Modernizacja mostu Golden Gate

Z mostem Golden Gate – Złote Wrota – ikoną światowego mostownictwa jest podobnie jak z dobrą książką.  Ile razy by się do niej wracało, za każdym razem jest coraz bardziej fascynująca, gdyż odkrywa przed nami nowe szczegóły.

Most nosi taką samą nazwę jak część Zatoki San Francisco nazwana Złotymi Wrotami. W latach 1937–1954 dzierżył prym mostu z najdłuższym przęsłem na świecie (do momentu wybudowania Verrazano-Narrows Bridge w Nowym Jorku o rozpiętości przęsła większej o 18 m).

Podstawowe dane techniczne:

rozpiętość mostu – 1280,0 m(4200 stóp)

całkowita długość mostu – 2737 m

wysokość nad średnim poziomem wody – 67,0 m

wysokość belki usztywniającej
w postaci kratownicy – 7,60 m

wysokość pylonów – 227 m

szerokość pomostu – 27,40 m

stosunek wysokości przęsła
do rozpiętości – ok. 1:170

6 pasów ruchu i obustronne chodniki

Fot. 1. Szczegół mocowania wieszaków do konstrukcji belki usztywniającej

Fot. 2. Widok urządzenia dylatacyjnego w obrębie pylonu południowego

Fot. 3. Budzący wątpliwości sposób odwodnienia betonowej nawierzchni chodnika

Każda z lin nośnych mostu składa się z ponad 27 tys. ocynkowanych drutów w 61 splotach. Łączna waga lin nośnych, wieszaków i armatury to ponad 24 tys. ton. Wieszaki wykonane są z lin i rozmieszczone na długości mostu w odstępach co 15,0 m (fot. 1).

Każdy filar utrzymuje stalowy pylon o masie 44 tys. ton. W celu uzyskania odpowiedniej wytrzymałości i sztywności konstrukcji pylony wykonano jako nitowane segmenty skrzynkowe. Most posiada ok. 1,2 mln nitów.

Trudne warunki pogodowe i sejsmiczne narzucały bardzo duże wymagania w stosunku do bezpieczeństwa konstrukcji. Nasilony ruch statków w cieśninie wymagał bardzo wysokiego usytuowania pomostu, a naturalny, wspaniały krajobraz zobowiązywał do projektu o nie mniejszej urodzie. 

Most został zaprojektowany przez chicagowskich inżynierów Josepha Straussa i Leona Moisseiffa. Pomimo trudności udało się z powodzeniem zakończyć budowę mostu, który początkowo uznano za niemożliwy do zrealizowania. Wykonywanie konstrukcji rozpoczęto w styczniu 1933 r. Całkowity koszt budowy wyniósł 35 mln dol. Zainwestowane środki zwróciły się z nawiązką po ponad 30 latach eksploatacji.

W sierpniu 1935 r. rozpoczęto wykonywanie głównych lin nośnych. Pod koniec 1936 r. przystąpiono do montażu dźwigarów przęsła głównego. Budowa mostu była niezwykle trudna i pochłonęła wiele ofiar. Most został otwarty do ruchu 27 maja 1937 r. Dzień jego otwarcia nazwano „dniem pieszych” i w tym dniu przeszło przez most 200 tys. ludzi. Uroczystość ta została powtórzona 50 lat później, w 1987 r. 

Fot. 4. Widok kratowej belki usztywniającej przęsła głównego. Widok wózków rewizyjnych podwieszonych do jej konstrukcji

Fot. 5. Widok płyty ortotropowej pomostu głównego. Widoczna jest faza wzmacniania konstrukcji w obrębie poprzecznicy

Fot. 6. Widok na w pełni przebudowane podpory w obrębie Forth Point

Wpływ eksploatacji na stan techniczny konstrukcji

Rocznie most odwiedza 14 mln turystów i przejeżdża po nim ponad 40 mln samochodów. Jest narażony na działanie wielu negatywnych czynników, zarówno atmosferycznych, jak i związanych bezpośrednio z eksploatacją. W 1996 r. ograniczono prędkość pojazdów na obiekcie z 55 mil/h do 45 mil/h (72 km/h).  

