベルまでの支えに続き、 更に大地のアンカーと接続される。 路面はハンガーと呼ばれる垂直なサスペンダー・ケーブル、あるいは棒により支えられる。 ある場合には塔は断崖、もしくは峡谷の端に設置されて道路が直接主スパンとなるか、 もしくは橋はより小さなスパンから構成され、 スパンは柱の間を走るか、道路となってサスペンダー・ケーブルで支えられるか、 接続用のトラス橋を使用するかもしれない。 後者の場合には主ケーブルの外に非常に小さな弧が付いている、。

  1. 歴史
  2. 構造挙動 (Structural behavior)
  3. 変型版 (Variations)
  4. 建設手順 (ワイヤー撚りケーブル型式)
  5. 最長の吊り橋
  6. 他の実例
  7. 著名な崩壊
歴史

最も初期の吊り橋は深い淵の間に吊り下げられたロープで、 路面はロープと同じ高さ、もしくはロープから吊り下げられ、ロープは懸垂線の形をしている。

先駆

チベットの聖者で、橋の建設家であるタントン・ギャルポ (Thangtong Gyalpo) は、単純吊り橋で鉄鎖 (iron chain) の使用を開始した。 1433 年にギャルポ (Gyalpo) はブータン (Bhutan) 東部で 8 基の橋を建設した。 最後のギャルポ (Gyalpo) の現存する鎖接続の橋はドゥクスム (Duksum) のタントン・ギャルポ橋で、 タシヤンツェ (Trashi Yangtse) の途上にある。 これは終に 2004 年に押し流された。 ギャルポの鉄鎖橋は現代の吊り橋では標準的な吊り下げた路面がない。 その代わり、ギャルポの橋の手すりも、歩行面もワイヤーを使用した。 歩行面で力がかかる場所は鉄の鎖で補強した。 鉄の鎖を使用する前にギャルポは捩じった柳、あるいは ヤクの皮から作ったロープを使用したと 思われている。 彼は固く結んだ布も使用したかもしれない。

鎖橋

最初の米国の鉄鎖吊り橋 (iron chain suspension bridge) はペンシルバニア州ウェストモアランド郡 (Westmoreland) の ジェイコブス川橋 (1801 年、Jacob's Creek Bridge) であった。 これは発明家のジェームズ・フィンリー (James Finley) によりデザインされた。 フィンリーの橋は現代的吊り橋に必要な成分をすべて組み込んだ最初の橋で、 これにはトラスで垂れ下がる路面が含まれている。 フィンリーは 1808 年に彼のデザインの特許を取り、 1810 年にフィラデルフィアの雑誌 「ザ・ポート・フォーリオ」 (The Port Folio) に発表した。

訳注
現代的な吊り橋はジェームス・フィンリー (米国) に始まるようです。
Iron Wire of the Wheeling Suspension Bridge -- Smithsonian Museum Conservation Institute
の出だしの部分に ジェイコブス川橋 (ペンシルバニア州) が英国、仏国に影響を与えたことが書いてあります。

初期の英国の鎖橋にはドライボロ修道院橋 (1817 年、Dryburgh Abbey Bridge) と 137 m の ユニオン橋 (1820 年、Union Bridge) があり、スパンが急速に増大し、 176 m のメナイ橋 (1826 年、Menai Bridge) となり、"最初の重要な現代の吊り橋" となった。 ヨーロッパ大陸における最初の鎖橋はドイツ、ニュルンベルク (Nuremberg) の鎖橋 (Chain Bridge) であった。 クリフトン吊り橋 (1831 年にデザインされ、1864 年に完成し、中央スパンが 214 m) は最長の放物弧鎖型式 (parabolic arc chain type) の 1 つであった。 現在のマーロー吊り橋 (Marlow suspension bridge) は ウィリアム・ティアニー・クラーク (William Tierney Clark) によりデザインされ、 1829 年から 1832 年にかけて建設され、 1828 年に下流で崩壊した木造橋に取って代わった。 これはテムズ川を横断する唯一の潮汐の影響を受けない吊り橋である。 ブダペスト (Budapest) でドナウ川を横断するセーチェニ鎖橋 (Széchenyi Chain Bridge) もウィリアム・クラークによってデザインされた。 これはマーロー橋の大規模版である。

