КОЕ-ЧТО О МОСТАХ,
или
святой Бенезе и святой Изамбар
| Мост в столице развалился,
Развалился, развалился. Мост в столице развалился, Красавица моя. Он из камня, кирпича,
Шли заставы на всю ночь,
|
Поразмыслив над этим незатейливым детским стишком, понимаешь, что это - порождение боязливого суеверия. Хотя первые определенные упоминания о нем относятся ко временам не столь и ранним, к XVII в., он несомненно родился гораздо раньше, и в "Оксфордском сборнике детских стихов" ему посвящено несколько страниц довольно отвратительного текста. По всему миру был распространен обычай танцев на мосту (on у danse, on у danse, sur le pont d'Avignon - там танцуют, там танцуют на Авиньонском мосту) и жертвоприношений при его закладке. И это не только легенды. Так, однажды в основании моста был обнаружен замурованный скелет ребенка *.
* В римских укреплениях на холме Лоубери в Беркшире, около мили от места, где были написаны эти строки, обнаружен замурованный в фундамент женский скелет. Обычай сохранялся до недавнего времени. В 1865 г. были разговоры о том, что в Рагузе мусульмане похищают христианских детей, чтобы замуровывать их в основания своих укреплений. Даже в Англии еще в 1871 г. некоего лорда Лея серьезно подозревали в том, что он замуровал "одну неприятную личность" в основание моста в Стоунлее в Уоркшире.
Возможно, с этим как-то связано появление в Средние века в Европе монашеских орденов строителей мостов - fratres pontifices. В таком ордене состоял святой Бенезе, по замыслам которого, как предполагают, был построен Авиньонский мост. В детстве Бенезе, как и позже Телфорд, был пастушонком, и хочется думать, что, став строителем, он обходился без жертвоприношений и от него пошли те танцы и мелодия, под которую французские дети танцуют до сих пор. У французской ветви ордена строителей мостов был монастырь вблизи Парижа с очаровательным названием Святой-Жак-с-большим-шагом.
На практике мосты предназначены для того, чтобы тяжелые самодвижущиеся экипажи преодолевали по ним провалы и расщелины. Это может быть достигнуто с помощью различных технических средств, и здесь допустимо большое разнообразие конструктивных решений.
Метод, избираемый в каждом конкретном случае, зависит не только от физических и экономических требований, но также от моды и прихоти инженера. Почти каждый мыслимый способ, которым можно построить мост, был хотя бы однажды опробован на практике. Естественно предположить, что какой-то один из принципов постройки, оказавшийся "наилучшим", мог бы стать общепринятым, однако это не так, и чем дальше, тем больше становится получивших широкое применение конструктивных схем.
На территориях развитых стран мостов очень много и они очень разнообразны. Вместе взятые, они могли бы образовать интереснейшую экспозицию, наглядно демонстрирующую . различные конструктивные решения. В большинстве других конструкций их элементы трудно разглядеть, они могут быть скрыты обшивкой, изоляцией, электрическим монтажом, украшениями. Мосты же хороши тем, что достаточно взгляда, чтобы понять особенности конструкции и то, как она работает.
Арочные мосты
Арочные мосты были популярными всегда, и до сих пор различные их формы все еще остаются в большой моде. Можно построить вполне надежную простую каменную арку, расстояние между опорами которой более 60 м. Все возражения против арочной конструкции моста обычно связаны с его стоимостью, высотой арок, величиной .нагрузки на опоры или на фундамент.
Если говорить о простых арках в форме полукруга, широко применявшихся во времена древнего Рима и в Средние века, то в них неукоснительно выполнялось одно непременное требование: высота арки составляла .около половины длины пролета. Таким образом, пролет в 30 м требовал высоты арки по крайней мере в 15 м. На практике это довольно много, однако не связано с особыми трудностями, если требуется построить мост над расщелиной глубиной более 15 м, поскольку в этом случае арка может быть опущена в расщелину так, чтобы ее вершина находилась на уровне подходящей к мосту дороги. Но вот если мост нужно построить на плоской местности, то он будет либо слишком "горбат", а потому неудобен и опасен, либо потребует длинных и дорогих наклонных съездов.
Проблема стала особенно острой с появлением железных дорог: для поездов нежелательны "горбатые" мосты, как и вообще перепады высоты, а для строительства пологих съездов серьезным препятствием служит высокая стоимость земляных работ. Один из способов обойти эту трудность, по крайней мере отчасти, - построить арку сравнительно небольшой высоты. В 1837 г. в связи с прокладкой Великой западной железной дороги Изамбар-Кингдом Брюнель построил мост через Темзу в Майнхеде, состоящий из двух кирпичных арок. Каждая арка моста имеет пролет 39 м при высоте всего в 7,3 м (рис. 82).