Jako konstrukcja stalowa most jest narażony na działanie czynników korozji (zagadnienie to opisano dalej). Obecny stan nawierzchni, szczególnie w zakresie urządzeń dylatacyjnych, również pozostawia wiele do życzenia (fot. 2).

Ciekawostką jest, że tak duża konstrukcja jest odwodniona jedynie powierzchniowo (fot. 2). Woda z jezdni poprzez poziome szczeliny w obrębie krawężników spływa bezpośrednio do oceanu. Podobnie jest w przypadku chodników, gdzie w celu odprowadzenia wody wykonano na ich długości zwykłe okrągłe otwory w płycie betonowej chodnika. Tym samym spływająca woda – szczególnie w czasie wietrznej pogodny – zwilża stalową konstrukcję nośną mostu (fot. 3).

Most znajduje się w strefie silnego oddziaływania wiatrów. W czasie swojej historii oparł się wielu wiatrowym próbom, np. w 1983 r. prędkość wiatru wynosiła 121 km/h.

Podpory obiektu muszą wytrzymać napór prądów morskich o prędkości dochodzącej do 96,0 km/h. Mało stabilne podłoże dna morskiego, gwałtowne przypływy i odpływy, jak również prądy morskie to typowe warunki, w jakich pracuje konstrukcja.

Przez ponad 70 lat most wytrzymał wiele trzęsień ziemi, a w 1989 r. przetrwał  trzęsienie o sile 7,1 stopnia w skali Richtera, którego epicentrum znajdowało się 70 mil od konstrukcji. Wielkość zniszczeń okolicznej infrastruktury była tak duża, że zadecydowano o poważnej modernizacji sejs­micznej obiektu trwającej do dziś.

Fot. 7. Widok nowo zmontowanych podpór pośrednich części dojazdowej. Widoczny sposób wzmocnienia blachownicowych dźwigarów głównych na czas wykonywania przebudowy podpór stałych

Fot. 8. Szczegół podparcia konstrukcji nośnej na podporze za pomocą neoprenowych elementów tłumiących. Widoczne ściągi stalowe zabezpieczające konstrukcję w czasie ewentualnych trzęsień ziemi

Fot. 9. Widok poprzecznicy w obrębie wspornika. Widoczne wzmocnienie górnej części poprzecznicy poprzez zastosowanie odpowiednich ściągów

Wzmocnienie i przebudowa konstrukcji nośnej

Od zakończenia budowy most był wielokrotnie sukcesywnie rehabilitowany. Kratownica usztywniająca mostu Golden Gate jest stosunkowo niska w porównaniu do innych mostów (fot. 4). Jednak w połowie lat 50. XX w. wbudowano w nią dodatkowe 4700 ton stali (dla zwiększenia sztywności bocznej dźwigara na całej jego długości) z powodu nieprzewidzianego wcześniej efektu falowania przęseł pod wpływem wiatru, nawet przy stosunkowo niewielkiej jego prędkości.

W końcu lat 60. przeprowadzono kompleksową kontrolę stanu technicznego całego obiektu. W czasie tego przeglądu wykryto znaczną korozję wieszaków podwieszających pomost do głównych lin nośnych. Z tego względu zdecydowano się wymienić wszystkie 250 par wieszaków po obu stronach mostu (fot. 1).

W 1982 r. podjęto pierwsze – jeszcze niewielkie – prace związane z modernizacją konstrukcji mostu związane ze zwiększeniem odporności na występujące często w okolicy trzęsienia ziemi (zmiana przepisów normowych).

W 1986 r. pod wpływem warunków atmosferycznych betonowy pomost współpracujący ze stalowymi podłużnicami został zastąpiony lżejszą stalową płytą ortotropową (fot. 5).

Zastosowano przy tym nawierzchnię z mieszanki mineralno-bitumicznej modyfikowanej żywicą epoksydową o grubości 5 cm. Wtedy też zmieniono organizację ruchu na moście, zmieniając szerokości pasów ruchu.