ウエールズ、バンガーの近くの
メナイ川を横断する鎖橋の初期
の計画図、1826 年完成

興味ある変型判はスタッフォードシャー (Staffordshire) のバートン=オン=トレント (Burton-on-Trent) にあるソーンウィル・ウォーラム (Thornewill and Warham, 人名、企業名) のフェリー橋 (1889 年、Ferry Bridge) であり、 ここでは鎖は通常のように橋台に接続されずに、 その代わりに主ガーダーに接続され、従って主ガーダーは圧縮状態である。 ここでは鎖は錬鉄製のプレート -- 長さ 8 インチ (203 mm)、厚さ 1.5 インチ (38 mm) でリベットで接続 -- から作られている。

ワイヤー・ケーブル

最初のワイヤー・ケーブルの吊り橋はスクーカル川の滝 (Falls of Schuykill) のスパイダー橋 (Spider Bridge) であった。 これはつつましやかな一時的な歩道橋で、 ジェームズ・フィンリーによる近くのスクーカル川の滝の鎖橋 (1808 年) が崩壊した時に作られた。 歩道橋のスパンは 124 m あった。もっとも路面の幅は 0.45 m しかなかった。

ワイヤー・ケーブル吊り橋の開発は 1822 年にマルク・スガン (Marc Seguim) と彼の兄弟によるアノネー (Annonay) の一時的な単純吊り橋に始まる。 これは 18 m をわたしたのみであった。 最初の恒久的なワイヤー・ケーブルの吊り橋は 1823 年のジュネーブにおけるギョーム・アンリ・デュフール (Guillaume Henri Dufour) のセント・アントワーヌ橋 (Saint Antoine Bridge) で、 40 m スパンが 2 つついていた。 空中で組み合わされたケーブルを持つ最初の橋は 1834 年のフリブール (Fribourg, スイス) におけるジョゼフ・シャレイ (Joseph Chaley) の 「大吊り橋」 (Grand Pont Susupendu) であった。

米国では、最初の主なケーブル・ワイヤーの吊り橋はペンシルバニア州フィラデルフィアのフェアマウント (Fairmount) のワイヤー橋 (Wire Bridge) であった。 これはチャールズ・エレット・ジュニア (Charles Ellet Jr.) によりデザインされ、 1842 年に完成し、109 m のスパンがあった。 エレットのナイアガラ・フォールズ吊り橋 (1847 年 - 1848 年) は完成前に見捨てられた。 この橋はジョン A. ローブリングの二階建ての鉄道且つ荷馬車用の橋 (1855 年) の足場に使用された。

Otto Beit 橋 (1938 年 - 1929 年) は米国の外で、平行ワイヤー・ケーブルを使用した最初の現代的な吊り橋であった。

ラサの南の Chakzam 橋
の絵、1430 年完成。
ケーブルが塔の間で
吊り下げられ、
垂直サスペンダー・
ケーブルが厚板の歩道
を支える。
ヴェランツィオ (Veranzio)
の吊り橋のデザイン
(1595 年)
ジェームズ・フィンリー殿
に発明された鎖橋の光景」
William Strickland の絵
スクーカル川の滝の
フィンリーの鎖橋には
100 と 200 フィートとの
2 スパンがあった。
フェアマウントの
ワイヤー橋 (1842 年、
1874 年交換)
構造挙動 (Structural behavior)
構造解析 (structural analysis)

どのような型式の吊り橋でも主な力はケーブルの伸長と柱の圧縮である。 柱におけるほとんどすべての力は垂直に下向きで、主ケーブルで安定化されるため、 柱はウェールズ/イングランドの境界にあるセバーン橋のようにほっそりさせることができる。

セバーン橋のほっそりとした線

路面を吊り下げた橋の場合には、ケーブルは塔を経由して路面を支える。 重さはケーブルにより塔に移され、塔は重さを大地に移す。

支えられている車両が路面の重さに比較して無視できる重さと仮定すれば、 吊り橋の主ケーブルは放物線の型を取り、 路面を加える前の荷重をかけないケーブルが取る型の懸垂線に極めて類似している -- ケーブルの型は一定距離で、傾きが一定に増えることからわかり、 路面との傾きが増えることから上方向の力が生じる。 実際の路面に課せられる相対的に単純な制約を組み合わせると、 ケーブル支え橋 -- 路面は圧縮状態 -- よりも、吊り橋の方がデザインが容易で、解析も容易になる。

