Конструкции, или почему не ломаются вещи - Джеймс Гордон

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[70]).

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[71], кованые железные цепи стали сравнительно дешевы.

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[72] 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.