Рис. 82. Мост в Майнхеде, построенный Брюнелем в 1837 г. Он имеет самые длинные и плоские каменные арки в мире. Предсказания, что такие арки обязательно должны обвалиться, не сбылись по сей день, хотя мост выдерживает вес поездов, вдесятеро больший, чем во времена его постройки.
Как публика, так и специалисты были в ужасе, в газеты потоками шли письма с пророчествами, что мост обязательно рухнет. Чтобы отвести от себя эти потоки негодования, а возможно, и из чувства юмора Брюнель не спешил убрать деревянные леса и опоры, на которых собирались арки. Естественно, говорили, что он боится это сделать. Но когда, спустя год, опалубку разрушил шторм, арки стояли как ни в чем не бывало. Тогда Брюнель открыл секрет: оказывается, после завершения строительства монтажные опоры опустили на несколько сантиметров, так что в течение многих месяцев они никак не соприкасались с мостом. Мост стоит и поныне, хотя вес проходящих по нему поездов бывает в 10 раз большим, чем тот, на который рассчитывал Брюнель.
Если мы придаем арке менее крутую форму, уменьшая отношение ее высоты к пролету, боковое давление вдоль арки на клинчатые камни, как и следовало ожидать, увеличивается. Однако сжимающие напряжения, как правило, все еще гораздо ниже предела прочности каменной кладки и камням редко грозит опасность разрушения, хотя, когда арка вводится в строй и монтажные опоры убираются, ее перемещения бывают довольно значительны и могут достигать нескольких сантиметров.
Наиболее опасными для невысокой арки являются последствия большого бокового давления на опоры. Если фундаментом служит достаточно твердая порода, например скала, то все обходится, но если опоры построены на мягком грунте, то при слишком большом боковом давлении могут возникнуть серьезные неприятности. К сожалению, нужда в длинных, не очень крутых арках возникает именно тогда, когда мосты строятся через реки, протекающие по низменным, болотистым равнинам. Именно этим вызвано строительство мостов со множеством небольших арок. Не случайно почти все длинные средневековые мосты многоарочные. Недостатками таких мостов являются высокая стоимость возведения многочисленных быков (обычно под водой и часто в топком грунте), а также большое количество перегораживающих фарватер опор, которые создают неудобства и опасность для судоходства.
Чугунные мосты
Некоторые недостатки арочных мостов можно преодолеть, если при их создании отойти от традиционных материалов. К 70-м годам XVIII в. благодаря усовершенствованию доменного процесса значительно удешевилось производство чугуна, что позволило отливать из него клинчатые "камни". По своим свойствам чугун сильно отличается от железа и стали: он весьма хрупок и, выдерживая большие сжимающие нагрузки, весьма непрочен и ненадежен при растяжении. Этим он напоминает камень. Поэтому в строительстве с ним следует обращаться примерно так же, как с каменной кладкой.
Преимущество чугуна в сравнении с традиционной каменной кладкой состоит в том, что из него можно отливать ажурные решетчатые архитектурные детали, а это позволяет сильно снизить вес конструкции. Кроме того, лить чугун куда как дешевле, чем обтесывать камень. Наконец, чугунные мосты были весьма изящными (до той поры, пока не начали портиться вкусы, - приблизительно до первого билля о реформах *).
* 1832 г. - Прим. перев.
Чугун принес в мостостроение двойную пользу. Во-первых, он сократил затраты труда и транспортные расходы; во-вторых, что значительно важнее, уменьшились вес арок и, следовательно, нагрузка на опоры, а это позволило строить менее крутые арки с более дешевыми фундаментами.
Любопытно, что преимущества новой техники мостостроения одним из первых оценил американец Томас Пейн (1737-1809), известный в истории как автор "Декларации о правах человека". Пейн спроектировал большой чугунный мост через реку Скуокилл у Филадельфии. Он приехал в Англию, чтобы заказать чугунное литье, и пока его заказ был в работе, решил навестить в Париже своих друзей-якобинцев. Симпатии к французской революции не помешали Пейну оказаться не только в тюрьме, но и почти на гильотине. Спасло его падение Робеспьера.
