Конструкции, или почему не ломаются вещи | Страница 38 | Онлайн-библиотека
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).
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).
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.
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.