W 1987 r. zostało zmodernizowane oświetlenie obiektu, a w 2005 r. podjęto decyzję o montażu barier energochłonnych. W 1992 r. z uwagi na zły stan techniczny wymieniono poręcze, zastępując je historyczną repliką istniejących wcześniej.

Od ukończenia mostu Golden Gate życie odebrało sobie, skacząc z jego konstrukcji, ponad 1500 osób, toteż aby temu przeciwdziałać, zamontowano dodatkowo siatki, zasieki z drutu kolczastego, zamontowano monitoring, a sam most nadzorują specjalne patrole. 

Zagrożenie trzęsieniem ziemi sprawia, że podjęto decyzję o kolejnym wzmocnieniu mostu.

Wykonywane obecnie prace według założeń zabezpieczają konstrukcję na przetrwanie kataklizmu o sile 8,3 stopnia w skali Richtera (w czasie ostatniego trzęsienia ziemi, jakie nawiedziło Japonię, zanotowano 9 stopni). Założono przy tym, że jeżeli nie wystąpi inna nieprzewidywalna przyczyna, to okres eksploatacji wyniesie ponad 200 lat. 

Fot. 10. Widok południowego przyczółka części dojazdowej. Widoczny nowy sposób oparcia antysejsmicznego dźwigarów na ciosie podłożyskowym

Fot. 11. Przykładowy wieszak konstrukcji głównego przęsła w czasie prac antykorozyjnych

Fot. 12. Ogólny widok zakotwienia głównych lin nośnych – zły stan powłok antykorozyjnych

Fot. 13. Szczegół elementów spinających wieszak. Widoczny obecny stan powłok malarskich

Od 1997 r.do chwili obecnej trwają intensywne prace nad największą w historii przebudową konstrukcji obiektu związaną z zabezpieczeniem jej przed trzęsieniem ziemi.

Prace te zostały podzielone na trzy niezależne etapy (fazy). W kryteriach doboru zakresu robót dla poszczególnych etapów uwzględniono rodzaje przekonstruowanych elementów, ich ważność oraz utrzymanie ciągłości ruchu na obiekcie, a także względy finansowe.  

Faza I modernizacji (lata 1997–2001) polegała na wzmocnieniu elementów konstrukcyjnych i zmian w samej konstrukcji oraz jej schematów statycznych. Miało to na celu uodpornienie jej na wpływ trzęsień ziemi. W fazie tej skupiono się na północnej części obiektu; objęła ona swoim zakresem m.in.: wzmocnienie istniejących fundamentów, całkowitą wymianę czterech stalowych filarów w północnej dojazdowej części do obiektu, uciąglenie pięciu wolnopodpartych przęseł kratownicowych, wymianę łożysk na łożyska tłumiące – znacząco zmniejszające przenoszenie sił sejsmicznych na kratownice. Koszty wykonanych prac w fazie I wyniosły 71 mln dol.

Faza II modernizacji (lata 2001–2008) była najbardziej złożoną częścią całego projektu.

Obejmowała modernizację południowej części dojazdowej, w tym łuku Forth Point oraz konstrukcji zasadniczej części południowej. W etapie tym wymieniono łożyska, wzmocniono elementy pylonu południowego oraz inne elementy fragmentów konstrukcji nośnej. Koszt prac w tym etapie wyniósł 189 mln dol. Jak już wspomniano, prace wykonywano przy ciągłym ruchu na obiekcie.

Faza IIImodernizacji została podzielona na dwie części:

Faza IIIa dotyczy m.in. wzmocnienia północnego zakotwienia lin i północnego pylonu.

Koszt tych prac oszacowano na 125 mln dol.

Faza IIIb dotyczy modernizacji zawieszeń głównego przęsła, filara południowego i innych podpór (fot. 6).

Prace oszacowano na 269 mln dol.

Prace w fazie III zaplanowano na 3,5 roku i trwają do dzisiaj, roboty zostały rozpoczęte w 2008 r.

Widok pozostałych wybranych przebudowanych elementów pokazano na fot. 7–9.