懸垂線 (黒い点線) と放物線 (赤い実線) の比較 (同じスパンと垂れ下がり)
詳細: 懸垂線は路面とハンガーがケーブルと比較して無視できる質量をを持つときの吊り橋の姿を現す。
放物線はケーブルとハンガーが路面と比較して無視できる質量を持つ時の吊り橋の姿を現す。
同じスパンと垂れ下がりを持つ実際の吊り橋の姿はこの 2 つの曲線の中間にある。
利点
吊り橋は木材や普通のワイヤー・ロープ
のように単純な材質から製作できる。
不利な点
変型版 (Variations)
下から支える (underspanned)

下から支える吊り橋では主ケーブルは橋の路面の完全に下に吊り下げられ、 通常の場合と同様に大地に固定されている。 この性質の橋は非常にわずかしか建設されていない。 というのはケーブルの下に吊り下げるよりも、路面が本質的に 不安定であるからである。 実例に含まれるものに: ギョーム・アンリ・デュフール (Guillaume Henri Dufour) によりデザインされた 1834 年のベルグ橋 (Pont des Bergues); ジェームス・スミス (James Smith) のミックルウッド橋 (Micklewood Bridge); 及びロバート・スチーブンソンにより提案されたエジンバラの近くで アーモンド川 (River Almond) を横断する橋がある。

ミックルウッド橋
Charles Drewry のイラスト
1832 年
スクィブ・パーク橋
ブルックリン、2013 年建設

ローブリングのデラウェア水道橋 (Delaware Aqueduct, 1847 年開始) はケーブルで支えられた 3 つの節から構成されている。 木造構造が基本的にケーブルを隠している; 見ただけでは、これが吊り橋とはすぐにわからない。

吊りケーブルの型式

古い橋の主ケーブルは鎖で作られているが、 現代的な橋のケーブルはワイヤーの複数の撚り綱で作られている。 これは単に強さを加えるだけでなく、信頼性 (技術用語では、しばしば冗長性と呼ばれる) を改良している。 というのは何百もの撚り綱の少々が破壊されても、(全体が) 破壊される可能性は非常に少ない。 一方、アイバー一本の破壊は橋全体の破壊の原因になり得る。 (一本のアイバーの破壊がオハイオ川にかかるシルバー橋の崩壊の原因であることが発見された。) (ワイヤー・ケーブルが使用される) 別の理由はスパンが増大すると技術者はより大きな鎖を 定位置に持ち上げることができなくなるが、 一方でワイヤーの撚りケーブルは一時的な通路から、空中で一本づつ作ることができる。

クリフトン吊り橋
アイバー鎖ケーブル
路面の構造型式

大半の吊り橋は路床を支えるために開放トラス構造を使用し、 これはタコマ・ナロウズ橋 (Tacoma Narrows Bridge, 1940 年) の事故で発見されたようにプレート・ガーダーを使用すると望ましくない影響があるからであった。 最近の空気力学 (aerodynamics) の進展により、プレート構造の再導入が可能となり、 1960 年代に建設されたセバーン橋に始めて見出された。 Yichang Bridge (宜昌長江公路大橋) の写真で、 吊り橋の非常に鋭利な進入エッジ (sharp entry edge) と 傾斜するアンダー・ガーダー (sloping undergirders) に注目せよ。 これにより、この種の型式では、 元々のタコマ・ナロウズ橋を破壊した渦流出 (vortex shedding) とその結果の空力弾性効果 (aeroelastic effects) 無しに使用が可能となっている。

Yichang 橋、プレート路面吊り橋
中国 Yangtze 川に架かる

3 種類の力が橋で動作している。 静的な荷重 (dead load)、動的な荷重 (live load)、及びダイナミックな荷重 (dynamic load) がある。 静的な荷重は橋自身の重さの事を指す。 どのような構造物でも、 同じ様に橋は崩壊する傾向があり、 これは単に橋を構成する材質に作用する重力によっている。 動的な負荷は橋を移動する交通の事を指し、 更には通常の環境の因子があり、例えば気温の変化、降雨、および風である。 ダイナミック荷重は 通常の気象条件とは異なる環境因子の事を指し、 例えば突風や地震の事である。 すべて 3 つの因子は橋を建設する時に考慮に入れないといけない。

道路や鉄道以外の用途

大規模に使用される吊り橋の原理は道路や鉄道の橋ほど劇的でない環境にも使用できる。 軽量な吊り橋は強いガーダーの支えよりも、自転車や歩行者用にはそれほど高価ではないが、もっとエレガントな こともある。 この実例にはオランダのネスキオ橋 (Nescio) がある。