В отсутствие Пейна его финансовые дела пришли в упадок, чугунное литье было продано и пошло на постройку моста через Вер в Сандерленде. Арка, законченная в 1796 г., имела пролет длиной около 70 м при высоте всего около 10 м. Причиной того, что сорока годами позже Брюнель не решился использовать чугун для моста в Майнхеде, вероятнее всего, было опасение, что возникающие при движении поездов вибрации могут привести к растрескиванию этого хрупкого материала. Во всяком случае, его каменные арки работали прекрасно.
В XIX в. было построено множество чугунных арочных мостов. Хотя в большинстве случаев они были удачными, в наше время такие мосты строятся очень редко. Дело в том, что сегодня существуют более дешевые пути достижения тех же целей. Приземистые чугунные арочные мосты на первый взгляд весьма похожи на балку (см. гл. 10). Конструктивно же это совершенно различные элементы: материал арки всюду находится (или должен находиться) в состоянии сжатия, в то время как нижняя сторона балки подвергается растяжению. Если материал может выдерживать растягивающие напряжения, то конструкция в виде балки будет всегда и легче, и дешевле, чем арка, несущая ту же предельную нагрузку.
Некоторые из первых инженеров, в том числе и знаменитый Роберт Стефенсон (1803-1859), соблазнившись возможной экономией, пошли на весьма рискованное применение чугунных балок. Используя свою чрезвычайно высокую профессиональную репутацию, Стефенсон уговорил железнодорожные компании построить несколько сотен чугунных балочных мостов. Но мы уже говорили, что чугун непрочен и коварен при растяжениях, поэтому эти мосты действительно оказались очень опасными. В конце концов все их пришлось заменить, невзирая на расходы.
Арочные мосты с подвесной проезжей частью
Современная тенденция в строительстве больших арочных мостов - создание подвесной проезжей части. Если поставить параллельно две арки из стали или железобетона, то между ними на любом нужном нам уровне можно подвесить проезжую часть (рис. 83). В этом случае не возникнет ограничений на высоту арки. Мост Хелл-Гейт в Нью-Йорке (1915 г.) длиной в 300 м и мост в Сидней-Харбор (1930 г.), где длина пролета достигает 500 м, - стальные мосты именно такого типа. Основная нагрузка в них воспринимается сжатыми арками, а подвесная проезжая часть свободна от продольных напряжений. Давление на опоры в больших мостах весьма велико, поэтому необходимы очень надежные основания. Оба упомянутых моста построены на скальном основании.
Рис. 83. Арка с подвесной проезжей частью.
Подвесные мосты
Каменные арки имеют много достоинств. Как мы видели в предыдущей главе, их сравнительно легко проектировать, полагаясь на предыдущий опыт строительства и изменяя масштабы сооружения.
Как заметил профессор Хейман, очень трудно спроектировать арку, которая бы действительно рухнула. Тем не менее этот подвиг был совершен неким Вильямом Эдвардсом в Понтиприте в 1751 г., но я думаю, что письменных свидетельств о событиях такого рода, относящихся к более поздним временам, просто не существует. Наконец, арки не слишком чувствительны к довольно большим смещениям фундамента. И все же строить для них какой-то достаточно надежный фундамент все же приходится, в случае мягкого грунта это может оказаться сложно и дорого.
Хотя эксплуатация каменной кладки не требует больших затрат, ее первоначальная стоимость всегда велика, особенно при постройке больших мостов, которые требуют сложной опалубки. Поэтому мостостроители издревле стремились создать что-то более легкое и дешевое. В отсталых странах были весьма распространены подвесные мосты самых разных типов, обычно построенные с помощью веревок или других видов растительных волокон. Подвесные канатные мосты использовались также для военных переправ, особенно саперами Веллингтона во время войны в Испании.
Однако только новые веревки прочны и надежно выдерживают растягивающие усилия, канаты из растительных волокон чрезвычайно быстро портятся на открытом воздухе и теряют свою надежность (как могли убедиться в этом некоторые персонажи романа Торнтона Уайлдера "Мост короля Людовика Святого"). Для строительства подвесных мостов необходимы стальные или железные канаты. Чугун слишком хрупок, сталь до относительно недавнего времени была слишком дорога, тогда как железо обладает достаточной прочностью и трещиностойкостью; кроме того, оно хорошо противостоит коррозии.
Пешеходный мост длиной в 20 м на железных цепях был переброшен через реку Тис в 1741 г., однако кованое железо было тогда слишком дорого для широкого применения в строительстве мостов. После того как в конце XVIII в. был изобретен процесс пудлингования *, кованые железные цепи стали сравнительно дешевы.