Opisane rozwiązania poprzedzone zostały wcześniejszymi wnikliwymi analizami i odpowiednią dokumentacją projektową.

Utrzymanie antykorozyjne konstrukcji stalowych

Po wzniesieniu most został pomalowany zarówno farbami podkładowymi, jak i nawierzchniowymi na bazie minii ołowianej. Ten sposób zabezpieczenia antykorozyjnego utrzymywany był do lat 60. XX w. Pierwotna warstwa farby przetrwała 27 lat, ale od 1965 r. most zaczął wymagać ciągłego malowania. Tygodniowo przy konserwacji ochrony antykorozyjnej obiektu zużywano ok. 2 ton farby i zatrudnionych przy tym było ok. 25 malarzy. W latach 60. zmieniono technologię antykorozyjnego zabezpieczenia konstrukcji stalowych mostu na farby podkładowe na bazie cynku z warstwami nawierzchniowymi na bazie winylu. W latach 90., ze względu na ochronę środowiska, do malowania obiektu wprowadzono farby akrylowe. Przy pracach antykorozyjnych pracuje obecnie 38 wykwalifikowanych malarzy.

W roku 2010 rozpoczęto intensywne prace związane z kompleksową modernizacją ochrony antykorozyjnej obiektu. Polegają one m.in. na wykonaniu nowych powłok antykorozyjnych lin nośnych mostu wraz z odpowiednimi naprawami i uszczelnieniami (fot. 11). Szczególną uwagę zwraca się przy tym na aspekty ekologiczne, stosując odpowiednie zabezpieczenia w postaci specjalnych różnego typu osłon.

Prace te obejmą m.in. usunięcie wcześ­niejszych powłok malarskich, odnowienie lub wymianę zniszczonych elementów osłony kabli, czyszczenie i malowanie lin, obejm wieszaków, śrub itp., a następnie aplikację kompletnego systemu malarskiego.

Od samego powstania mostu dużą uwagę zwracano na jego kolorystykę.

Ponieważ Zatoka San Francisco słynie z częstych mgieł, opracowano specjalny kolor dla tego obiektu, który od tego czasu nosi nazwę international orange. Kolorystyka ta przestrzegana jest z pietyzmem do dziś. Farba, zabezpieczając most przed korozją, sprawia, że jest on lepiej widoczny w czasie mgły (kolor można uzyskać z palety CMYK następująco: C = 0%, M = 69%, Y = 100%, K = 6% lub za pomocą kodu PMS-173).  

Podsumowanie

Majestatyczny, wiszący Golden Gate jest magnesem dla miłośników mostów z całego świata oraz z pewnością najczęściej fotografowaną konstrukcją mostową na świecie. Kojarzony jest zarówno z Zatoką San Francisco, jak również z mostami wiszącymi.

Autor wyraża nadzieję, że dzięki tej publikacji zainteresuje czytelników spektakularnymi konstrukcjami mostowymi. Należy tu wymienić chociażby przeprawę Bay Bridge naszego rodaka Rudolfa Modrzejewskiego, łączącą San Francisco z Oakland, na czele z historycznym mostem Złote Wrota.

prof. UZ dr hab. inż. Adam Wysokowski

kierownik Zakładu Dróg i Mostów

Uniwersytet Zielonogórski

Zdjęcia autora

Literatura

1. D.J. Brown, Mosty – trzy tysiące lat zmagań z naturą, Arkady 2006.

2. Building the Bridge, Tales from Original Golden Gate Bridge Workers, film wydany przez Highway and Transportation District stanu California, USA 2008.

3. K. Dąbrowiecki, Magiczny most Golden Gate, „Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne” nr 1–2/2009.

4. J. Dupré, Bridges. A history of the world’s most famous and important spans, Könemann Verlagsgesellschaft mbH, Köln 1998.

5. Oficjalna strona mostu Golden Gate: http://www.goldengatebridge.org.

6. USA. Przewodnik Baedeker, Pascal 2008.

7. USA – przewodniki Wiedza i Życie, wrzesień 2009.