このような橋が 2 つの建物の間に架けられると、 特別な塔を建設する必要がない。 というのは建物がケーブルを固定するからである。 ケーブル吊り下げは内在する構造の硬さで増加するかもしれない、 構造の硬さは管状橋と多くの共通点がある。

ケーブル吊り橋歩道橋
ダラス/フォート・ワース国際空港
ターミナル D
建設手順 (ワイヤー撚りケーブル型式)

典型的な吊り橋は一般的には次で述べる手順で建設される。 長さと大きさに依存して、建設は 1 年半 (元々のタコマ・ナロウズ橋はたった 19 ヶ月であった) から、 10 年にもなる (明石海峡大橋の建設は 1986 年 5 月に開始して、1998 年 5 月に完成した。-- 全部で 12 年。)

デンマークのリトル・ベルト吊り橋は 1970 年開通
  1. 塔が水中の橋脚の上に建設される時、 ケーソンが沈められ、柔らかい底が掘削されて、基礎になる。 もしも岩盤が深すぎて、掘削できない、あるいはケーソンを沈められない場合には、 杭が岩盤、もしくは上に横たわる硬い土壌に打ち込まれたり、 大きなコンクリートの詰物 (pad) がそれほど抵抗力のない土壌の上に重量を広く分布させて建設されるかも知れない。 この場合には最初に表面を引き締めた砂利で覆う必要がある。 (このような詰物の足場は活断層の動きを収容でき、ケーブル支え橋 (cable-stayed) の リオ・アンティリオ橋の基礎で実装された。)
  2. 塔が硬い陸地に築かれる場合には、深い基礎の掘削、あるいは杭が使用される。
  3. 塔の基礎から 1 本もしくは複数の塔が設置される。この際に高強度の強化コンクリート、石細工、あるいは鋼が使用され、 コンクリートが現代的な吊り橋の建設では最も頻繁に使用される。これは鋼のコストが高いからである。
  4. サドル (saddle) と呼ばれる大きな装置が、主吊りケーブルを通し、 これは塔の上に設置される。 典型的には鋳鉄で製造されるが、リベット打ちした型でも製造でき、 ローラーを設置して主ケーブルが建設時及び通常荷重 (load) の時に位置がずれる (シフトする) ようにする。
  5. アンカレッジ (anchorage) が塔と並行して建設され、 ケーブルのテンションに拮抗し、全構造の主固定システムを形成する。 アンカレッジは通常は状態の良い岩に設置されるが、 掘削した穴の中の巨大な強化コンクリートの塊でもよい。 アンカレッジ構造には安全な空間に囲まれた複数の突き出た開放 アイ・ボルト (eye bolt) がある。
  6. 一時的な吊り下げられた足場 -- キャットウォーク (catwalk) -- が次に誘導ワイヤーを使用して、 塔の頂上に設置したウィンチにより、定位置に持ち上げられる。 このようなキャットウォークは橋のデザイナーが主ケーブル用にデザインした曲線 -- 数学的には懸垂曲線 -- に従っている。 典型的なキャットウォークは通常、幅が 8 インチから 10 インチで、 ワイヤーの鉄格子と木造の板 (slat) を使用して建設される。
  7. ガントリーがキャットウォークに設置され、 ガントリーは主ケーブルを紡ぐリールを支える。 次にウィンチに取り付けられたケーブルが設置され、 主ケーブルを紡ぐ装置が設置される。
  8. 高強度ワイヤー (典型的には 4 ゲージ (gauge) から 6 ゲージの亜鉛メッキの鋼ワイヤー) は一方の端でアンカレッジで固定され、 移動装置 (traveller) の滑車でループにして牽引される。 移動装置が反対側のアンカレッジに到達すると、 ループは開放固定装置のアイバー (eyebar、アイ・ボルトの間違い) に引っ掛けられる。 キャットウォークに沿って労働者はケーブル・ワイヤーを引っ張って、 望みのテンションにする。 この操作は続けられて、ケーブル撚糸 (cable strand) と呼ばれる束が完成し、 一時的にステンレスのワイヤーを使用して束ねられる。 この工程は最終的なケーブル撚糸が完成するまで続く。 労働者は次にケーブル撚糸の個々の包みを取り除き (紡ぎ工程の最中には主ケーブルの方は六角形に密接に類似)、 そして全ケーブルが次に密接に詰め込まれた円柱状に移動油圧プレスで固められ、 そして追加のワイヤーできつく包まれて、最終的に断面が円形にされる。 吊り橋建設で使用されるワイヤーは亜鉛メッキした鋼ワイヤーで、 腐食抑止物質でコーティングされている。
  9. 主ケーブル沿いの特別な場所 (各々は水平方向に正確な距離だけ離れ) には、 "ケーブル帯" (cable band) と呼ばれる装置が設置され、サスペンダー・ケーブル (吊りケーブル、suspender cable) と呼ばれる鋼製のワイヤー・ロープが取り付けられる。 サスペンダー・ケーブルは巧妙に作られ、正確な長さに切断され、ケーブル帯を取り巻いている。 ある橋では、 塔が岸に近く、あるいは岸の上にあるため、 サスペンダー・ケーブルは中央スパンの上のみに設置されている。 初期のサスペンダー・ケーブルには亜鉛宝石 (zinc jewel、意味不明) と一対の鋼の (ボルトの) 座金 (ざがね) が付き、これは路面の支えのためであった。 現代的なサスペンダー・ケーブルは U 字型金具 (shackle-type fitting) が付いている。
    サンフランシスコ金門橋のサスペンダー・ケーブルとケーブル帯
    主ケーブルの直径は 36 インチ (910 mm)
    サスペンダー・ケーブルの直径は 3.5 インチ (89 mm)
  10. サスペンダー・ケーブルや主ケーブルに設置された特別製の巻き上げ機械を使用して、 あらかじめ製造された路面区間を適切な高さまで持ち上げることができる。 但し、場所の状態により、路面区間をハシケなどで橋の下まで運べる場合に限る。 そうでなければ移動するカンチレバー型式のやぐらを使用して、 1 度に 1 区間路面を延長して、塔から開始して外側に工事する。 路面構造が塔に追加されると路面の完成部分は上方に鋭く持ち上がる。 というのは、張り渡しの中心部分にはまだ下向きの力がないからである。 路面の完成時には、追加された荷重は主ケーブルを数学的に放物線と呼ばれる弧にけん引し、 一方、路面の弧はデザインした人の意図したようになる。 通常、水運水路を越える場合には余剰の余地を与えるために上になだらかな弧を描き、 峡谷を張り渡すような場合には平らになる。 アーチ型の吊り橋は構造にもっと剛性と強さも与える。
    ライオンズ・ゲート橋
    路面が中央部から建設中
    ニューヨーク市のマンハッタン橋
    路面が塔から両側に建設中
  11. 主要な構造の完成と共に、色々な詳細、例えば照明、手すり、ペンキ、そして舗装が設置、あるいは完成する。
最長の吊り橋

