Конструкции, или почему не ломаются вещи - Гордон Джеймс Эдвард (читаем книги онлайн бесплатно без регистрации .txt) 📗

Проблема стала особенно острой с появлением железных дорог: для поездовнежелательны "горбатые" мосты, как и вообще перепады высоты, а длястроительства пологих съездов серьезным препятствием служит высокая стоимостьземляных 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 черезТемзу [69]в Майнхеде, состоящий из двух кирпичных арок. Каждая арка моста имеет пролет 39м при высоте всего в 7,3 м (рис. 82).

Рис. 82. Мост в Майнхеде, построенный Брюнелем в 1837 г. Он имеет самыедлинные и плоские каменные арки в мире. Предсказания, что такие аркиобязательно должны обвалиться, не сбылись по сей день, хотя мост выдерживаетвес поездов, вдесятеро больший, чем во времена его постройки.

Как публика, так и специалисты были в ужасе, в газеты потоками шли письмас пророчествами, что мост обязательно рухнет. Чтобы отвести от себя этипотоки негодования, а возможно, и из чувства юмора Брюнель не спешил убратьдеревянные 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. Мостстоит 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 высотык пролету, боковое давление вдоль арки на клинчатые камни, как и следовалоожидать, увеличивается. Однако сжимающие напряжения, как правило, все ещегораздо ниже предела прочности каменной кладки и камням редко грозит опасностьразрушения, хотя, когда арка вводится в строй и монтажные опоры убираются,ее перемещения бывают довольно значительны и могут достигать несколькихсантиметров.

Наиболее опасными для невысокой арки являются последствия большого боковогодавления на опоры. Если фундаментом служит достаточно твердая порода, напримерскала, то все обходится, но если опоры построены на мягком грунте, то прислишком 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. Недостаткамитаких мостов являются высокая стоимость возведения многочисленных быков(обычно под водой и часто в топком грунте), а также большое количествоперегораживающих фарватер опор, которые создают неудобства и опасностьдля судоходства.

Чугунные мосты

Некоторые недостатки арочных мостов можно преодолеть, если при их созданииотойти от традиционных материалов. К 70-м годам XVIII в. благодаря усовершенствованиюдоменного процесса значительно удешевилось производство чугуна, что позволилоотливать из него клинчатые "камни". По своим свойствам чугун сильно отличаетсяот 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 скаменной кладкой.

Преимущество чугуна в сравнении с традиционной каменной кладкой состоитв том, что из него можно отливать ажурные решетчатые архитектурные детали,а это позволяет сильно снизить вес конструкции. Кроме того, лить чугункуда как дешевле, чем обтесывать камень. Наконец, чугунные мосты были весьмаизящными (до той поры, пока не начали портиться вкусы, - приблизительнодо первого билля о реформах [70]).

Чугун принес в мостостроение двойную пользу. Во-первых, он сократилзатраты труда и транспортные расходы; во-вторых, что значительно важнее,уменьшились вес арок и, следовательно, нагрузка на опоры, а это позволилостроить менее крутые арки с более дешевыми фундаментами.

Любопытно, что преимущества новой техники мостостроения одним из первыхоценил американец Томас Пейн (1737-1809), известный в истории как автор"Декларации о правах человека". Пейн спроектировал большой чугунный мостчерез реку Скуокилл у Филадельфии. Он приехал в Англию, чтобы заказатьчугунное литье, и пока его заказ был в работе, решил навестить в Парижесвоих друзей-якобинцев. Симпатии к французской революции не помешали Пейнуоказаться не только в тюрьме, но и почти на гильотине. Спасло его падениеРобеспьера.

В отсутствие Пейна его финансовые дела пришли в упадок, чугунное литьебыло продано и пошло на постройку моста через Вер в Сандерленде. Арка,законченная в 1796 г., имела пролет длиной около 70 м при высоте всегооколо 10 м. Причиной того, что сорока годами позже Брюнель не решился использоватьчугун для моста в Майнхеде, вероятнее всего, было опасение, что возникающиепри движении поездов вибрации могут привести к растрескиванию этого хрупкогоматериала. Во всяком случае, его каменные арки работали прекрасно.

В XIX в. было построено множество чугунных арочных мостов. Хотя в большинствеслучаев они были удачными, в наше время такие мосты строятся очень редко.Дело в том, что сегодня существуют более дешевые пути достижения тех жецелей. Приземистые чугунные арочные мосты на первый взгляд весьма похожина 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 материалможет выдерживать растягивающие напряжения, то конструкция в виде балкибудет 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 рискованноеприменение чугунных балок. Используя свою чрезвычайно высокую профессиональнуюрепутацию, Стефенсон уговорил железнодорожные компании построить несколькосотен чугунных балочных мостов. Но мы уже говорили, что чугун непрочени коварен при растяжениях, поэтому эти мосты действительно оказались оченьопасными. В конце концов все их пришлось заменить, невзирая на расходы.

Арочные мосты с подвесной проезжей частью

Современная тенденция в строительстве больших арочных мостов - созданиеподвесной проезжей части. Если поставить параллельно две арки из стали илижелезобетона, то между ними на любом нужном нам уровне можно подвесить проезжуючасть (рис. 83). В этом случае не возникнет ограничений на высоту арки. МостХелл-Гейт в Нью-Йорке (1915 г.) длиной в 300 м и мост в Сидней-Харбор (1930г.), где длина пролета достигает 500 м, - стальные мосты именно такого типа.Основная нагрузка в них воспринимается сжатыми арками, а подвесная проезжаячасть свободна от продольных напряжений. Давление на опоры в больших мостахвесьма велико, поэтому необходимы очень надежные основания. Оба упомянутыхмоста 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 строительстваи изменяя масштабы сооружения.

Как заметил профессор Хейман, очень трудно спроектировать арку, котораябы действительно рухнула. Тем не менее этот подвиг был совершен неким ВильямомЭдвардсом в Понтиприте в 1751 г., но я думаю, что письменных свидетельство событиях такого рода, относящихся к более поздним временам, просто несуществует. Наконец, арки не слишком чувствительны к довольно большим смещениямфундамента. И все же строить для них какой-то достаточно надежный фундаментвсе же приходится, в случае мягкого грунта это может оказаться сложно идорого.