* Гордон Дж. Почему мы не проваливаемся сквозь пол. - М.: Мир, 1971, с. 226.
На мосту через Тис настил примитивным образом крепился прямо к цепям, поэтому он был непригоден для экипажей и слишком крут и опасен для пешеходов. Современная система больших башен, поддерживающих канаты, на которые подвешивается проезжая часть (рис. 84), была изобретением Джеймса Финлея из Пенсильвании, который начал строить мосты такого типа примерно с 1796 г.
Рис. 84. Современная ферма подвесного моста с горизонтальной проезжей частью, подвешенной к канатам; эта схема была предложена Финлеем в 1796 г.
Подвесная горизонтальная проезжая часть в сочетании с достаточно дешевыми
коваными железными цепями сделала подвесные мосты весьма удобными для переброски
колесного транспорта через широкие реки. В большинстве случаев эти мосты
были гораздо дешевле и практичнее, больших каменных мостов. Идею подхватили
быстро во многих странах. В Англии Томас Телфорд построил подвесной мост
через пролив Менай (1825 г.). Его центральный пролет длиной в 166 м долгое
время оставался непревзойденным (рис. 85).
 |
Рис. 85. Подвесной мост через пролив Менай построенный Телфордом в 1819 г. Длина его пролета 166 м. |
Цепи, использованные Телфордом, как и большинство подвесных цепей в мостах того времени, состояли из пластин, или звеньев, соединенных между собой болтами подобно цепям современных велосипедов. Концентрация напряжений в местах соединений требовала применения такого вязкого и пластичного материала, каким было кованое железо. Цепи получались весьма надежными, и какие-либо неприятности почти не возникали. Хотя кованое железо может работать на растяжение, его прочность не особенно велика, поэтому Телфорд предусмотрительно допускал наибольшее номинальное напряжение в цепях на уровне около 55 МН/м2 (5 кгс/мм2, что составляет менее 1/2 от предела прочности. В этих условиях большая часть прочности цепей предназначалась для того, чтобы выдерживать их собственный вес, и Телфорд считал, что мост через Менай имеет максимально возможную для подвесного моста длину пролета (для материалов того времени). Хотя Брюнель в свое время показал, что Телфорд был слишком осторожен (Клифтонский мост Брюнеля имел пролет 190 м), все же в течение многих лет пролет моста через Менай оставался рекордным. Во всяком случае, ограничения на длину, которые возникают при применении железных кованых цепей, достаточно очевидны.
Современные успехи в строительстве больших автодорожных подвесных мостов
стали возможны в результате появления высокопрочной стальной проволоки.
Высокопрочная сталь гораздо прочнее кованого железа или мягкой стали, и
поэтому она может выдержать собственный вес при гораздо большей длине канатов.
Правда, она более хрупка, чем кованое железо, но это не страшно, поскольку
канат сплошной и не имеет отдельных звеньев с болтовыми соединениями, которые
особенно уязвимы для трещин. Кроме того, в отличие от цепного каната, в
котором работают в параллель три или четыре звена, проволочный канат состоит
из многих сотен отдельных нитей, так что разрыв одной из них совершенно
не опасен (рис. 86).
 |
Рис. 86. Подвесной мост через Северн. |
Примером того, что можно делать в наши дни, служит мост через Хамбер на новой автомагистрали, длина пролета которого 1388 м, то есть в 8 раз превышает длину, которую Телфорд считал предельной. Это оказалось возможным благодаря канатам в подвеске, которые работают (и вполне надежно) при напряжениях около 600 МН/м2 (60 кгс/мм2), более чем в 10 раз превышающих напряжения в кованых цепях Телфорда.
Линия давления в арках и подвесных мостах
Форма, которую принимают канаты подвесных мостов, является оптимальной, так как гибкий трос в любом данном месте не может быть направлен иначе, чем по равнодействующей всех нагрузок, действующих на него в данном сечении. Поэтому определить форму каната подвесного моста мы можем, либо нагрузив его модель, как это делал Телфорд, либо без особых затруднений построив на листе ватмана так называемый "веревочный многоугольник". Его используют как при проектировании подвесных мостов, например в случае, когда нам нужно знать точную длину подвесок для проезжей части, так и при проектировании арок.