吊り橋は典型的には主スパンの長さで順位が付けられる。 最長のスパンを持つ 10 基の橋をスパンの長さと開通順に並べる。

  1. 明石海峡大橋 (日本)、1991 m (6532 フィート) -- 1998 年
  2. 西堠門大橋 (中国、Xihoumen Bridge)、1650 m (5413 フィート) -- 2009 年
  3. グレート・ベルト橋 (デンマーク, Great Bell Bridge)、1624 m(5328 フィート) -- 1998 年
  4. オスマン・ガーズィー橋 (トルコ、Osman Gazi Bridge)、1550 m (5085 フィート) -- 2016 年
  5. 李舜臣大橋(りしゅんしんおおはし、Yi Sun-sin bridge、韓国)、1545 m (5069 フィート) -- 2012 年
  6. 潤揚長江大橋 (Runyang Yangtze River Bridge、中国)、1490 m (4888 フィート) -- 2005 年
  7. 南京長江四橋 (Fourth Nanjing Yangtze Bridge、中国)、1418 m (4652 フィート) -- 2012 年
  8. ハンバー橋 (Humber Bridge、英国イングランド)、1410 m (4626 フィート) -- 1981 年 (1981 年 - 1998 年まで最長スパン)
  9. ヤウズ・スルタン・セリム橋 (Yavuz Sultan Selim Bridge、トルコ)、1408 m (4619 フィート) -- 2016 年
  10. 江陰長江大橋 (Jiangyin Bridge、中国)、1385 m (4544 フィート) -- 1997 年
他の実例
著名な崩壊