鉄道橋が荷重を支える仕組み：4つの構造

鉄道は川を越えなければなりませんが、川は都合のよい場所を待ってくれることはほとんどありません。同じ川でも、ある地点では短い径間、別の地点では非常に長い径間が必要になることがあるため、技術者は選べる設計が少数に限られています。どれも同じ役割を果たします。列車の重さを受け止め、両岸の地面へ安全に伝えることです。

2種類の力だけ

どんな橋も構造をそぎ落としていくと、内部の力は2種類しかありません。 圧縮 は材料を押し潰す力で、 引張 は材料を引き伸ばす力です。石、レンガ、コンクリートは圧縮に強く、引張に弱いです。鋼は両方に強いものの、圧縮を受ける細長い鋼材は座屈しますが、同じ部材が引張を受けても座屈しません。橋の各形式は、この2種類の力の配置の仕方が異なるものです。

桁橋：最も単純な答え

桁、またはガーダーは、両端の支点に載った剛性のある床版です。荷重を受けるとわずかにたわみ、上側は圧縮され、下側は引き伸ばされます。断面の中央付近の材料はほとんど働かないため、実際のガーダーでは鋼材を上下に配置し、I形や中空の箱形にします。桁橋は建設費が安く点検もしやすく、数十メートル程度の短い横断で主流です。それより長くなるには、より深く重い桁が必要になり、やがて桁自身の重さが荷重の大部分になります。複数の支点をまたぐ連続箱桁では、100メートル以上まで範囲が広がります。

アーチ：形に仕事をさせる

アーチは下向きの荷重を、その曲線に沿った圧縮に変え、その圧縮は足元で下向きだけでなく横向きにも押します。地面や橋台はその横向きの推力に耐えなければなりません。このためアーチは岩の峡谷に向いており、ローマ時代やヴィクトリア朝の建設者が石を使えた理由でもあります。石は引張には弱いものの、圧縮には非常に強いからです。鋼のアーチはさらに遠くまで届きます。鉄道と道路の両方を通すシドニー・ハーバー・ブリッジの主アーチ径間は503メートルです。

トラス：どこまでも三角形

三角形は、どこかの辺の長さが変わらなければ形を変えられないため、三角形の骨組みは非常に少ない鋼材で剛性を持ちます。トラスでは各部材が長さ方向に引っ張られるか押されるかのどちらかで、曲げられる部材はありません。そのため、剛性のわりに軽くできます。鉄と鋼の鉄道時代に、短い径間から巨大な片持ち梁まで多くのトラス橋が作られたのはそのためです。スコットランドのフォース鉄道橋は1890年に開通し、521メートルの主片持ち径間が2つあります。トラス構造で、今日も重い列車を通しています。

どれが必要かは、川によって決まります。路線がそこへ行く理由については、 鉄道が川に沿って走る理由 の記事で扱っています。横断はその代償です。 Valley Rail: Train Tycoon では、町から町へ線路を敷き、5種類のうちいずれかの形式の橋で川を渡ります。これは技術者が実際に直面する選択と同じですが、使う鋼材は少なくなっています。

吊り橋：最長の径間

吊り橋は、床版を主ケーブルから垂直のハンガーで吊ります。主ケーブルは高い塔の上に掛けられ、両端でしっかり固定されています。ケーブルは純粋な引張で荷重を支えます。引張は鋼材を最も効率よく使う方法なので、他のどの形式もこれほど遠くまでは届きません。ゴールデンゲート橋の主径間は1,280メートル、日本の明石海峡大橋は1,991メートルです。どちらも道路橋です。

鉄道で吊り橋がめったに使われない理由

吊り橋を経済的にする同じしなやかさが、列車にとっては問題になります。理由は3つあり、互いに関連しています。

1. 荷重が重く、集中している。 貨物列車は、道路交通よりもはるかに1メートルあたりの重量が大きく、少数の車軸に載っています。長いケーブル径間では、重い列車が全荷重の大きな部分を占めるため、ケーブルはそれに合わせて形を変えてしまいます。
2. 線路には滑らかな線形が必要。 床版は列車の下でたわみ、前方では持ち上がるため、車輪は常に小さな局所的な坂を上っている状態になります。鉄道は勾配を百分率の小数で測ります。例えば、 限界勾配の記事のように、わずかな下り坂でも実際の牽引力を失い、走行が粗くなります。
3. 繰り返しは劣化させる。 列車が通るたびに、床版、ハンガー、ケーブルはさらにたわみます。剛性の高いトラスやガーダーはたわみがずっと小さく、床版の下に補剛トラスを置くことで、レールを通す少数の吊り橋がそもそも成り立つのです。

そのため、長い鉄道の横断は通常、トラス、箱桁、アーチ、あるいは真の吊り橋より剛性の高い斜張橋のいずれかになります。貨物が重いほど、その理由は強くなります。交通そのものについては、 貨物の物流の仕組み.