Не требуется большого воображения для того, чтобы, посмотрев на подвесной мост и на арку, понять, что подвесной мост - это перевернутая вверх ногами арка, и наоборот. Другими словами, если мы изменим знак всех напряжений в арке, то есть заменим сжатие на растяжение, то все эти натяжения могут быть выдержаны одним искривленным канатом, форму которого можно считать "линией давления" при растяжении. Сделав так, мы довольно легко находим линию давления при сжатии, например для арочных мостов и куполообразных крыш.
Форма линии давления может слегка изменяться в зависимости от особенностей нагружения, например от присутствия транспорта на мосту. Проектируемая арка будет безопасна в тех и только в тех случаях, когда все возможные линии давления целиком лежат в пределах конструкции арки. Иногда даже люди со специальным образованием считают, что получаемые таким образом линии давления имеют форму цепной линии, и поэтому форма круглой арки является "неправильной". Конечно же, это не всегда верно, и в большинстве случаев линия давления довольно близка к дуге окружности - в оправдание древних римлян, имевших обыкновение строить вполне надежные полукруглые арки. Однако если мы захотим сделать очень тонкую арку - такие арки обычны для современных железобетонных мостов, - то лучше прибегнуть к точному расчету ее формы, ибо здесь свободное пространство для линии давления весьма мало.
Мостовые фермы с верхним криволинейным поясом
Хотя подвесные мосты взяли блестящий старт в начале XIX в., их распространение было прервано на сотню лет появлением железных дорог. Большинство из 25 тыс. мостов, построенных в викторианской Англии, были железнодорожными. Подвесной мост - слишком гибкая конструкция, и под действием больших сосредоточенных нагрузок он может опасно деформироваться. Эта особенность подвесных мостов не очень существенна для шоссейных дорог *, но железнодорожный состав по меньшей мере раз в сто тяжелее телеги или грузовика, поэтому он вызывает в сто раз больший прогиб, что, конечно, совершенно не допустимо.
* Все мосты Телфорда были предназначены для нерельсовых дорог или каналов. Особенно американцы широко применяли висячие мосты в качестве акведуков для каналов. Вода канала текла в подвешенном деревянном лотке; естественно, когда баржа проходила через мост, полная нагрузка не менялась, а поэтому не менялся и прогиб моста.
Те несколько подвесных железнодорожных мостов, которые были построены в Англии, оказались явно неудачными. Американцы, у которых реки были шире, денег меньше, а веры в успех больше, некоторое время упорствовали, но в конце концов и они были вынуждены от них отказаться.
Следовательно, требовались не только легкие и дешевые, но и достаточно жесткие мосты, к тому же с большими пролетами. Это привело к разработке мостовой фермы с верхним криволинейным поясом, или стянутой арки (рис. 87).
Рис. 87. Мостовая ферма с верхним криволинейным поясом, или "стянутая арка".
Арка, конечно, обладает значительной жесткостью, но ее давление на опоры оказывается весьма большим. Это не столь существенно, когда опоры представляют собой прочные скальные породы, но в железнододорожном строительстве в большинстве случаев таких условий нет. Особенно сложно установить арку или серию арок на высоких и тонких опорах, они могут оказаться совершенно не способными выдерживать большие боковые нагрузки. Но от инженеров викторианского времени порой требовалось именно это: они смело прокладывали железнодорожные пути через глубокие долины, порой на высоте более 30 м. Один из способов решения проблемы состоит в том, чтобы чем-то стянуть концы арки. Оказалось, это можно сделать с помощью самого подвешенного железнодорожного полотна, которому здесь приходится работать, обеспечивая свою же собственную безопасность: полотно будет находиться в состоянии растяжения.
По внешнему виду описанная конструкция похожа на обычную арку с подвесной дорогой, но работает она совершенно иначе. Здесь нет никаких боковых давлений на опоры, они должны выдерживать только вертикальные нагрузки, вызванные весом самой фермы и проходящего по ней транспорта. Вместо твердого закрепления все сооружение может покоиться на роликах, что часто и делается для компенсации температурного расширения и сжатия металла. Такие фермы не производят никакого бокового давления, поэтому их можно устанавливать на относительно тонких каменных колоннах.
Мостовая ферма в форме стянутой арки представляет собой отдельную готовую
деталь, что позволяет существенно упростить строительство больших мостов.
Ее можно собрать на земле, где-нибудь в стороне от моста, затем перевезти
к опорам на плотах или баржах и поставить на место с помощью домкратов.
Именно так возводил Брюнель пролеты Солташского моста. Как мы увидим в
следующей главе, стянутая арка на самом деле является одним из членов многочисленного
семейства ферм и решетчатых балок, которыми изобилует современная техника.
